太阳能光伏电池技术

太阳能光伏电池技术

全球能源行业面临着巨大的压力，即缺乏石化燃料和环境恶化。积极开发可支配能源是世界的共识。太阳能是资源最丰富的可再生能源,具有“取之不尽,用之不竭”的巨大优势,发展太阳能光伏产业也是迈入当前全球“低碳”经济的重要途径。太阳能光伏电池可以划分为三代电池:第1代晶硅电池、第2代薄膜电池和第3代新型高效电池,图1为太阳能电池分类图。晶硅电池由于硅材料地球储量丰富,整个制程的技术与支撑设备体系完善,产业化推广最为成熟,是当前太阳能光伏市场的主流产品,市场占比在80%以上。当前产业化的P型单晶硅电池效率在18%～19%左右,多晶硅为17%～17.8%左右,与晶硅电池的实验室效率(单晶25%,多晶20.4%)以及硅电池的理论效率(29.8%)还有不小的差距,因而有很大的技术提升空间,还有大量研发工作需要做。薄膜电池优点在于采用薄层结构降低材料的使用度,可以制备在大面积衬底或柔性衬底上满足建筑一体化等特殊需求,但缺点是制造无普适设备,不同的工艺需开发不同的设备,生产线的设备投资巨大,工艺更新即淘汰设备的潜在风险;产业化电池光电转换效率(7%～14%)比晶硅电池低,除建筑一体化等特殊市场外成本与价格竞争处于弱势,总体市场占比约为15%左右。所以当前应对某些薄膜电池技术进行跟踪,等时机成熟后再规模介入。第3代太阳能电池中的染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池有理论上制程简单、成本低廉的优点,但电池耐久性、可靠性、衰减等问题及效率低下的障碍导致它们在产业化过程中目前无法与晶硅和薄膜电池竞争。GaAs系叠层电池采用前沿半导体技术设备研制,光电转换效率比第1、2代电池高,效率提升较大。该类电池对制作工艺和设计参数有着严格的要求,目前电池每瓦成本高于晶硅电池,市场份额较小(小于2%)。但从多元化的原材料需求、高密度的工艺步骤以及快速的效率攀升势头来看,GaAs多结电池结合聚光光伏系统可能会成为晶硅电池在高光照、集中电站市场的有效补充和竞争者。支撑GaAs系电池研究的光电子平台具有很强的设备普适性,除太阳电池外还可用于LED、传感器、激光器等高端半导体器件研究和生产,基于光电子平台开展第3代电池研究,有利于开发多元化、高技术产品,开辟新业务领域和建立新的增长点。图2是晶硅电池和其它电池从1999～2011年逐年的市场占比图,其它电池中薄膜电池占主要份额。自2005年起,全球晶硅的价格开始疯涨,原材料成本的压力使众多晶硅企业承受巨大压力,而由于当时薄膜电池成本仅相当于晶硅电池的一半,薄膜电池深受众多电池商青睐,在全球范围内趁机引起了一轮薄膜电池的投资潮,因而晶硅电池市场占比有所下降,但薄膜电池的发展势头在2008年晶硅价格出现连续大幅跳水时遭到重创,不少薄膜电池生产企业的订单量也受到较大冲击,我国不少光伏企业扩张薄膜电池生产线的计划也因此出现不同程度的搁浅。总体来讲,从中短期技术发展来看,能推动光伏发电平价上网的技术,目前只有晶硅电池技术,晶硅电池在未来5～10年内仍将继续占据太阳能电池市场的主流地位。晶体硅电池技术细分可以分为单晶硅电池技术、多晶硅电池技术及最近几年兴起的准单晶电池技术。光伏用的单晶采用直拉法制造、多晶采用铸锭法制造,可直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,设备比较简单。近年来大批投资涌入多晶硅制造行业,进一步降低多晶硅的生产成本。多晶电池电站建筑投资成本低,一次性投资低,在中国等非发达经济体市场竞争力强。单晶硅由于效率高且提升空间大(效率高可以降低很多如封装环节中的玻璃材料、电站建设土地、土建、组件支架、组件安装、施工费用等刚性成本),一直是欧美等发达经济体市场主导应用产品,发达经济体正在制定更高电池与组件(无电致衰减)标准的市场准入制度。