晶体硅太阳能电池技术发展方向V

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1、晶 体 硅 太 阳 能 电 池 技 术 发 展 方 向李 红 波 上海太阳能工程技术研究中心 太 阳 能 电 池 的 分 类 Page 2 硅 成 为 太 阳 电 池 的 主 体 材 料地 球 上 储 量 第 二 大 元 素性 能 稳 定 无 毒研 究 得 最 多 ， 技 术 最 成 熟 上海太阳能工程技术研究中心Page 3 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 发 展 简 史1839年 法 国 科 学 家 贝 克 雷 尔 ， 光 照 能 使 半 导 体 材 料 的 不 同 部 位 之 间 产 生 电 位 差 ，光 伏 效 应1954年 美 国 科 学 家 恰 宾 和 皮 尔 松 ， 美 国 贝

2、尔 实 验 室 ， 首 次 制 成 实 用 单 晶 硅 太 阳 能电 池 （ 效 率 为 6 ） 。1958年 硅 太 阳 能 电 池 首 先 在 航 天 器 上 得 到 应 用 。 20世 纪 70年 代 硅 太 阳 电 池 开 始 在 地 面 应 用 。 到 70年 代 末 地 面 用 太 阳 能 电 池 产 量 己 经 超 过空 间 电 池 产 量 ， 并 促 使 成 本 不 断 降 低 。80年 代 初至 今 硅 太 阳 能 电 池 进 入 快 速 发 展 ， 开 发 的 电 池 效 率 大 幅 度 提 高 ， 商 业 化 生 产 成本 进 一 步 降 低 ， 应 用 不 断 扩 大

3、。 上海太阳能工程技术研究中心 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 新 技 术 热 氧 化 SiO2钝 化 ， 氢 钝 化 ， a-Si钝 化 等钝 化 技 术 表 面 织 构 化 技 术 ， 减 反 射 技 术陷 光 技 术 背 场 可 以 降 低 饱 和 电 流 ， 改 善 开 路 电 压 ， 提 高 电 池效 率 。 背 表 面 场 技 术 MIS电 池 和 p n结 的 结 合 ， 对 后 来 的 高 效 电 池 起 到过 渡 作 用MINP电 池 电 池 面 积 小 ， 从 而 可 以 降 低 成 本 ， 一 直 受 到 重 视 聚 光 电 池 被 高 效 电 池 和 工 业 化 电

4、 池 普 遍 采 用 绒 面 技 术 如 SnO2/Si、 In203/Si、 ITO/Si等 异 质 结 技 术 肖 特 基 （ MS） 电 池 的 改 型MIS电 池 上海太阳能工程技术研究中心 分 析 下 表 的 内 容 得 出 以 下 结 论 ： 要 将 电 池 的 生 产 成 本 降 低 到 1美 元 /WP以 下， 电 池 的 转 换 效 率 必 须 要 高 于 18%， 并 要 求 生 产 成 本 低 、 生 产 能 力 高 。 350（ $/m2） 300（ $/m2） 250（ $/m2） 200（ $/m2） 150（ $/m2）10% $3.5 $3.0 $2.5 $2.

5、0 $1.512% $3.0 $2.5 $2.08 $1.67 $1.2515% $2.33 $2.0 $2.0 $1.33 $1.0 18% $2.05 $1.67 $1.67 $1.11 $0.83成 本效 率 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 发 展 趋 势 上海太阳能工程技术研究中心Page 6 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 发 展 趋 势两 个 主 要 因 素1、 提 高 转 换 效 率2、 降 低 成 本 发 展 趋 势 ：1、 高 效 化2、 薄 片 化 日 本 NEDO晶 体 硅 太 阳 能 电 池 至 2010年 的 技 术 开 发 目 标 :超 薄 型 超 高 效

6、率 电 池 的 开 发寿 命 30年 的 实 现 原 料 问 题 的 解 决低 成 本 化 的 实 现 上海太阳能工程技术研究中心n 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大 学 研 发n 钝 化 发 射 区 和 背 面 局 部 扩 散 （ PERL） 单 晶 硅 电 池n 24.7% 单 晶 硅 高 效 化 ： PERL电 池 上海太阳能工程技术研究中心 PERL电 池 有 七 个 工 艺 特 点 （ 目 前 制 造 实 验 室 高 效 电 池 的 主 要 技 术 之 一 ） 1、 表 面 采 用 倒 金 字 塔 结 构 ， 减 小 光 在 前 表 面 反 射2、 硅 表 面 磷 掺 杂 的

