半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

半导体太阳能光伏电池研发现状与趋势王占国（中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室）摘要1、序言：世界能源发展的走势2、半导体光伏电池的研究现状和发展趋势3、半导体太阳能光伏电池产业发展现状与前景预测4、我国太阳能光伏电池产业发展存在的问题与建议5、太阳能光伏发电应用例举6、致谢

2/4/20231半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

人口、资源和环境已成为制约人类社会可持续发展的瓶颈。对于人口众多、资源相对贫乏和生态环境严重恶化的我国，所遇到的挑战则更加严峻。

针对我国化石能源紧缺、和生态环境脆弱的国情，要实现2020年国民经济GDP翻两番和在2050年达到中等发达国家生活水平的战略目标，必须在提倡节能和提高能源利用效率、降低能耗与控制污染的同时，大力发展清洁、可再生能源及其应用技术。一、序言：世界能源发展走势2/4/20232半导体太阳能电池研发现状与发展趋势(PVNET-EuropeanRoadmapforPVR&D,JRC-EUR21087EN,2004)未来世界能源发展的总趋势预测2/4/20233半导体太阳能电池研发现状与发展趋势未来世界化石和可再生能源走势预测2/4/20234半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

风能：我国风能仅次于美、前苏联，世界第三，已探明风能储量为：32.26亿KW,其中陆地可利用的风能2.53亿KW；近海可用风能7.5亿KW，同比约为水能的2.5倍。

生物质能：如沼气、甲醇和乙醇等液体燃料等。

太阳能：光伏电池、热伏电池和热能发电等。太阳辐射到地球的太阳能为：1KW/m2,是目前人类能源消耗的数万倍。可再生能源：风能、生物质和太阳能等2/4/20235半导体太阳能电池研发现状与发展趋势GaAs与硅在空气质量为0和空气质量为1.5的太阳光普辐照度与截止波长的关系

太阳内部的热核反应，每秒产生的能量多达41020

焦耳；恒定输出寿命将大于100亿年！

太阳辐射到地球的太阳能，超出目前人类能源消耗的数万倍。2/4/20236半导体太阳能电池研发现状与发展趋势我国于2004年2月28日，已通过再生能源法，并将于2006年元月1日实施。

在可再生能源技术中，光伏发电是一种干净、可持续发展的能源技术。平均每kW光伏系统每年减排16kg氮氧化物、9kg氧化硫、0.6kg固体粉尘以及0.6-2.3吨二氧化碳。

利用半导体光生伏特效应实现太阳能的转换是一种重要途经。

实现高效转换的途经是人们长期追求的目标，近年来已取得长足进步。2/4/20237半导体太阳能电池研发现状与发展趋势美国：1997年百万屋顶计划（2010年完成）。印度：1997年150万套屋顶计划，2002年完成。德国：1998年的10万屋顶计划，世界最大光伏系统安装在慕尼黑展览中心。澳大利亚：2000年悉尼运动会，665套1KW屋顶光伏系统。日本：2000年“新阳光计划”；目前，太阳能电池生产世界第一。意大利：2000年全国太阳能屋顶计划。蒙古：1万套屋顶计划，2010年安装10MW。韩国和马来西亚等国也有相应的发展计划。各国政府大力扶持2/4/20238半导体太阳能电池研发现状与发展趋势二、半导体光伏电池的研究现状和发展趋势半导体PN结光伏电池的工作原理示意图热损耗pn结损耗电极接触损耗复合损耗无光照时PN结内建电场的形成（左上），左下和右上为光照下光生载流子的运动示意图。2/4/20239半导体太阳能电池研发现状与发展趋势半导体太阳能光伏电池的转换效率2/4/202310半导体太阳能电池研发现状与发展趋势2.1第一代单晶体太阳能电池1941年，在硅区熔生长的PN结电池里观察到光伏效应。1954年BellLab实现第一只扩散PN结电池，光电转换效率6％我国58年开始硅太阳电池研究，65年效率15％，71年上星1985年澳大利亚采用表面微沟槽、钝化发射极和背场结构，单晶硅电池效率超过20%。钝化发射极和背电极电池，钝化发射极和局部扩散背电极电池，效率达到百分之二十四点七（澳大利亚)

