光伏發(fā)電論文：光伏發(fā)電方法的進(jìn)展探析

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本文作者：吳福保、王湘艷 單位：國(guó)網(wǎng)電科院清潔能源發(fā)電研究所

硅基太陽(yáng)電池技術(shù)

硅基太陽(yáng)電池是目前商業(yè)化最成熟的太陽(yáng)電池。根據(jù)硅的晶體結(jié)構(gòu),硅基太陽(yáng)電池可以分為晶體硅和非晶硅電池。其中晶體硅又可以分為單晶硅和多晶硅兩種,單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好,但成本較高;多晶硅電池效率略低于單晶硅電池,但具有高性價(jià)比,已經(jīng)取代單晶硅成為最主要的光伏材料。原料硅片的成本約占晶硅電池組件總成本的50%以上,減少硅材料的用量有望有效降低生產(chǎn)成本,因此除了高效化,薄膜化也是晶硅太陽(yáng)電池發(fā)展的方向,區(qū)別于傳統(tǒng)硅太陽(yáng)電池的薄膜硅太陽(yáng)電池得到了大家的關(guān)注。目前多晶硅薄膜電池效率達(dá)到10%,非晶硅薄膜電池制作的能耗低、工序簡(jiǎn)單、成本低、適合工業(yè)化大面積生產(chǎn)。

1晶體硅太陽(yáng)電池

晶體硅電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展都是圍繞著提高電子的收集率和增大入射光的利用率來(lái)展開的,并表現(xiàn)在晶體硅電池制備過程中的各種技術(shù)的利用上。

(1)去除損傷層

硅片在切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量的表面缺陷,導(dǎo)致表面的質(zhì)量較差和電池制造過程碎片增多,還會(huì)導(dǎo)致電池工作時(shí)表面復(fù)合幾率增大,因此在電池制備前必須將切割損傷層去除,一般采用酸或堿腐蝕,腐蝕的厚度一般約10μm。

(2)制絨

制絨就是把相對(duì)光滑的硅片表面通過酸或堿腐蝕,使硅片表面變得凹凸不平增加受光面積并對(duì)光產(chǎn)生漫反射,這樣可以減少直射損失提高太陽(yáng)光的利用效率。計(jì)算表明金字塔形角錐體的受光面積可比光滑平板增加1.732倍。單晶硅具有各向異性的堿腐蝕特性,可以采用氫氧化鈉和乙醇的混合堿溶液腐蝕單晶硅表面,形成無(wú)數(shù)的金字塔結(jié)構(gòu),利用制絨工藝通常能夠?qū)尉Ч璞砻娴姆瓷渎式档?0%以下。對(duì)于多晶硅來(lái)說,由于材料缺乏各向異性,因此表面制絨比較復(fù)雜,目前有機(jī)械刻槽法、反應(yīng)離子刻蝕、酸法腐蝕等,多晶硅的制絨工藝仍是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

(3)擴(kuò)散制結(jié)

擴(kuò)散的目的在于形成PN結(jié)。由于硅基太陽(yáng)電池的原料硅片采用P型硅,擴(kuò)散制結(jié)一般采取三氯氧磷氣體攜帶源方式用磷做N型摻雜,采用磷擴(kuò)散可以實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜,有利于降低電池的串聯(lián)電阻從而提高其填充因子,這個(gè)工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,有利于降低成本。大型的生產(chǎn)廠家一般用20.32cm(8英吋)擴(kuò)散爐進(jìn)行硅片的擴(kuò)散、采用大口徑石英管恒溫區(qū)長(zhǎng),可以提高擴(kuò)散薄層電阻均勻性。目前擴(kuò)散爐的石英管口徑達(dá)270mm。除了均勻擴(kuò)散制結(jié)工藝外,選擇性擴(kuò)散制結(jié)工藝也是一種重要的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),這種技術(shù)采用在柵線下進(jìn)行擴(kuò)散的方式,不僅能保證低的接觸電阻和好的填充因子,而且能夠減小接觸造成的前表面復(fù)合損失。

(4)邊緣刻蝕

在擴(kuò)散制結(jié)過程中硅片的周邊表面也會(huì)形成了擴(kuò)散層,這種擴(kuò)散層將導(dǎo)致上下電極短路,由于任何微小的局部短路都會(huì)使電池并聯(lián)電阻下降,因此必須干凈地除去硅片周邊表面的擴(kuò)散層,目前工業(yè)化生產(chǎn)常用等離子刻蝕去除硅片周邊表面的擴(kuò)散層。