7、浓 度 较 低 ， 减 少 表 面 的 复 合 ， 避 免 表 面 “ 死 层 ”3、 电 极 下 面 局 部 采 用 高 浓 度 扩 散 ， 减 小 电 极 区 复 合 ， 形 成 好 的 欧 姆 接 触4、 表 面 电 极 很 窄 ， 电 极 间 距 变 窄 ， 遮 光 面 积 降 低 ， 减 少 横 向 导 电 电 阻 的 损 失 ；5、 电 极 采 用 更 匹 配 的 金 属 如 钛 、 钯 、 银 金 属 组 合 以 进 一 步 减 小 电 极 与 硅 的 接 触 电 阻 ； 6、 电 池 的 前 后 表 面 采 用 SiO2和 点 接 触 的 方 法 以 减 少 电 池 的 表 面

8、 复 合 ； 7、 利 用 两 层 减 反 射 膜 将 前 表 面 反 射 降 到 最 低 。 制 造 过 程 相 当 烦 琐 ， 涉 及 到 多 道 光 刻 工 艺 ， 工 艺 高 ， 很 难 应 用 于 大 规 模 工 业 生 产 。 单 晶 硅 高 效 化 ： PERL电 池 上海太阳能工程技术研究中心 单 晶 硅 高 效 化 ： PPC电 池 n 斯 坦 福 大 学 研 发n 背 面 点 接 触 （ PCC） 电 池n 22.3 PPC电 池 特 点 1、 正 负 电 极 在 同 一 面 ， 没 有 栅 线 阴 影 损 失2、 TCA生 长 氧 化 层 钝 化 电 池 正 反 面3、

9、正 面 光 刻 制 成 的 金 字 塔 （ 绒 面 ） 结 构4、 背 面 的 发 射 区 被 设 计 成 点 状 ， 50 m间距 ， 10 m扩 散 区 ， 5m接 触 孔 径5、 基 区 也 设 计 成 点 状 ， 减 小 背 面 复 合6、 衬 底 n型 低 阻 材 料 ， 表 面 及 体 内 复 合 低7、 衬 底 减 薄 到 约 100 m ， 减 小 体 内 复 合 。 上海太阳能工程技术研究中心 单 晶 硅 高 效 化 ： LBSF电 池 n 德 国 Fraunhofer研 究 所 研 发n 深 结 局 部 背 场 （ LBSF） 电 池n 2cm 2cm电 池 效 率 达 到

10、 23.3%LBSF电 池 特 点 （ 与 PERL类 似 ） 1、 TCA生 长 氧 化 层 钝 化 电 池 正 反 面2、 正 面 光 刻 制 成 的 金 字 塔 （ 绒 面 ） 结 构3、 背 面 硼 扩 散 一 般 造 成 高 表 面 复 合4、 局 部 铝 扩 散 制 作 电 池 的 表 面 接 触 上海太阳能工程技术研究中心 该 电 池 完 全 采 用 背 电 极 接 触 方 式 ， 正 负极 交 叉 排 列 在 背 面 ， 前 表 面 没 有 任 何 遮 挡 ，p-n结 位 于 背 面 。 最 初 最 高 效 率 可 以 达 到 23 ， 但 是 成 本 很 高 ， 只 是 满

11、足 一 些 特 殊 需 要， 如 太 阳 能 飞 机 和 太 阳 能 汽 车 等 。 为 了 降 低 成 本 、 扩 大 市 场 ， 在 美 国 塞 浦路 斯 半 导 体 公 司 帮 助 下 ， Sunpower公 司 做 了 大 量 的 研 究 ， 终 于 推 出 了 低 成 本 高 效 太 阳电 池 A-300， 效 率 为 20.0 以 上 。 单 晶 硅 高 效 化 ： BIB电 池n 美 国 Sunpower公 司 研 发n 双 面 指 叉 背 接 触 （ Bifacial Interdigitated Back-contact） 太 阳 电 池n效 率 达 到 20%以 上 上海太