另外,分布式发电对于单晶硅来说是有利的方向,因为面积有限,高效电池更有优势。国家能源局在《太阳能发电发展“十二五”规划》中将太阳能发电“十二五”规划目标定调为2100万kW,到2015年分布式发电装机规模达到1000万kW,明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域,高效率的单晶硅电池将获得更大的市场机会。另一方面,单晶电池与多晶电池的生产线的区别主要在制绒设备,其他设备都可以通用。多晶电池生产的工艺技术也基本是从单晶电池生产中转移而来,大多数知名单晶电池厂都能生产高品质的多晶电池。在大力发展单晶、多晶电池技术的同时,准单晶(MonoLike)技术也逐渐得到大家的关注。准单晶技术是基于多晶铸锭的工艺,在长晶时通过使用单晶籽晶,获得外观和电性能均类似单晶的多晶硅片。这种通过铸锭的方式形成单晶硅的技术,其功耗只比普通多晶硅多5%,所生产的单晶硅的质量接近直拉单晶硅。简单地说,这种技术就是用多晶硅的成本,生产质量类似于单晶硅的技术,这将有助于降低太阳能发电成本,未来市场十分广阔。目前国内各企业对准单晶电池的研究均处于保密阶段,仅仅有2011年晶澳(效率18.5%)、保利协鑫(效率18.5%)、无锡尚德(效率18%)、昱辉太阳能(效率17.5%)公开了相关的信息。但准单晶技术仍存在诸多瓶颈,目前准单晶铸锭良率大约在40%～60%之间,还有待提高。同时由准单晶生产的电池效率质量分布无法有效掌控,准单晶长成晶柱后,效率分布主要区分成两种,即位于核心位置的高效区以及位于外围的低效区域。但核心高效部分效率分布仍无法集中,也无法有效掌控,各公司宣称的高效电池均是选取准单晶晶锭最理想部分切片制备出来的,外围的低效材料制成的电池虽宣称比一般多晶还要高或相当于多晶,但因制程稳定度不足,有很多比一般多晶还差,且生产成本相对多晶高。多数企业只能进行小规模实验,有些企业虽可以生产出准单晶,但控制工艺复杂,成本居高不下,无法实现工业化生产。在2011年喧腾一时的准单晶太阳能硅晶片,在2012年发展不如预期,近期诸多太阳能硅晶片厂选择停止供应进行观望。准单晶电池发展的难点是生产过程可控性差,材料不可控导致电池工艺和产品一致性差。在晶硅电池的几种技术中,单晶硅、多晶硅电池技术各有特点,都有生存空间,不能说哪种电池技术能替代另外一种电池技术,将来在市场上应该是一个多项技术共存的局面,因而同时发展单晶、多晶电池技术才能更好适应未来市场的需求和规避市场风险。准单晶电池发展的关键点是准单晶材料的质量控制,准单晶电池技术未来的发展要视其材料制备一致性技术进步情况,市场预期不定。单晶、多晶、准单晶电池制备所需的厂房、设备、工艺具有共性,相互之间做微小的调整即可进行生产的转换。晶硅太阳能电池技术在其发展的历程中,基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用,至今为止,太阳能电池的基本结构和机理没有发生根本的改变。几十年来围绕着提高效率、降低成本的各种研究开发工作取得了显著成就,表现在电池效率不断提高(单晶硅电池的实验室效率已经从50年代的6%提高到目前的25%,商业化电池在近20年内提升了相对50%的效率)、硅片厚度持续降低、电池结构不断优化、产业化技术不断改进等方面,对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。在传统结构的硅太阳电池中(如图3所示),通常采用一步扩散制备电池的发射极,扩散的浓度要兼顾金属电极与发射极接触电阻以及发射极表面对光生少子的复合。良好的欧姆接触通常要求发射极扩散有较高的掺杂浓度,而在较高的掺杂浓度下,硅片表面载流子复合率较高,会减小短路电流密度,从而使效率下降。那么,能够很好解决二者之间矛盾的工艺方法,是在电池片表面制作选择性发射极,即在电极接触区域采用高浓度掺杂,在光吸收区域采用低浓度掺杂。