鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1849次 | 2019年08月18日
太陽能電池的發(fā)展新趨勢
太陽能電池的發(fā)展新趨勢
緊緊圍繞提高光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標(biāo)的各種新型太陽能電池的研究工作，一直在各發(fā)達(dá)國家及一些發(fā)展中國家積極進(jìn)行。所謂新型太陽能電池，是指用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝制造的太陽能電池。目前晶體硅高效太陽能電池和各類薄膜太陽能電池是全球新型太陽能電池研究開發(fā)的兩大熱點(diǎn)和重點(diǎn)。高效單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近２５％，高效多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已超過２０％。薄膜太陽能電池的研究工作主要集中在非晶硅薄膜電池、ＣｄＴｅ系薄膜電池、ＣＩＳ系薄膜電池和多晶硅薄膜電池上。非晶硅薄膜電池的研發(fā)，重點(diǎn)是研究解決電池的光致衰降和提高效率問題。經(jīng)過努力，已有許多新的突破，實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)定效率已達(dá)１５％。ＣｄＴｅ系薄膜電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到１６．４％，ＣＩＳ系薄膜電池實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到１９．２％，并且都已建立了效率超過１０％的中試規(guī)模的生產(chǎn)線。多晶硅薄膜電池的研究工作，自１９８７年以來發(fā)展迅速，目前實(shí)驗(yàn)室效率已超過１７％，成為引起世界光伏界矚目的新熱點(diǎn)，前景看好。
下面對２１世紀(jì)前２０年期間世界太陽能電池的發(fā)展趨勢作一簡要預(yù)測。
高效率低成本晶體硅太陽能電池的研究開發(fā)
晶體硅太陽能電池在２１世紀(jì)的前２０年內(nèi)仍將是居主導(dǎo)地位的光伏器件，在生產(chǎn)和應(yīng)用總量中占首位，并將向效率更高、成本更低的方向發(fā)展。
自１９５４年實(shí)用的太陽能電池問世以來，晶體硅太陽能電池一直在世界光伏市場居統(tǒng)治地位，占太陽能電池總產(chǎn)量的８０％～９０％。預(yù)計(jì)這種地位在相當(dāng)一個時(shí)期之內(nèi)，還將會繼續(xù)保持。但將硅材料變成適合于制造電池的硅片，要采用大容量的晶體生長裝置和價(jià)格昂貴的切割設(shè)備，并且制造溫度高，要消耗相當(dāng)多的電能，因而目前硅片的生產(chǎn)成本高達(dá)１．５美元/Ｗ左右。正在研究試驗(yàn)用切薄硅片、擴(kuò)大平面晶體或采用聚光等方法，力爭把硅片的生產(chǎn)成本降低一半左右。預(yù)測采用各種新方法和新工藝，在今后５～１０ａ間有望把硅片的生產(chǎn)成本降低到１美元/Ｗ左右，并將在１５ａ間進(jìn)一步降低到接近０．５美元/Ｗ。這樣，太陽能電池組件的生產(chǎn)成本，就會從目前的約２～２．５美元/Ｗ，降低到１０～１５ａ后的１美元/Ｗ左右。隨著光伏市場的不斷發(fā)展擴(kuò)大，１０ａ后光伏系統(tǒng)的價(jià)格將會降到６美元/Ｗ，２０ａ左右可以進(jìn)一步降低到接近３美元/Ｗ，發(fā)電成本約為０．１美元/ｋＷ．ｈ。如果民生電價(jià)在今后２０ａ間翻一番的話，那么民用光伏系統(tǒng)的電價(jià)到２０２０年前后就可達(dá)到與常規(guī)能源的電價(jià)相持平，而進(jìn)入公共電網(wǎng)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)想，必須立項(xiàng)目、投資金，積極開展高效率、低成本晶體硅太陽能電池的研究開發(fā)工作。
制約晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高的主要技術(shù)障礙有：①電池表面柵線遮光影響；②電池表面光反射損失；③光傳導(dǎo)損失；④內(nèi)部復(fù)合損失；⑤表面復(fù)合損失等。針對這些障礙，近些年來研究開發(fā)了許多新技術(shù)、新工藝，主要有：①雙層減反射膜，②激光或機(jī)械刻槽埋藏柵線技術(shù)；③絨面技術(shù)；④背點(diǎn)接觸電極克服技術(shù)；⑤高效反射器技術(shù)；⑥光吸收技術(shù)等。