12、阳能工程技术研究中心 激 光 刻 槽 埋 栅 电 池 新 南 威 尔 士 大 学 北 京 太 阳 能 研 究 所 19.6% 18.6%晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 这 个 电 池 结 构 的 特点 是 表 面 电 极 通 过 化 学镀 埋 在 硅 衬 底 的 沟 槽 里， 电 极 与 沟 槽 接 触 部 位采 用 重 掺 杂 ， 表 面 的 其它 地 方 进 行 淡 磷 扩 散 。 上海太阳能工程技术研究中心 埋 栅 电 池 具 有 高 效 的 原 因 是 ：（ 1） 绒 面 、 减 反 射 膜 和 背 面 反 射 器 的 结 合 使 太 阳 光 充

13、 分 被 利 用 ；（ 2） 栅 指 电 极 只 占 电 池 表 面 积 2 4 ， 遮 光 率 很 小 ， 提 高 短 路 电 流 密 度 ；（ 3） 栅 指 电 极 排 列 紧 密 减 小 发 射 极 电 阻 ；（ 4） 淡 磷 扩 散 避 免 形 成 “ 死 层 ” ， 增 加 对 短 波 的 吸 收 ；（ 5） 埋 栅 电 极 处 实 行 重 掺 杂 使 接 触 电 阻 降 低 ， 有 利 于 欧 姆 接 触 ；（ 6） 埋 栅 电 极 深 入 到 硅 衬 底 内 部 增 加 对 基 区 光 生 电 子 的 收 集 ；（ 7） 浓 磷 扩 散 降 低 浓 磷 区 电 阻 功 耗 和 栅

14、 指 电 极 与 衬 底 的 接 触 电 阻 功 耗 ， 提 高电 池 的 开 路 电 压 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 此 电 池 由 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大 学 光 伏 器 件 实 验 室 最 先 研 制 成 功 的， 由 于 具 有 高 效 、 低 成 本 和 适 合 大 批 量 生 产 的 特 点 ， 很 快 引 起 注 意 。 西班 牙 BP Solar公 司 购 买 了 其 专 利 ， 成 功 地 进 行 了 产 业 化 生 产 。 上海太阳能工程技术研究中心 日 本 Sanyo a-Si/c-Si异 质 结 （ HIT

15、） 电 池实 验 室 最 好 效 率 ： 21.2%， 面 积 100cm 100cm晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 上海太阳能工程技术研究中心 HIT电 池 具 有 高 效 的 原 理 是 ： （ 1） 全 部 制 作 工 艺 都 是 在 低 温 下 完 成 ， 有 效 地 保 护 载 流 子 寿 命 ；（ 2） 双 面 制 结 ， 可 以 充 分 利 用 背 面 光 线 ；（ 3） 表 面 的 非 晶 硅 层 对 光 线 有 非 常 好 的 吸 收 特 性 ；（ 4） 采 用 的 n型 硅 片 其 载 流 子 寿 命 很 大 ， 远 大 于 p型 硅

16、 ， 并 且 由 于 硅 片 较 薄 ，有 利 于 载 流 子 扩 散 穿 过 衬 底 被 电 极 收 集 ；（ 5） 织 构 化 的 硅 片 对 太 阳 光 的 反 射 降 低 ；（ 6） 利 用 PECVD在 硅 片 上 沉 积 非 晶 硅 薄 膜 过 程 中 产 生 的 原 子 氢 对 其 界 面 进 行钝 化 ， 这 是 该 电 池 取 得 高 效 的 重 要 原 因 。晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 这 种 电 池 具 有 结 特 性 优 秀 、 温 度 系 数 低 、 生 产 成 本 低 廉 和 转 换 效 率高 等 优 点 ， 所 以 在

17、光 伏 市 场 上 受 到 青 睐 ， 商 业 化 生 产 速 度 发 展 很 快 ， 仅仅 两 三 年 时 间 ， 产 品 已 占 整 个 光 伏 市 场 的 5 上海太阳能工程技术研究中心 （ 2） 多 晶 硅 高 效 电 池 多 晶 硅 材 料 制 造 成 本 低 于 单 晶 硅 CZ材 料 能 直 接 制 备 出 适 于 规 模 化 生 产 的 大 尺 寸 方 型 硅 锭 ， 240kg, 400kg 制 造 过 程 简 单 、 省 电 、 节 约 硅 材 料因 此 比 单 晶 硅 电 池 具 有 更 大 降 低 成 本 的 潜 力 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发