（1）硅单晶太阳能光伏电池2/4/202311半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

砷化镓具有直接能带隙（Eg＝1.42eV），具有很高的光发射和光吸收系数

，转换效率高达近30％。1986年苏联和平号轨道空间站，装备了10KWAlGaAs/GaAs

异质结电池，单位面积比功率达到180W/m2。

美国在上世纪80年代初发展了MOCVD技术，80年代中期开始批量生产GaAs/GaAs太阳能电池（18％）。

我国在上世纪与国际同期也开展了GaAs基电池研究，1999年,2×2cm2电池的转换效率达22％。（2）砷化镓基太阳能电池理论最大转换效率与半导体能隙关系。2/4/202312半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

2005年世界光伏工业产量为1800MW，其中约85%源自晶体硅电池,晶体硅电池效率高、寿命长、投资风险小。提高效率、降低成本仍然是晶体硅电池组件研发的重要课题。

薄膜电池不用硅片（200-250微米厚），而是在玻璃等廉价衬底上沉积薄膜半导体（≈1微米）有源层，可望大幅度降低材料消耗和成本。薄膜光伏电池主要包括:

非晶硅（a-Si）碲化镉（CdS/CdTe）铜铟（镓）硒（CI(G)Se）等。

2.2第二代薄膜太阳能电池2/4/202313半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

上世纪60年代末，英国标准通讯实验室研制成功氢钝化非晶硅薄膜，75年丹迪大学制备出非晶硅pn结。

1976年RCA做出非晶硅太阳能光伏电池，掀起了研究非晶态半导体的热潮。82年,氢钝化非晶硅电池的转换效率突破了10%。

2001年日本Kaneka公司生产的非晶/微晶硅叠层电池效率10.5%，10年之内保证效率不低于9.8%。并预计2010年,非晶/微晶硅叠层组件效率达16%，系统价格60万日元/3kWp。a-Si/n-Si二结2/4/202314半导体太阳能电池研发现状与发展趋势UnitedSolarOvonic

的不锈钢衬底三结非晶硅太阳能电池生产线2/4/202315半导体太阳能电池研发现状与发展趋势UnitedSolarOvonicCAPACITYEXPANSIONATUNITEDSOLAROVONIC19860.6MW19912MWSamegapTandem19965MWTriple-gap,Triple-junction200225MW200625MW2/4/202316半导体太阳能电池研发现状与发展趋势碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池

♣

碲化镉是直接能带隙半导体材料（Eg约1.5eV），具有光照稳定性好、成本低、容易实现大面积组件集成等优点。2001年美国NREL通过改进透明导电薄膜和窗口层材料，使CdS/CdTe电池效率提高到16.5%。

♣

2005年CdTe电池组件的产量已达到50MW，预计2006年将达到75MW。Cd的毒性问题已得到妥善解决2/4/202317半导体太阳能电池研发现状与发展趋势♣

Cu(InGa)Se2太阳电池是另一种多晶薄膜电池，具有稳定性好、抗辐照性能好、成本低、效率高等优点。目前，Cu(InGa)Se2/CdS电池实验室小面积效率已达到19.5％。♣

CIGS电池为多元化合物，产业化生产难度大，但近年来，大面积电池组件的效率已达到10－13％，进展很大。2005年CIGS电池组件的产量已达到8MW，2006年将激增为44MW。♣Cu(InGa)Se2

电池需要大量使用In（约占CIGS总重量的1/4），In是地球上比较稀有的一种元素，当CIGS电池的产量达到G瓦量级后，In的供应可能会成为瓶颈。

铜铟镓硒（CIGS）太阳电池2/4/202318半导体太阳能电池研发现状与发展趋势♣

DSSC是一种光电化学太阳电池，由光电极、氧化还原对电解液和对电极构成。它具有成本低、高效率、材料来源丰富、无毒性等特点，是一种很具发展前景的薄膜电池。♣DSSC研究始于上世纪60年代，1991年以来，瑞士的一个小组采用纳米多孔TiO2薄膜作为光电极、Ru三吡啶络合物作为染料敏化剂和含碘氧化还原对的电解液，改善了DSSC的性能。最近通过改进TiO2层次结构和提高了TiO2的织构度，降低器件的串连电阻，将DSSC的效率提高到11.1%。大面积（100cm2）染料敏化电池组件的效率已达到8.4％。♣DSSC研究的一个重要方向是用固态或准固态电解质取代液态电解质，以避免电解液的挥发和渗漏；用有机染料取代含贵金属Ru的络合物和它的长期稳定性都是倍受关注的问题。染料敏化太阳电池（DSSC）2/4/202319半导体太阳能电池研发现状与发展趋势单PN结太阳电池理论转换效率（在标准光照情况下）与半导体材料的禁带宽度的关系2/4/202320半导体太阳能电池研发现状与发展趋势2.3第三代高效薄膜太阳能电池