(5)沉積減反射膜

為了使硅基太陽(yáng)電池更有效地獲得太陽(yáng)光輻射,表面都要制備一層減反射膜,減少表面的反射損失。目前常用的減反射膜有TiO2,SiO2和SiN及其組合,在商業(yè)化生產(chǎn)中SiN減反射膜一般都采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)制作,這種方法利用SiH4與NH3反應(yīng)在硅片表面沉積一層厚約75nm的SiN,反射率可以降低到3%以下。由于沉積中生成的原子氫,可以很好的鈍化硅表面懸掛鍵,因此PECVD還能起到很好的鈍化效果從而可以提高載流子遷移率,而且SiN層具有良好的絕緣性和致密性,可以阻止雜質(zhì)原子,特別是Na原子滲透進(jìn)入電池基體。PECVD沉積減反射膜技術(shù)的采用大大提高了多晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率,是多晶硅電池商業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù),目前多晶硅電池的產(chǎn)量已經(jīng)超過單晶硅電池。

(6)制備電極

電極的制備不僅決定了發(fā)射區(qū)的結(jié)構(gòu),而且也決定了電池的串聯(lián)電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積,因此是硅基太陽(yáng)電池生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要步驟。目前,硅基太陽(yáng)電池的電極制備普遍采用絲網(wǎng)印刷法,所用的絲網(wǎng)細(xì)柵線為110~150μm,主柵為1.5~2.0mm,由于電極的存在有遮光的效果導(dǎo)致太陽(yáng)電池效率降低的損失在8%左右,因此如何進(jìn)一步減小電極寬度是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

通過攻關(guān)制備工藝流程中的某些環(huán)節(jié),制備出許多高效的太陽(yáng)電池。例如新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)背局部擴(kuò)散(PERL)電池[1],斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸(PCC)電池以及弗朗霍夫研究所的局域化背表面場(chǎng)(LBSF)電池等都是單晶硅高效電池的典型代表。在鈍化發(fā)射區(qū)(PESC)電池和鈍化發(fā)射區(qū)背表面(PERC)電池基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的PERL電池(結(jié)構(gòu)如圖1)目前保持著單晶硅電池效率的最高紀(jì)錄。PERL電池采用背面點(diǎn)接觸來(lái)代替PESC電池的整個(gè)背面鋁合金接觸,并在背面接觸點(diǎn)下增加了一個(gè)濃硼擴(kuò)散層,可以減小金屬接觸電阻,與PERC電池相比由于硼擴(kuò)散層減小了有效表面復(fù)合,接觸點(diǎn)間距可以從2mm減小到250μm,接觸孔徑從200μm減小到10μm而不增加背表面的復(fù)合,從而大大減小了電池的串聯(lián)電阻。4cm2大小的PERL電池在AM1.5光照條件下,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%[1]。PERL電池的另一個(gè)特點(diǎn)是具有極好的陷光效應(yīng):PERL電池具有一種倒金字塔和背反射器(鋁層覆蓋的背SiO2層)組合而成的陷光結(jié)構(gòu),光在電池內(nèi)部往返多次大大增加了傳輸路徑,尤其對(duì)于弱吸收光有利。2009年無(wú)錫尚德的PERL電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),開發(fā)的PlutoTM(冥王星)太陽(yáng)電池片效率突破性地提高到了19%,HiPerforma單晶組件轉(zhuǎn)換效率超過16%[16]。PCC電池和LBSF電池結(jié)構(gòu)與PERL電池類似,也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔結(jié)構(gòu),不過5μm接觸孔徑的金屬電極成點(diǎn)狀設(shè)計(jì)在電池的背面,基區(qū)也做成同樣的形狀,這樣減小了背面復(fù)合,取得22.3%的轉(zhuǎn)換效率。LBSF電池采用局部鋁擴(kuò)散來(lái)制作表面接觸,2cm×2cm電池效率達(dá)到23.3%。

