太陽電池發展趨勢1第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日提綱引言：原理，簡史，分類晶硅電池的技術發展晶硅電池的各種新技術向高效化方向發展向薄片化方向發展薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池化合物半導體薄膜電池染料敏化TiO2太陽電池(光化學電池)有機電池太陽電池的未來發展趨勢2第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.引言：基本原理3第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日簡史(世界)1839年-法國Becquerel報道在光照電極插入電 解質的系統中產生光伏效應－光電化學系統；1876年英國W.G.Adams發現晶體硒在光照下能產生電流－固體光伏現象；1884年，美國人Charles

Fritts

制造成第一個

1％硒電池；1954年貝爾實驗室G.Pearson

和D.Charpin研制成功6％的第一個有實用價值的硅太陽電池；4第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日紐約時報把這一突破性的成果稱為“最終導致使無限陽光為人類文明服務的一個新時代

的開始。”－現代太陽電池的先驅；1958年硅太陽電池第一次在空間應用；20世紀60年代初，空間電池的設計趨于穩定，70年代在空間開始大量應用，地面應用開始，70年代末地面用太陽電池的生產量已經大大

超過空間電池。5第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（我國)1959年第一個有實用價值的太陽電池誕生1971年3月太陽電池首次應用于我國第二顆人造衛星—實踐1號上；1973年太陽電池首次應用于浮標燈上；1979年開始用半導體工業廢次單晶、半導體器件工藝生產單晶硅電池；80“年代中后期引進國外關鍵設備或成套生產線我國太陽電池制造產業初步形成。6第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日分類技術成熟程度：晶硅電池：單晶硅，多晶硅，薄膜電池：a-Si，CIGS，CdTe，球形電池，多晶硅薄膜，Grātzel，有機電池，。新型概念電池：量子點、量子阱電池，迭層(帶隙遞變)電池，中間帶電池，雜質帶電池，上、下轉換器電池，a-Si/C-Si異質結(增加紅外吸收)，偶極子天線電池，熱載流子電池，(也有人稱第三代電池)7第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.材料；硅基電池：單晶硅，多晶硅，微晶(納晶)，非晶硅，化合物半導體電池：CdTe,CIGS,,GaAs，InP.。。有機電池，Grātzel

電池(光化學電池)3.波段范圍：太陽光伏電池熱光伏電池8第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日4.光子吸收帶隙理論：單帶隙電池(常規電池)中間帶隙(或亞帶隙，或雜質帶)電池，帶隙遞變迭層電池，上、下轉換器電池偶極子天線電池，a-Si/C-Si異質結(增加紅外吸收)電池，量子點、量子阱電池，熱載流子電池，。。第三代電池9第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.晶硅電池的技術發展晶硅電池的各種技術發展向高效化方向發展向薄片化方向發展10第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.1晶硅電池的技術發展單晶硅電池在70年代初引入地面應用。在石油危機推動下，太陽電池開始了一個蓬勃發展時期，這個時期不但出現了許多新型電池，而且引入許多新技術－鈍化技術：熱氧化SiO2鈍化，氫鈍化，

PECVD－SiN工藝鈍化(多晶硅)，a-Si鈍化等陷光技術：表面織構化技術，減反射技術11第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日3)背表面場(BSF)技術4).表面織構化(絨面)技術,ITO/Si等異質結太陽電池技術:如SnO2/Si,

In203/Si,MIS電池－MINP電池－聚光電池－12第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.2向高效化方向發展單晶硅高效電池：斯坦福大學的背面點接觸電池：＝22％特點：正負電極在同一面，沒有柵線陰影損失13第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日新新南威爾士大學的PERL電池＝24.7%14第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日Fraunhofer研究所LBSC電池：＝23%15第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日北京太陽能研究所高效電池＝19.8%16第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日單晶硅電池的效率進展17第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日激光刻槽埋柵電池新新南威爾士大學北京太陽能研究所＝19.8%＝18.6%18第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業化單晶硅電池組件19第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業化單晶硅電池組件－Sanyo

aSi/c-Si電池（實驗室最好效率：＝20.7%，面積125×125）20第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日2).多晶硅高效電池多晶硅材料制造成本低于單晶硅CZ材料，能直接制備出適于規模化生產的大尺寸方 型硅錠，240kg,400kg,制造過程簡單、省電、節約硅材料，因此具有更大降低成本的潛力。21第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日但是多晶硅材料質量比單晶硅差，有許多晶界存在，電池效率比單晶硅低；晶向不一致，表面織構化困難。22第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日喬治亞(Geogia)工大－采用磷吸雜和雙層減反射膜技術，使電池的效率達到18.6％；新南威爾士大學－采用類似PERL電池技術，使電池的效率19.8％Fraunhofer研究所20.3%－世界記錄Kysera公司采用了PECVD/SiN+表面織構化使15