为了进一步降低发射极表面载流子的复合,表面钝化技术被广泛地应用于高效电池中。国外一些研究机构开发的具有代表性的高效硅太阳电池结构有:澳大利亚新南威尔士大学的PESC(Passivatedemittersolarcell)、PERC(Passivatedemitterandrearcell)、PERL(Passivatedemitter,rearlocallydiffused)、PERT(Passivatedemitter,reartotallydiffused)电池、BP公司的刻槽埋栅(Buriedcontact)电池、三洋公司的HIT(Heterojunctionwithintrinsicthinlayer)电池、Sunpower公司的背电极接触电池(Rear-contactsolarcell)、德国ISFH研究所的OECO电池、COSIMA背接触电池、RISE-EWT(RrearInterdigitatedSingleEvaporation-EmitterWrapThrough)太阳电池等。德国Fraunhofer-ISE研究所的LFC(LaserFiredContact)电池、PESC(钝化发射极)电池1985年问世,可以做到20.8%(AM1.5)的效率。PERC(钝化发射极背场点接触)电池,正面采用倒金字塔结构增加光的吸收,选择发射极,前后表面都进行钝化处理减少表面复合,背电极通过分离很远的小孔穿过与衬底接触来代替传统电池的整个背面铝合金接触,这种电池达到了22.8%的效率。PERL(钝化发射极背面局域扩散)和PERT(钝化发射极背面全扩散)电池又在PERC的基础上进一步改进,分别达到25%和24.5%的高转换效率。各类高效电池结构示意图见图4,其中PERL衍生了南京中电的SE电池与尚德的冥王星(PLUTO)电池。P型晶体硅太阳电池一直是光伏市场的主力,目前主流的工业化生产的P型单晶硅太阳电池效率已经可以稳定在18%以上。要想在不增加工序的情况下进一步提高已比较困难,而且P型硅电池在长时间使用后电池效率有15%～25%的衰减。由于N型硅与P型硅电池相比有少数载流子寿命高和电池性能光照衰减小的优点,于是人们开始把目光投向少数载流子寿命比P型硅高得多的N型硅。近年来随着科技的发展,原来困扰N型硅太阳电池的技术难题逐渐被攻克,N型硅电池技术取得了很大的进展。目前市场上只有Sunpower和三洋(Sanyo)公司以N型晶体硅制作太阳电池,N型晶体硅太阳电池产量只占晶体硅太阳电池总产量的一小部分。尽管如此,Sunpower的IBC电池以及Sanyo的HIT电池却是目前效率最高的两款商品化太阳电池,转换效率都在20%以上,实验室效率更是高达24%,表明N型太阳电池在低成本高效太阳电池方面具有良好的发展潜力。已经商业化的常规硅太阳能电池,发射区和发射区电极均位于电池正面。由于太阳能级硅材料少子扩散长度较小,发射区位于电池正面有利于提高载流子的收集效率。但此种结构有其局限性,尽管栅线电极所占面积已经很小(约为8%),可依然阻挡了部分阳光,使电池有效受光面积降低。组件封装时,需要用涂锡带从一块电池的正面焊接到另一块电池的背面,这种连接方式使自动化生产的难度加大。为此,研究人员把正面电极转移到电池背面,开发出许多结构不同的背接触硅太阳电池,Sunpower公司的交叉背接触电池结构(Interdigitatedback-contacted简写为IBC)即是典型的代表,2012年3月Sunpower公司公布他们的24%全背电极高效电池已经开始量产,该电池使用N型硅片做衬底,载流子寿命在1ms以上。在少数载流子寿命大大提高和有发射区钝化的基础上,背面钝化、背电极点接触结构、背场及背场反射技术被不断开发和推广应用在高效电池结构中。