晶體硅電池優(yōu)勢地位將保持20年

太陽能發(fā)電時代正在到來

隨著石油可開采量逐漸見底和生態(tài)環(huán)境日益惡化，人們越來越企盼太陽能發(fā)電時代的到來。

太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的電子器件。所謂光伏效應(yīng)(photovoltaic effect)是指當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。1839年法國物理學(xué)家貝克勒爾 (Becquerel)首次在液體中發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，他觀察到浸入電解液中的兩電極間電壓隨光照強度發(fā)生變化的現(xiàn)象。1883年，科學(xué)家們又在半導(dǎo)體硒和金屬接觸界面發(fā)現(xiàn)了固體光伏效應(yīng)。在此后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，由于這些光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率太低，實際上不可能用來發(fā)電，因此對光伏效應(yīng)的研究僅僅停留在純科學(xué)研究的興趣上。

第一個實用的半導(dǎo)體單晶硅太陽能電池出現(xiàn)在1954年。美國貝爾實驗室的Chapin等人使用晶體硅P-N擴散結(jié)制成了世界上第一個光電轉(zhuǎn)換效率為 6%單晶硅太陽能電池。兩年后的1956年，單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到約10%。由于晶體硅太陽能電池具有效率高、壽命長、性能可靠的優(yōu)點，使利用太陽能電池發(fā)電有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)和可能性。1958年美國海軍發(fā)射了第一個以太陽能電池供電的人造地球衛(wèi)星，這標(biāo)志著太陽能電池應(yīng)用開始走向?qū)嵱没?。從那以后，太陽能電池成為外層空間產(chǎn)生電力的標(biāo)準(zhǔn)方法，被廣泛地應(yīng)用到人造衛(wèi)星、宇宙飛船和星際空間站上。

進入21世紀(jì)以來，在石油可開采量逐漸見底和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機的嚴(yán)重沖擊下，人們越來越企盼太陽能發(fā)電時代的到來。各國政府日益重視太陽能行業(yè)的發(fā)展，在新能源政策的大力扶持下，從2004年開始光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展期。目前全球光伏市場增長最快的分別為德國、中國和美國。中國太陽能電池產(chǎn)量均以100%以上的年增長率快速發(fā)展，2012年光伏組件的產(chǎn)能為37GW，產(chǎn)量為21.1GW，占全球的54%，其中99%都是晶體硅電池。中國從2007年連續(xù)7年成為全球最大的太陽能電池制造國。

晶體硅太陽能電池相對成熟

單晶硅電池具有轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好等特性，但是成本較高。

晶體硅太陽能電池通常是指利用200微米左右厚的硅片制成的太陽能電池。硅是地殼上最豐富的元素半導(dǎo)體，它的能隙寬度為1.12 eV。從能量轉(zhuǎn)換效率來看，能隙為1.1eV～2.0 eV的半導(dǎo)體材料較適于制作太陽能電池。因此硅是一種較理想的太陽能電池材料。晶體硅太陽能電池主要優(yōu)點是：一是高的電池轉(zhuǎn)換效率，二是優(yōu)秀的工作穩(wěn)定性，三是高于25年的工作壽命，四是來自微電子工業(yè)技術(shù)的支持，五是電池制備技術(shù)發(fā)展成熟。由于這些優(yōu)異特性，2012年晶體硅電池已占全球光伏市場約 90%的份額。

晶體硅又分為單晶硅和多晶硅。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高。目前單晶硅電池效率的實驗室世界記錄是25%，這是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)在1998年創(chuàng)造的。多晶硅電池成本低，轉(zhuǎn)換效率也略低于單晶硅太陽能電池，目前多晶硅電池實驗室效率世界記錄是20.4%。多晶硅中的各種結(jié)晶缺陷和金屬雜質(zhì)是造成電池光電轉(zhuǎn)換率降低的原因。目前，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約在18.5%～19.5%之間，而多晶體硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約在17%～18%之間。

提高光電轉(zhuǎn)換率是降本關(guān)鍵

目前研發(fā)的高效率晶體硅太陽能電池的種類較多，具有代表性的是IBC、HIT、PANDA。

降低光伏發(fā)電成本的核心技術(shù)是提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)測算，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率每提高一個百分點，將使太陽能電池組件的成本降低 7%左右。晶體硅太陽能電池效率與電池的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，同時太陽能電池的結(jié)構(gòu)也決定著電池的制造成本。目前研發(fā)的高效率晶體硅Si太陽能電池的種類較多，有代表性的三種高效率太陽能電池結(jié)構(gòu)是：交指式背接觸(IBC)太陽能電池，非晶Si/N-Si異質(zhì)結(jié)(HIT)太陽能電池，普通電池結(jié)構(gòu)“PANDA” 太陽能電池。