降低硅材料的生產(chǎn)費(fèi)用，是降低太陽能電池成本的關(guān)鍵。多晶硅電池的材料成本比單晶硅電池的材料成本低，應(yīng)作為研究開發(fā)的重點(diǎn)。主要研發(fā)的問題有：①多晶硅材料制備的新技術(shù)；②快速摻雜表面處理技術(shù)；③提高硅片質(zhì)量的新技術(shù)、新工藝等。
太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因子都達(dá)到最大值時(shí)，可以得到最高的轉(zhuǎn)換效率。但由于它們相互影響和制約，并受到材料內(nèi)在質(zhì)量的影響，同時(shí)提高三者是很困難的，一般情況下只能單獨(dú)改善其中的某一項(xiàng)。提高短路電流可從光吸收和光譜響應(yīng)兩方面努力。在太陽光譜中短波光的能量很大，而常規(guī)硅電池的短波響應(yīng)卻很差。為展寬電池光譜響應(yīng)的峰區(qū)，研制了具有淺結(jié)、密柵及“死層”薄特征的紫光電池。常規(guī)硅電池表面雖有減反射膜，但單層的減反射膜仍對波長有選擇性。無反射電池即絨面電池，則由于表面不平整，可多次吸收入射光，并且沒有對波長的選擇性，因而在較寬波長范圍內(nèi)光能的吸收量增大，進(jìn)一步提高了短路電流。提高電池的開路電壓能提高電池的轉(zhuǎn)換效率，而具有背面場的電池，開路電壓、短路電流和填充因子都可得到提高。這些新工藝、新技術(shù)已在高效電池中得到應(yīng)用，并取得了好的效果。當(dāng)前的目標(biāo)，是不但要研發(fā)新的工藝、新的技術(shù)和新的器件結(jié)構(gòu)，而且也要研發(fā)向工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)移問題、降低電池和組件的成本問題。
下面對幾種高效率，低成本硅太陽能電池的研發(fā)情況作一簡介。
１．發(fā)射極鈍化及背面局部擴(kuò)散太陽能電池?ＰＥＲＬ
電池正反兩面部進(jìn)行氧鈍化，并采用光刻技術(shù)將電池表面的氧化硅層制作成倒金宇塔，如圖１所示。兩面的金屬接觸面都進(jìn)行縮小，其接觸點(diǎn)進(jìn)行了硼與磷的重?fù)诫s。用此法制備的單晶硅電池效率已達(dá)２４．７％，多晶硅電池效率已達(dá)１９．８％。
圖１ＰＥＲＬ太陽能電池
２．埋柵太陽能電池?ＢＣＳＣ
采用激光刻槽或機(jī)械刻槽。激光在硅片表面刻出寬度為２０μｍ左右的槽，然后化學(xué)鍍銅，以形成電電極，如圖２所示。它的主要特征是：①隨機(jī)絨面，降低了表面反射率；②選擇性發(fā)射極，獲得了最佳的光譜響應(yīng)及最小的接觸電阻。③激光刻槽埋柵電極（ＬＧＢＧ），達(dá)到了最小的遮光率，高電導(dǎo)率的銅電極。這種電池的批量生產(chǎn)效率已達(dá)１７％，因此已具有工業(yè)化生產(chǎn)的意義。目前我國這種電池的實(shí)驗(yàn)室效率為１９．５５％。
圖２ＢＣＳＣ太陽能電池
３．高效背表面反射器太陽能電池?ＢＳＲ
在這類電池中，太陽能電池的背面和背面接觸之間用真空蒸鍍的方法沉積一層高反射率的金屬表面?一般為鋁，能被電池吸收并轉(zhuǎn)換為電能光的波長。對硅電池來說，約為１１５０ｎｍ，比它更長的任何輻射波都容易透過半導(dǎo)體材料進(jìn)入背表面反射器。電池的厚度越薄，背反射器的作用越明顯。所謂背反射器，就是將電池背面做成反射面，它能反射透過電池基體到達(dá)背表面的光，從而增加光的利用率?見圖３。這樣，可增加電池對長波光的吸收，使短路電流增加。并且它還能把到達(dá)背面的波長大于電池光譜響應(yīng)截止波長的紅光反射出去，從而降低電池的吸收系數(shù)。測試表明，普通硅電池太陽吸收系數(shù)αｓ。為０．７８１±０．０２０，而此電池為０．７４０±０．０２０。這就減輕了其有害影響，因?yàn)檫@部分光不僅不能產(chǎn)生光生載流子，而且產(chǎn)生熱效應(yīng)，使電池溫度升高，導(dǎo)致效率下降。
圖３背面反射器太陽能電池和普通硅太陽能電池的
反射率與光波波長的關(guān)系
４．高效背表面場和背表面反射器大陽能電池（ＢＳＦＲ）。
它也稱為漂移場太陽能電池。此電池是在ＢＳＲ電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再做一層ｐ＋層。這種場有助于光生電子－空穴對的分離和少數(shù)載流子的收集。但這種ｐ＋場容易受空間高能粒子輻射的影響而發(fā)生衰減，比ＢＳＲ電池抗高能粒子損傷的能力差。其目前的最高效率為１４．８％。
５．高效低阻硅太陽能電池?ＲＥＳＣ