总结以上几种高效电池技术,可以发现高效电池所需要的几种电池设计:①选择发射极,降低接触电阻、减小表面复合;②表面/背面钝化技术,降低表面/背面复合,点接触结构,减少金属和硅片的接触面积;③局部扩散的背场技术,提高载流子收集;④N型单晶硅电池,增加载流子的寿命,减小电池的光致衰减效应;⑤正面无电极遮挡的背接触电池设计,降低遮挡率增加受光面积;⑥新型的表面抗反射及陷光结构,降低反射率或增加光的传输路径,提高光吸收。一直以来,虽然在各国实验室,晶体硅太阳能电池最高转换效率超过了20%,但因为受到成本控制的困扰,在转化到大规模批量生产方面鲜有进展。高效率-低成本成为单晶硅太阳能电池生产中的关键问题。只有低成本、高效率的太阳能电池才会被市场接受,才能与常规能源竞争,尽快实现太阳能电力的平价上网。各大光伏企业都在实现高效率-低成本晶硅电池的方向上结合自己的产业和技术优势做不懈的努力。以下对国内外几个较有代表性的公司的高效晶硅电池结构做简要介绍。4.1无锡尚德冥王星(Pluto)电池无锡尚德的冥王星电池是由PERL电池发展而来,量产的Pluto电池采用了均匀制绒工艺,使用了和PERL电池一样的细金属栅线和很小的栅线间距,Al背面场、激光掺杂选择性发射极工艺结构见图5。相比传统电池17.8%的效率,量产Pluto电池具有18.8%效率,2009年尚德已经具有100MW的产能。尚德的选择性发射极利用激光掺杂工艺,成本相对昂贵。高效Pluto电池在量产电池工艺的基础上,进一步采用了PERL电池的背面钝化工艺,减小了金属和硅片的接触面积,并尽量减少高温的使用。在2012年3月尚德公布的新闻上,该高效电池的效率已经达到了20.3%的效率,并正在考虑电池的产业化。4.2英利新能源熊猫(Panda)电池英利新能源的PandaI电池采用的是N型硅片,具有较长的载流子寿命。双面电极的设计见图6,使得通过在背面使用反光材料电池的效率会有5%～20%的提升。电池采用的是P背场,避免了Al背场会使得电池弯曲的问题,可以使用更薄的硅片、更细的金属线使得效率得到提升,双面的高质量钝化减少了表面复合提高光谱响应。PandaI电池2010年量产达到18.71%的效率,具有300MW的产能。根据英利新能源的财报,2012年,PandaI电池的效率有望达到20.5%。PandaII电池在PandaI电池的基础上,采用新的电极工艺,在电池的正面无电极覆盖增加采光面积,实验室实现了19.7%的效率。根据英利新能源的财报,2012年,PandaII电池效率有望达到21%。4.3晶澳集团SECIUM、Maple电池晶澳集团的SECUIM电池利用喷墨打印的方式将高掺杂的硅墨水“印在”硅片上,再在上面制备金属栅线,以此形成选择性发射极,见图7。该工艺实现19.2%的效率,相比传统工艺提高效率1%。该工艺虽然简单,但由于硅墨水的价格比较高,该电池一直没有产业化。晶澳集团的Maple电池是一种基于准单晶硅片的电池,能够达到18.5%的效率,在2011年12月已经开始量产。4.4天合光能天合光能制定了一个18.8%、19.5%、21.5%的三年研究计划。在2010年2月公布的新闻中天合光能通过特殊的金属化技术和钝化技术已经能够实现18.8%的电池效率。目前实验室研究的SiO2和SiO2/SiNx前表面钝化技术能够达到19.3%的效率,而后表面Al2O3或Al2O3/SiNx钝化技术有望实现20%的目标,图8为电池结构图。天合光能还对N型电池的工艺进行研发,采用Al发射极的N型电池效率已经达到18.87%。而B扩散工艺电池目前只有17.8%的效率,该电池2012年度目标为19%。基于N型电池片的全背电极电池也在研发之中,该电池采用表面钝化、激光开孔、局部扩散工艺、全背电极丝网印刷工艺,目前实验室效率已经达到17%,并制定了19%的2012年度目标和21.5%的2013年度目标。4.5阿特斯太阳能阿特斯太阳能技术是基于MWT(MetalWrapThrough)电池发展的ELPS技术,采用N型硅片,将主栅线引到电池的背面,减少了正面的挡光,采用改