18、展 趋 势 高 效 化 上海太阳能工程技术研究中心 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大 学 采 用 类 似 PERL电 池 技 术 使 电 池 的 效 率 达19.8 ， 该 工 艺 打 破 了 多 晶 硅 电 池 不 适 合 采 用 高 温 过 程 的 观 念 ， 但 电 池的 制 造 过 程 烦 琐 ， 不 适 合 商 业 化 。 美 国 乔 治 亚 (Geogia)工 大 采 用 磷 吸 杂 和 双 层 反 射 膜 技 术 ， 使 用 电 阻 率0.65 cm、 厚 度 280 m的 HEM（ 热 交 换 法 ） 多 晶 硅 片 制 作 电 池 ， 使 电 池的 效 率 达 到 18

19、.6 。 德 国 Fraunhofer研 究 所 20.3% 世 界 记 录 ， 如 能 在 工 业 生 产 中 大 规 模使 用 该 新 技 术 ， 基 于 成 本 低 廉 的 优 势 ， 预 计 多 晶 硅 电 池 不 久 将 会 在 太 阳能 电 地 市 场 上 占 据 主 导 地 位 。晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 上海太阳能工程技术研究中心 日 本 京 瓷 （ Kyocera） 公 司 采 用 了 PECVD/SiN+表 面 织 构 化 使15cm15cm大 面 积 多 晶 硅 电 池 效 率 达 17.7 ， 已 实 现 商 业 化 。采

20、用 的 PECVD SiN钝 化技 术 对 商 业 化 多 晶 硅 电 池的 效 率 提 高 起 到 了 关 键 性的 作 用 。 目 前 此 商 业 化 多晶 硅 电 池 的 效 率 达 到 13 16 。晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 高 效 化 上海太阳能工程技术研究中心 （ 1） 硅 片 减 薄 硅 片 是 晶 体 硅 电 池 成 本 构 成 中 的 主 要 部 分 。 降 低 硅 片 厚 度 是 减 少 硅 材 料 消 耗 、 降 低 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 成 本 的有 效 技 术 措 施 ， 是 光 伏 技 术 进 步 的 重 要 方 面 之

21、一 。 早 期 的 硅 片 通 常 是 用 内 圆 锯 切 割 ， 厚 度 约 350-400 m ， 切 片 损耗 约 50%左 右 。 线 锯 发 明 后 ， 不 但 硅 片 大 大 减 薄 ， 而 且 切 片 损 耗 大大 降 低 。 目 前 硅 片 的 一 般 厚 度 为 180-240 m ， 未 来 可 以 薄 到 150-180， 甚 至 更 薄 ， 从 而 大 大 降 低 成 本 .B： 向 薄 片 化 方 向 发 展晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 n 30 多 年 来 ， 太 阳 电 池 硅 片 厚 度 从

22、70 年 的 450 500 m 降 低 到 目 前 的 180 240 m。硅 片 厚 度 的 发 展晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 日 本 Sharp单 晶 硅 组 件晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 德 国 Fraunhofer-超 薄 多 晶 硅 高 效 太 阳 能电 池 20.3%-世 界 记 录 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 澳 大 利 亚 Origin Energy公 司 高 效

23、 长 条 薄 片 太 阳 电 池 （ Sliver Solar Cells）比 目 前 普 通 晶 硅 太 阳 电 池 组 件 能 够节 省 高 达 90%的 硅 的 消 耗 ， 长 条 薄片 厚 度 不 到 70微 米 ， 效 率 可 以 达 到 19.5%， 该 产 品 还 具 有 柔 性 和 能 够卷 曲 的 性 能 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 Kyocera公 司 于 2008年 6月 11日 宣 布 ， 开 发 了 新 的 太 阳 能 电 池制 造 工 艺 ， 该 工 艺 可 在 其 用 于 制 造 光 伏

24、太 阳 能 电 池 和 模 块 用 的 多 晶 硅同 样 消 费 量 情 况 下 使 效 率 提 高 。 新 的 大 规 模 生 产 工 艺 可 使 Kyocera公 司 制 造 的 太 阳 能 电 池 厚 度 减薄 至 180 m ， 采 用 了 硅 锭 切 片 和 晶 片 涂 层 的 最 新 技 术 。 采 用 这 一 技 术 可 使 该 公 司 在 今 后 3年 内 使 太 阳 能 模 块 生 产 能 力 翻一 倍 以 上 ， 而 使 其 硅 的 消 费 减 少 至 最 大 限 度 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 （