在高效多晶硅太陽(yáng)電池的研究中,一般認(rèn)為材料中的各種缺陷,如晶界、位錯(cuò)、微缺陷,和材料中的雜質(zhì)碳和氧,以及工藝過程中玷污的過渡族金屬是電池轉(zhuǎn)換效率較低的關(guān)鍵原因,因此研究鑄造多晶硅中缺陷和雜質(zhì)規(guī)律,以及采用合適的吸雜、鈍化工藝是進(jìn)一步提高多晶硅電池效率的關(guān)鍵,另外尋找合適的鑄造多晶硅表面織構(gòu)化方法也是目前低成本制備高效率電池的重要工藝。在這些方面,弗朗霍夫研究所、喬治亞理工學(xué)院、新南威爾士大學(xué)以及Kysera公司的工作具有一定的代表性。弗朗霍夫研究所實(shí)驗(yàn)室制備的多晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率保持最高紀(jì)錄20.4%[3]。喬治亞理工學(xué)院使用電阻率0.65(Ω•cm),厚度280μm多晶硅片制作電池,n+發(fā)射區(qū)的形成和磷吸雜結(jié)合,并加雙層減反射膜,1cm2電池的效率達(dá)到18.6%。新南威爾士大學(xué)采用類似PERL電池的工藝,但是前表面織構(gòu)化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結(jié)構(gòu),在AM1.5條件下測(cè)試1cm2電池的效率達(dá)到了19.8%。日本Kysera公司采用體鈍化和表面鈍化技術(shù),PECVD/SiN膜既作減反射膜,又作為體鈍化措施,表面織構(gòu)化采用反應(yīng)性粒子刻邊技術(shù),15cm×15cm大面積多晶硅電池效率達(dá)17.7%,目前日本正計(jì)劃實(shí)現(xiàn)這種電池的產(chǎn)業(yè)化。

2薄膜硅太陽(yáng)電池

薄膜硅太陽(yáng)電池的特征是相對(duì)薄(厚度小于100μm)的活性層沉積或附在無(wú)活性的支持襯底上,與傳統(tǒng)的300μm厚硅片或硅帶構(gòu)成的硅太陽(yáng)電池相比,薄膜硅太陽(yáng)電池制作的能耗低成本低,也是很有發(fā)展前景的太陽(yáng)電池之一。多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的制備工藝可分為高溫技術(shù)路線和低溫技術(shù)路線。其中高溫技術(shù)路線以快速熱化學(xué)氣相沉積(RTCVD)、常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)為代表,制備過程中溫度高于600℃,襯底材料要求高,但制備工藝簡(jiǎn)單;弗朗霍夫研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用RTCVD技術(shù)沉積多晶硅薄膜,硅膜經(jīng)過區(qū)熔再結(jié)晶后制備電池,兩種襯底上制得的電池效率分別達(dá)到9.3%和11%。低溫技術(shù)路線以PECVD為代表,整個(gè)加工工藝溫度低于600℃,可用廉價(jià)玻璃作襯底因此適合大面積制作,但制備工藝較復(fù)雜;日本Kaneka公司采用PECVD技術(shù)在550℃以下和玻璃襯底上制備出具有PIN結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池,效率達(dá)到10%。

非晶硅薄膜太陽(yáng)電池在弱光照射條件下,如早晨、傍晚或者陽(yáng)光受到一些遮擋,也能有一定的穩(wěn)定電力輸出,而且溫度系數(shù)小,受溫度的影響比晶體硅太陽(yáng)電池要小得多。典型的非晶硅電池采用PIN和NIP異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),市場(chǎng)上的非晶硅電池大部分是轉(zhuǎn)換效率比較高的多結(jié)電池。在最近幾十年中,非晶硅太陽(yáng)電池的技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在材料性能和新制備技術(shù)的改進(jìn)上,例如為了提高非晶硅太陽(yáng)電池的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性,新工藝如化學(xué)退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等在材料性能的改進(jìn)中發(fā)揮了很重要作用。非晶硅薄膜電池制備需要沉積的a-Si,早期都采用射頻PECVD,但是優(yōu)質(zhì)的a-Si合金可用甚高頻PECVD技術(shù)和微波PECVD技術(shù)沉積,在a-Si:H的最佳分解條件下大面積低溫沉積的商業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究受到了關(guān)注。目前,瑞士OerlikenSolar研制的非晶硅單結(jié)光伏電池穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破10%[5],這個(gè)最新的紀(jì)錄可以說是非晶硅光伏技術(shù)發(fā)展的里程碑。

化合物太陽(yáng)電池技術(shù)

與元素半導(dǎo)體硅相比,化合物半導(dǎo)體的種類更多,以CdTe和CuInGaSe2(簡(jiǎn)稱CIGS)為代表的一些化合物半導(dǎo)體能隙寬度易在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)與太陽(yáng)光譜很好的匹配,擴(kuò)展光譜響應(yīng)范圍獲得更高轉(zhuǎn)換效率。圖2是一些化合物太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率[17]。