对于单带隙太阳电池材料，限制电池效率的因素主要是：

能量低于带隙的光子不能被有效吸收；

能量远高于带隙的光子一般也只能激发出一个电子空穴对。

提高电池效率就是要把不能被有效吸收的低能光子和能量远高于带隙的高能光子的能量充分利用起来。目前已有和潜在的半导体光伏技术有：叠层电池技术，多光谱太阳电池技术

双光子吸收太阳电池技术

多能级、多带和热光伏太阳电池等。2/4/202321半导体太阳能电池研发现状与发展趋势用不同带隙宽度Eg的材料，按Eg大小从上而下迭合起制成。选择性地吸收太阳光谱的不同子域，可大幅度提高电池的转换效率。计算表明，两结叠层电池的极限效率为50％；三结电池的极限效率为56％；36结效率为72％；无限多结效率为86.6%。1990年，GaInP/GaAs双结叠层电池，AM1.5效率达27.3％。1994年，0.25cm2面积的GaInP/GaAs双结叠层电池，其AM1.5效率到29.5％。我国三结电池效率26.8%.（1）叠层电池2/4/202322半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

Ⅲ族氮化物光学窗口从远紫外至近红外波长范围（1.8µm—200nm）。组分连续变化的InxGa1-xN合金（3.4-0.7eV），与太阳光谱分布（4.0-0.4ev）较好相匹配，为探索全太阳光谱的新一代、高转换效率太阳电池开辟新途径。

理论预测，InxGa1-xN组分缓变多结太阳能电池的极限转换效率可高达72%！而且InxGa1-xN还具有抗辐照能力，可提高太阳能电池的可靠性。

开发Ⅲ族氮化物太阳能电池在国际上受到高度重视,期望能打破现有太阳能电池转换效率的极限,开创太阳能利用新局面。2/4/202323半导体太阳能电池研发现状与发展趋势（2）多光谱太阳能电池将太阳光的多光谱变为相对窄的、适应单结电池的光谱，而不用多结，降低成本（左上图）。利用热激发LED产生窄带光谱；通过热光和光电转换，理论效率可达50％（左下图）。右下是太阳光的下转换示意图，吸收一个光子可以产生两个电子空穴对，从而提高转换效率。2/4/202324半导体太阳能电池研发现状与发展趋势（3）双光子吸收太阳电池技术通过双光子吸收、碰撞电离和俄歇过程，内量子转换效率可大于100%，尽管对目前已知的材料，这种吸收系数仍然很小。2/4/202325半导体太阳能电池研发现状与发展趋势（4）多能级太阳电池下图左可是不同的耦合多量子阱或量子点（形成子带），可充分利用太阳光谱，提高转换效率；右下图是具有激发态的量子阱结构，也可用来充分利用太阳光谱的红外部分。2/4/202326半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

在带隙中引入N个带会扩大吸收长波光子的能量范围(2,3)。可在宽带隙半导体中引入的稀土杂质带，或某些多量子阱结构。N个带电池的极限效率为86.8%。值得指出，N带的引入不应带来额外的复合损失。

热光伏是利用一个热源作为光源，又称为热光子技术。这种技术特别适用于燃料电池和废热利用。在转换太阳光时，与一个吸热体相结合，其极限效率可达85.4%。（5）多能带和热光伏太阳电池2/4/202327半导体太阳能电池研发现状与发展趋势太阳能热电、光电及热电/光电复合发电系统(a)热电发电(b)光电发电(c)热电·光电复合发电(a)(b)(c)2/4/202328半导体太阳能电池研发现状与发展趋势太阳能光伏电池的追尾装置2/4/202329半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