它是一種用電阻率為０．２Ω·ｃｍ和０．３Ω·ｃｍ的ｐ型區(qū)熔硅制成的電池。其特點(diǎn)是在電池的發(fā)射區(qū)制備一層鈍化層。這種結(jié)構(gòu)的電池，減少了表面密度，抑制了表面復(fù)合速度。其擴(kuò)散結(jié)較深，約為０．７μｍ，在保持較高短路電流密度?３９．２ｍＡ/ｃｍ２的同時(shí)，具有相當(dāng)高的開路電壓?６７０ｍＶ和較高的填充因子（８２．１％）。該電池在ＡＭ１．５、１００ｍＷ/ｃｍ２、２５℃±２℃的條件下測試，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)２１．６％。
各類新型薄膜太陽能電池的研究開發(fā)
薄膜太陽能電池由沉積在玻璃、不銹鋼、塑料、掏瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成。由于其半導(dǎo)體層很薄，可大為節(jié)省電池材料，降低生產(chǎn)成本，因而是最有前景的新型太陽能電池，已成為當(dāng)今世界光伏技術(shù)研究開發(fā)工作的重點(diǎn)項(xiàng)目、熱點(diǎn)課題。下面對幾種主要薄膜太陽能電池的研發(fā)情況作一簡介。
１．非晶硅薄膜太陽能電池
非晶硅薄膜電池誕生于１９７６年，是用非晶硅半導(dǎo)體林料制備的一種薄膜電池。非晶硅半導(dǎo)體材料的最基本特征是組成原子的排列為長程無序、短程有序，原子間的鍵合類似晶體硅，形成一種共價(jià)無規(guī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，不是無規(guī)理想的網(wǎng)絡(luò)模型，其中含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵和空洞等。非晶硅電池的工作原理與單晶硅電池類似，都是利用半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。與單晶硅電池不同的是，非晶硅電池光生載流子只有漂移運(yùn)動而無擴(kuò)散運(yùn)動，原因是由于非晶硅結(jié)構(gòu)中的長程無序和無規(guī)網(wǎng)絡(luò)引起的極強(qiáng)散射作用，使載流子的擴(kuò)散長度很短。如果在光生載流子的產(chǎn)生處或附近沒有電場存在，則光生載流子受擴(kuò)散長度的限制，將會很快復(fù)合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電池設(shè)計(jì)成為ｐｉｎ型，其中ｐ層是入射光層，ｉ層是本征吸收層，處在ｐ和ｎ產(chǎn)生的內(nèi)建電場中。當(dāng)入射光通過ｐ＋層進(jìn)入ｉ層后，產(chǎn)生電子－空穴對，光生載流子一旦產(chǎn)生后就由內(nèi)建電場分開，空穴漂移到ｐ＋邊，電子漂移到ｎ邊，形成光生電流和光生電壓。
非晶硅薄膜電池可以用玻璃、不銹鋼、特種塑料、陶瓷等為襯底（圖4為非晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)的示意圖）。玻璃襯底的非晶硅電池，光從玻璃面入射，電池的電流從透明導(dǎo)電膜(TCO)和鋁電極引出。不銹鋼襯底的非晶硅電池與單晶硅電池類似，在透明導(dǎo)電膜上制備梳狀銀電極，電池的電流從銀電極和不銹鋼引出。雙疊層的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是兩層結(jié)構(gòu)使用相同的非晶硅材料；一種是上層使用非晶硅合金，下層使用非晶硅鍺合金，以增加對長波光的吸收；上層使用寬能隙的非晶硅合金做本征層，以吸收藍(lán)光光子；中間層用含鍺約15%的中等帶隙的非晶硅鍺合金，以吸收紅光。三疊層的結(jié)構(gòu)與雙疊層的結(jié)構(gòu)類似。
非晶硅材料是由氣相沉積法形成的。根據(jù)離解和沉積方法的不同，可分為輝光放電分解法(GD)、濺射法(Sp)、真空蒸發(fā)法、光化學(xué)氣相沉積法(CVD)和熱絲法（HW）等多種。其中等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（pECVD）是已被普遍采用的方法，其裝置的示意圖如圖5所示。在pECVD沉積非晶硅的方法中，pECVD的原料氣一般采用SiH4和H2，制備疊層電池時(shí)用SiH4和GeH4，加入B2H6和pH5可同時(shí)實(shí)現(xiàn)摻雜。SiH4和GeH4在低溫等離子體的作用下分解產(chǎn)生a-Si或a-SiGe薄膜。此法具有低溫工藝和大面積薄膜的生產(chǎn)等特點(diǎn)，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
一般來說，pin集成型以玻璃為襯底的非晶硅電池的制造工序?yàn)椋呵逑床⒑娓刹Ａбr底——生長TCO膜——激光切割TCO膜——依次生長pin非晶硅膜——激光切割a-Si膜——蒸發(fā)濺射AI電極——激光切割A(yù)I電極(或掩膜蒸發(fā)AI電極)。