15cm2大面積多晶硅電池效率達17.7％.23第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日商業化多晶硅電池組件－Kyocera電池24第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日其中PECVD－SiN鈍化技術對商業化多晶硅電池的效率提高起到了關鍵性的作用。目前商業化多晶硅電池的效率13％－16％25第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日2.3晶硅太陽電池向薄片化方向發展1)硅片減薄硅片是晶硅電池成本構成中的主要部分。硅－間接半導體，理論上100m可以吸收全部太陽光。電池制造工藝－硅片厚度下限150

m。降低硅片厚度是結構電池降低成本的重要技術方向之一。26第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日太陽電池向薄片化方向發展27第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日Sharp單晶硅組件28第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日Ultrathin

Multicrystalline

Si

High

EfficiencySolar

Cells

–Fraunhofer-20.3%－世界記錄29第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日硅片厚度的發展：70年代－450～500

m，目前 －

260～300～2010年～2020年200～260100～20080年代－400～450

m。90年代－350～400m。m。m。m。30第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日2)帶硅技術直接拉制硅片－免去切片損失(內園切割，刀鋒損失300～400

m。線鋸切割，刀鋒損失～200

m)。過去幾十年里開發過多種生長帶硅或片狀硅技術31第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日①EFG帶硅技術采用石墨模具－電池效率13％－15％。該技術于90年代初實現了商業化生產，目前屬于RWE

(ASE)公司所有。32第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日33第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日②蹼狀帶硅技術。在表面張力的作用下,插在熔硅中的兩條枝蔓晶的中間會同時長出一層如蹼狀的薄片,所以稱為蹼狀晶。切去兩邊的枝晶，用中間的片狀晶制作太陽電池。蹼狀晶為各種硅帶中質量最好,但其生長速度相對較慢。34第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日③Astropower的多晶帶硅制造技術。該技術基于液相外延工藝，襯底為可以重復使用的廉價陶瓷。實驗室太陽電池效率達到

15.6％，該技術實現了小規模的商業化生產。35第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.薄膜太陽電池硅基薄膜太陽電池化合物半導體薄膜電池染料敏化TiO2太陽電池(光化學電池)有機電池36第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.1硅基薄膜太陽電池1)非晶硅(a-Si)太陽電池a-Si

是Si-H(約10％)的一種合金。1976年－RCA實驗室－D.Carlson和C.Wronski37第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日優點：①資源豐富，環境安全；②

光的吸收系數高，活性層只需要1

m厚，省材料；③沉積溫度低，成本襯底上，如玻璃、不銹鋼和塑料膜上等。④電池/組件一次完成，生產程序簡單。缺點：①效率低②不穩定－光衰減(S-W效應)。38第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日39第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日40第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日實驗室效率：初始單結：12％雙結：13％三結：15.2%穩定6－8％～10％～13％商業化電池效率：單結：雙結：三結：3％～4％～6％7％

～8％42第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國非晶硅電池研究在上世紀80年代中期形成了高潮，30多個研究組從事研究。實驗室初始效率8％～10％；80年代后期哈爾濱和深圳分別從美國Chrona公司引進了1MW生產能力的單結非晶硅生產線，穩定效率3％－4％之間。自90年代后有較大收縮。2000年，以雙結非晶硅電池為重點的硅基薄膜太陽電池研究被列入國家“973”項目，我國非晶硅電池的又進入一個新的研究階段。目前雙結初始實驗室效率8％～10％，穩定效率～8％?43第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日2)多晶硅薄膜電池①高溫技術路線－以RTCVD為代表－優點；薄膜結晶質量好，晶粒尺寸大，容易作出高效率電池，缺點：工藝溫度高～1000℃，襯底難解決。襯底材料：陶瓷，石墨，硅片。。。第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日Fraunhofer研究所－SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底，RTCVD－ZMR，效率分別達到9.3％和11％。RTCVD－ZMRnon-active

Si

substratemodelling

ceramic

substrate=15.12%(北太所)=10.21%(北太所)Particle

ribbonSi

=8.25%(廣州能源所＋北太所)45第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日②低溫技術路線－以PECVD為代表優點：工藝溫度低，200～300℃，襯底容易獲得：玻璃，不銹鋼等；缺點：薄膜質量低，晶粒小，納米極。日本Kaneka公司－PECVD－玻璃襯底pin結構的多晶硅薄膜電池，效率10％；南開大學結合“

973”

項目－PECVD－實驗室小面積電池正在研制(~6%)。46第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日澳大利亞Pacific

Solar公司PECVD－玻璃襯底－迭層多晶硅薄膜電池，效率6％。(1)玻璃襯底，(2)多層薄膜，(3)第一次電極刻槽(4)第二次電極刻槽，(5)金屬化47第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日③硅球太陽電池。這種電池是由在鋁箔上形成連續排列的硅球所組成的，硅球的平均直徑為1.2mm，每個小球均有p-n結，小球在鋁箔上形成并聯結構。實驗室效率達到10%。硅球電池在技術上有一定的特色，但規模化生產仍存在許多技術障礙。48第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.2化合物半導體薄膜電池GaAs,CdTe,CuInGaSe等的禁帶寬度在1～1.5eV,與太陽光譜匹配較好。同時這些半導體是直接帶隙材料，對陽光的吸收系數大，只要幾個微米厚就能吸收陽光的絕大部分，因此是制作薄膜太陽電池的優選活性材料。GaAs電池主要用于空間，CdTe