25、 2） 带 状 多 晶 硅 制 造 技 术 为 了 减 少 切 片 损 失 ， 在 过 去 几 十 年 里 开 发 过 很 多 种 制 造 片 状 硅或 带 硅 的 技 术 。 在 80年 代 国 际 上 曾 出 现 过 很 多 种 生 长 硅 带 的 方 法 ，但 大 部 分 都 处 于 实 验 室 阶 段 ， 其 原 因 是 ： 1、 在 高 温 过 程 中 通 过 设 备引 入 了 过 多 杂 质 ， 达 不 到 要 求 的 纯 度 ； 2、 在 再 结 晶 过 程 中 要 求 的 高冷 却 速 率 会 使 晶 体 中 产 生 过 多 的 缺 陷 。 在 生 长 速 度 与 硅 带 质

26、量 之 间寻 找 平 衡 ， 其 降 低 成 本 的 技 术 难 度 比 晶 锭 硅 高 。 下 边 介 绍 几 种 比 较成 熟 的 带 硅 技 术 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 限 边 喂 膜 （ EFG） 带 硅 技 术 采 用 适 当 的 石 墨 模 具 电 池 效 率 13 15 。 该 技 术 于 90年 代 初 实现 了 商 业 化 生 产 ， 目 前 属 于 ASE公 司 所 有 。晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 用 限 边 喂 膜 法

27、进 行 大 批 量 生 产 时 ，应 满 足 的 主 要 技 术 条 件 为 ： 采 用 自 动控 制 温 度 梯 度 、 固 液 交 界 的 新 月 形 的 高度 及 硅 带 的 宽 度 等 ， 以 有 效 地 保 证 晶 体生 长 的 稳 定 性 。 在 模 具 对 硅 料 的 污 染方 面 进 行 控 制 。 该 技 术 的 工 艺 过 程 如 下 ： 采 用 适 当 的 石 墨 模 具 从 熔 硅 中 直 接 拉 出正 八 角 硅 筒 ， 正 八 角 的 边 长 比 10cm略 长 ， 总 管 径 约 30cm， 管 壁 厚 度 （硅 片 厚 ） 与 石 墨 模 具 毛 细 形 状 、

28、 拉 制 温 度 和 速 度 有 关 ， 约 200一 400 m， 管 长 约 5m。 采 用 激 光 切 割 法 将 硅 管 切 成 10cm l0cm方 形 硅 片 。电 池 工 艺 中 采 用 针 头 注 入 法 制 备 电 池 栅 线 ， 其 它 工 艺 与 常 规 电 池 工 艺相 同 。晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 枝 蔓 蹼 状 （ WEB） 带 硅 技 术在 表 面 张 力 的 作 用 下 ,插 在 熔 硅 中 的 两 条 枝 蔓 晶 的 中 间 会 同 时 长出 一 层 如 蹼 状 的 薄 片 ,所 以

29、称 为 蹼 状 晶 。 切 去 两 边 的 枝 晶 ， 用 中 间 的片 状 晶 制 作 太 阳 电 池 。 蹼 状 晶 为 各 种 硅 带 中 质 量 最 好 ， 但 其 生 长 速 度相 对 较 慢 。 Delaware大 学 多 晶 片 状 硅 制 造 技 术 该 技 术 基 于 液 相 外 延 工 艺 ， 衬 底 为 可 以 重 复 使 用 的 廉 价 陶瓷 。 在 电 池 制 作 中 采 用 了 Al和 POCl 3， 吸 杂 和 低 温 PECVD-Si3N4， 钝 化 技 术 。 1cm2太 阳 能 电 池 效 率 达 到 15.6 ， Delaware大 学 和 Astropo

30、wer公 司 合 作 通 过 了 中 试 产 业 化 技 术 。 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 技 术 发 展 趋 势 薄 片 化 上海太阳能工程技术研究中心 总 结 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 总 体 趋 势 ： 多 晶 硅 电 池 由 于 其 成 本 优 势 将 会 逐渐 取 代 单 晶 硅 电 池 ， 并 向 着 高 效 率 和 薄 片 化 发 展 。 带 来 的 结 果 是 更 好的 电 池 性 能 和 更 低 的 电 池 价 格 。 本 文 综 述 了 近 几 年 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 进 展 的 成 果 ， 介 绍 了 几 类 典型 的 高 效 和 超 薄 太 阳 能 电 池 技 术 ， 这 些 电 池 在 未 来 极 有 可 能 成 为 主 导性 光 伏 产 品 ， 我 们 国 家 光 伏 企 业 对 此 应 予 以 足 够 的 重 视 。 上海太阳能工程技术研究中心Page 30谢 谢 ！