1.交指式背接觸的太陽能電池

美國Sunpower公司研發(fā)了交指式背接觸的太陽能電池的結(jié)構(gòu)(Interdigitated Back Contact，稱為IBC結(jié)構(gòu))。IBC太陽能電池顯著的特點是前表面沒有銀柵線電極，PN結(jié)及電極均位于電池背面，極大降低了柵線對太陽光遮擋損失。目前IBC電池的實驗室最高效率達到了24.2%，產(chǎn)業(yè)化電池效率在22%左右。由于電池發(fā)電的P-N結(jié)位于電池背面，IBC電池需要Si材料的少數(shù)載流子擴散長度遠大于Si片厚度。高質(zhì)量Si襯底要求及復(fù)雜制備工藝，使產(chǎn)業(yè)化的IBC電池的制備成本很高。

2.非晶硅Si/N-Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池

日本三洋公司研發(fā)了非晶Si/N-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池。由于在異質(zhì)結(jié)界面插入一層本征非晶Si薄層，所以這類太陽能電池的結(jié)構(gòu)也稱為“具有本征Si層的異質(zhì)結(jié)”電池，簡稱HIT電池。通過插入薄本征非晶硅層，降低了太陽能電池的界面態(tài)密度，從而減少了復(fù)合電流，提高電池轉(zhuǎn)換效率。HIT太陽能電池具有低的制備溫度，高的轉(zhuǎn)換效率以及前面和背面都可以吸收太陽光的雙面電池設(shè)計。2013年初HIT電池實驗室最高效率達到了24.7%，規(guī)?；a(chǎn)效率在 21%左右。由于HIT電池制備工藝及設(shè)備與普通的P-型Si太陽能電池的生產(chǎn)不相兼容，處理工藝過程復(fù)雜，與IBC電池一樣具有高的制備成本。

3.高效率PANDA(熊貓)電池

中國英利集團研發(fā)的高效率PANDA(熊貓)電池兼顧了低成本和高效率的優(yōu)點。與規(guī)?；a(chǎn)的IBC、HIT電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)相比，這種電池與普通的P 型硅電池結(jié)構(gòu)相同，具有結(jié)構(gòu)簡單、制備成本低、工藝流程短、與現(xiàn)有生產(chǎn)線相兼容和容易實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)點。PANDA電池主要技術(shù)特點包括：1.太陽能電池采用雙面發(fā)電設(shè)計，能夠接收從正面和背面進入電池的光線從而實現(xiàn)雙面發(fā)電，比同類電池能產(chǎn)生更多的電能;2.采用細密柵線設(shè)計，減小柵線的遮擋光面積，提高電池的短路電流;3.前表面和背面柵線的分別優(yōu)化燒結(jié)工藝，高的電池填充因子。目前在6英寸(156mm×156mm)的大面積Si片上，實驗室電池的效率已達到20.1%，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化平均電池效率達到了19.5%，是全球單片面積最大的高效晶體硅太陽能電池，使英利成為全球三個能夠大規(guī)模生產(chǎn)高效率N-Si太陽能電池的公司之一。

7大途徑提升光電轉(zhuǎn)換率

晶體硅電池占據(jù)了太陽能電池市場的主導(dǎo)地位，其制備技術(shù)代表著整個光伏電池工業(yè)的制備技術(shù)水平。

今后，晶體硅電池的研發(fā)重點是實現(xiàn)低成本下的高效率。提高硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑包括：1.減少電池表面柵線遮光率，以增加電池的有效受光面積;2.制備良好的絨面和減反射膜以降低電池表面光反射損失;3.在電池背面形成良好的背電場，以降低背表面的復(fù)合速率;4.采用高的發(fā)射極方塊電阻，以提高電池的短波長光譜響應(yīng);5.采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)(既在電極柵線下及其附近形成高摻雜深擴散區(qū)，而在其它區(qū)域形成低摻雜淺擴散區(qū))，降低內(nèi)部和表面復(fù)合損失和接觸電阻;6.采用背面金屬點接觸結(jié)構(gòu)，以進一步降低背表面的復(fù)合損失，提高電池的長波長光譜響應(yīng);7.使用N型硅襯底代替P型硅襯底，由于N型硅有高的少數(shù)載流子壽命和對某些金屬雜質(zhì)的不敏感性，使N型硅電池有高的穩(wěn)定性和效率。

總之，晶體硅電池已占據(jù)了太陽能電池發(fā)展和市場的主導(dǎo)地位，其制備技術(shù)代表著整個光伏電池工業(yè)的制備技術(shù)水平，至少在未來15～20年內(nèi)將持續(xù)這種優(yōu)勢地位。