和CIS電池被認為是未來實現低于1美元/峰瓦成本目標的典型薄膜電池，因此成為最熱的兩個研究課題。49第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日1)CdTe電池CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV,理論效率28%，性能穩定，一直被光伏界看重。工藝和技術－近空間升華(CSS),電沉積，濺射、真空蒸發，絲網印刷等；實驗室電池效率16.4%；商業化電池效率平均8～10％；CdTe電池90年代初實現了規模化化生產，2002年市場份額為0.3％。50第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國CdTe電池的研究工作開始于80年代初。內蒙古大學－蒸發技術北太所－電沉積技術，1983年效率5.8%。90年代后期四川大學－近空間升華，“

十五”期間，列入國家“863”重點項目，并要求建立0.5兆瓦/年的中試生產線。電池效率達到13.38％。51第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日2)CIGS電池CIGS是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半導體，帶隙1.04eV。70年代中后期波音公司－真空蒸發，電池效率達到9％；80年代開始，ARCO

Solar

公司處領先地位；90年代后期，NREL保持世界記錄，19.5%；90年代初起，許多公司致力實現商業化生產該電池目前處在兆瓦級中試生產階段，ARCO

Solar

－Simens

－Shell公司。52第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國南開大學、內蒙古大學和云南師大等單位于80年代中期先后開展了CIS薄膜電池研究,南開大學－蒸發硒化法－電池效率9.13%。“

十五”列入“

863”重點項目，并要求建立0.3兆瓦/

年的中試生產線。目前效率12.1%53第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日幾種薄膜電池的效率進展54第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.3染料敏化TiO太陽電池2染料敏化TiO2電池實際是一種光電化學電池。早期的TiO2光電化學電池穩定性差、效率低。

1991年瑞士Gr?tzel將染料敏化引入該種電池，效率達到7.1%，成為太陽電池前沿熱點之一。目前這種電池的實驗室效率達到11％.55第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日我國“

十五”

列入“

973

”重大課題－中科院等離子物理所、化學所、物化所，實驗室小面積電池效率10％。中科院物理所、化學所的固態電解質電池列入“

863”，效率5％。56第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日3.4

有機電池比利時IMEC公司開發一種塑料太陽電池使用具有施主和受主性能的有機材料，電池效率5％57第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日4.熱光伏(TPV)電池紅外輻射

TPV

電能應用：工業廢熱回收等。典型器件：GaSb

(Eg

～0.6~7eV),InP,Si,系統：熱源－輻射器－電池效率：～1000K

2～3％，目前。1200－1700K，～10％，

未來58第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日5.太陽電池的未來發展趨勢5.1商業化趨勢1998年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶 硅電池。從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。非晶硅從80年代初開始商業化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。CdTe電池從80年代中期開始商業化生產，市場份額增加 緩慢，Cd的毒性是原因之一；CIS電池的產業化進程比較緩慢，生產工藝難于控制，In是 稀有元素；Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業化僅兩三年，發展迅速。59第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日2001、2002年各種電池的市場份額和開始商業化時間.電池技術市場份額%商業化時間單晶硅35.13－29.4670‘初(地面應用)多晶硅47.33－54.4470年代末非晶硅8.62－5.580年代初A-Si/c-Si(n)4.61－5.990年代末帶硅3.48－3.380年代中薄硅/陶瓷0.26－0.390年代中CdTe0.39－0.380年代中CIS0.18－/00年代初60第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日61第六十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日20012002mc-Si184.8547.33%278.954.44%Sc-Si137.1835.13%150.9129.46%a-Si33.688.62%28.015.5%a-Si/Cz18.04.61%30.05.9%RibbonSi13.63.48

%16.93.3%CdTe1.530.39%1.60.3%CIS0.70.18%-Si/LCS1.00.26%1.70.3%C-Si/Sc-Si3.7

0.7%2001、2002年太陽電池的產量及份額62第六十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日5.2技術發展趨勢思考1.硅基電池:硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富(以石英砂形式存在)；◆環境友好；電池效率高，性能穩定；◆工藝基礎成熟。硅基電池是目前光伏界研究開發的重點、熱點 晶硅電池的產業化技術硅基薄膜電池63第六十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日電結

池晶

效完

率美

增化

加程

趨度

勢電池狀況/技術實驗室％商業化％單晶硅(體)24.715~17商業化生產,280-350

m商業化,280-350

m多晶硅(體)帶硅,AES

帶硅Evergrn商業化,八面體,300,400

m中試,單面,300-400

m19.8~1616.213~1512~1412~14帶硅薄層硅/襯底中試,EBARA,單面,300-400

m中試,Austropower,300-600

m17.3~1510(高溫過程900～1200℃),RTCVD多晶硅薄膜多晶硅薄膜(中溫過程500～900℃),CVD多晶

多晶

(低溫過程<500℃),PECVD硅薄膜

微晶

(低溫過程<300℃),PECVD~15?~