（6）高效、低成本有机/无机复合纳米半导体柔性太阳能电池：目前国际前沿研发热点之一可折叠、卷曲、易安装、移动性好;2.非真空生长,成本低；3.无衬底、重量轻、抗辐照，有利于空间使用;4.轻质、比功率高，理论预期能量转换效率>66%。2/4/202330半导体太阳能电池研发现状与发展趋势无机半导体纳米颗粒是优异的受主中心，有机聚合物则是好的施主，二者复合可以提高电荷传输效率，从而提高太阳电池的能量转换效率。有机/无机复合纳米太阳能电池2/4/202331半导体太阳能电池研发现状与发展趋势三、半导体光伏电池产业发展现状和前景预测

世界太阳能光伏产业发展迅速。最近5年太阳电池/组件生产的年平均增长率达到43％，2005年世界光伏电池/组件产量达到1.8GW，比2004年增长了50％。

2005年世界光伏系统的总装机容量超过5GW，其中并网发电在光伏市场中的份额逐年增加。

据预测，到2010年世界光伏系统累计装机容量将达到14～15GW，电池组件的价格约2美元/Wp。2/4/202332半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

欧洲光伏协会对未来光伏产业和市场预测，2020年世界光伏系统总装机容量将达195GW，发电量达到274TWh,相当于2020年全球发电量的1％。光伏组件成本低于1美元/Wp，光伏发电成本将降低到6美分/kWh以下。

预计到2040年，光伏发电量将达到7368TWh，等于当时全球发电量的21％。

近年来，我国光伏产业年生产能力增加很快，2005年生产能力达300MW（实际产量150MW）。据欧盟的报告预测，2007年中国的光伏工业将成为继日、欧盟和美国之后的世界第四生产国，生产能力达1GW，约占世界市场的20％。2/4/202333半导体太阳能电池研发现状与发展趋势2000－2040年世界电力发展预测1%21%2/4/202334半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

并网发电在光伏市场中份额逐年增加并占主导地位2/4/202335半导体太阳能电池研发现状与发展趋势单晶硅（左）和其它几种（右）太阳能电池转换效率不断提高。半导体太阳能电池（组件）制造技术发展迅速单晶硅2/4/202336半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

世界电池组件价格不断下降，2004年下降到2.5美圆／Wp以下2/4/202337半导体太阳能电池研发现状与发展趋势世界年能耗和对应的太阳能光伏发电所需的面积2/4/202338半导体太阳能电池研发现状与发展趋势四、我国半导体太阳能光伏电池产业发展存在的问题和建议

上世纪70年代末到80年代中，为我国光伏工业的萌发时期，国内一些半导体器件厂开始单晶硅太阳电池的研发；80年代中后期，我国光伏电池/组件总生产能力达到4.5MW，我国光伏产业初步形成。

90年代初中期，我国光伏产业处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。90年代末我国光伏产业发展较快。

进入21世纪以来，在《送电到乡》工程及国际市场推动下，我国光伏产业进入全面快速发展时期。截止2004年底，我国光伏产业总的年生产能力：组件150MW，电池生产67MW，硅锭/硅片生产54MW。2/4/202339半导体太阳能电池研发现状与发展趋势我国研制的地面太阳电池效率达到的水平电池技术效率.(%)面积

(cm2)单晶硅电池(IPSE)(MGBC)(LGBC)倒金字塔织构化及选择性发射区技术，机械刻槽埋栅技术激光刻槽埋栅技术19.792218.472218.655多晶硅电池常规＋吸杂14.511聚光(硅)电池密栅17.022多晶硅薄膜电池RTCVD(非活性硅衬底)14.811非晶硅电池非晶硅电池

PECVD(单结)PECVD(双结)11.2毫米级11.4毫米级8.61010铜铟硒电池共蒸发12.111碲化镉电池近空间升华13.380.5燃料敏化TiO2电池丝网印刷101

2/4/202340半导体太阳能电池研发现状与发展趋势

我国光伏发电与发达国家相比尚存较大差距，主要表现在技术水平、产业和市场发展方面。几种典型太阳电池的实验室最好效率(％)电池种类中国世界单晶硅19．824．7多晶硅16．519．8非晶硅13（三结）8（两结）碲化镉（CdTe）13.3816.4硒铟铜（CIS）12.119.22/4/202341半导体太阳能电池研发现状与发展趋势几种商业化电池的效率对比(％)电池种类中国世界单晶硅14－1615－18多晶硅14－1514－16非晶硅(稳定)-5－6(两结)3－4(单结)8(三结)7(两结)6(单结)碲