1CdTe電池

CdTe電池的光電轉(zhuǎn)換效率理論上可達(dá)30%,采用CdTe電池發(fā)電設(shè)備投資成本可實(shí)現(xiàn)每峰瓦0.87美元,在價(jià)格、穩(wěn)定性和效率等幾個(gè)方面都有不少優(yōu)勢(shì)。不過Cd是一種重金屬,有一定的毒性,曾被認(rèn)為是大規(guī)模發(fā)展CdTe光伏技術(shù)的一大障礙,但后來(lái)的有關(guān)研究結(jié)果表明,與晶體硅電池以及煤、石油相比,在產(chǎn)生同樣多電量的情況下,CdTe電池排放的Cd和其他重金屬量是最低的。CdTe電池的研發(fā)工作主要圍繞電池的關(guān)鍵區(qū)域如CdTe/CdS接點(diǎn)處、背接觸層的改進(jìn)。1982年,Kodak實(shí)驗(yàn)室用窄間隔升華法制備出效率超過10%的CdTe電池;1993年南佛羅里達(dá)大學(xué)在硼硅玻璃上沉積CdTe,使效率達(dá)到了15.8%;2001年美國(guó)NREL通過預(yù)先在硼硅玻璃上沉積CdSnO4層,使效率達(dá)到16.5%,這是當(dāng)前CdTe電池的最高效率紀(jì)錄[12]。目前,美國(guó)BPSolar,FirstSolar和德國(guó)ANTECSolar都在積極進(jìn)行組織CdTe電池組件的工業(yè)化生產(chǎn),其中FirstSolar上目前全球最大的CdTe太陽(yáng)電池制造商,2009年FirstSolar的CdTe太陽(yáng)電池的產(chǎn)能已超過1GW。

2CIGS電池

CIGS電池也是一種很有發(fā)展前景的化合物半導(dǎo)體光伏元件。在CIGS中由于CuySe(y<2)的存在而引起的晶化機(jī)制大大改善了CIGS薄膜的質(zhì)量;工藝中從玻璃襯底或含鈉預(yù)置層摻入鈉,可以大大提高電池的轉(zhuǎn)換效率和可靠性,也增加了工藝的包容度;用Ga部分取代早期純CuInSe2里的In,吸收層的能隙可以從1.04eV增加到1.1~1.2eV,這樣可以更好地與太陽(yáng)光譜匹配,同時(shí)電學(xué)性質(zhì)也更優(yōu);另外CIGS的背電極改由化學(xué)浴沉積的50nm厚緩沖層與高電導(dǎo)ZnO窗口層組成。由于這些技術(shù)的成功應(yīng)用,CIGS的轉(zhuǎn)換效率不斷提高,2010年4月德國(guó)ZSW生產(chǎn)的CIGS的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.1%,突破了NREL保持了16年的紀(jì)錄,同年8月又達(dá)到20.3%[10],再次創(chuàng)造了CIGS轉(zhuǎn)換效率的最新效率紀(jì)錄。

無(wú)Cd緩沖層生產(chǎn)線的開發(fā),是CIGS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要目標(biāo)[18]。目前,In2S3,ZnS和Zn1-xMgxO及其衍生物,可以通過化學(xué)浴沉積(CBD),離子層氣體反應(yīng)(ILGAR)和超聲噴霧熱裂解(USP)等方法沉積得到,都被認(rèn)為是最有潛力的緩沖層材料,并且CBD-ZnS,CBD-In2S3和IL-GAR-In2S3已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。CIGS的另一個(gè)研究方向是發(fā)展柔性襯底,如不銹鋼和聚合物等,在小面積聚合物襯底上制備的CIGS電池最高效率達(dá)到12.8%,在金屬箔和聚合物薄膜上卷對(duì)卷沉積技術(shù)已進(jìn)入示范生產(chǎn)階段。在產(chǎn)業(yè)化上,面積為20~90cm2的小型CIGS組件已經(jīng)取得14%~15%的效率,其工藝可以為大面積商業(yè)型組件生產(chǎn)所使用。目前全球有30多家公司置身于CIGS產(chǎn)業(yè),但真正進(jìn)入市場(chǎng)開發(fā)的有德國(guó)Wuerth、Surlfulcell,美國(guó)GlobalSolarEnergy,日本Honda、ShowaSolarShell。

其他太陽(yáng)電池技術(shù)

染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)是基于光電化學(xué)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換原理的一類薄膜太陽(yáng)電池,通常由導(dǎo)電基底、半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、電解質(zhì)和對(duì)電極組成并組裝成三明治結(jié)構(gòu)。1991年Gratzel用納米多孔TiO2電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板電極,DSSC取得了突破性進(jìn)展,DSSC電池的最高效率已達(dá)到11%,接近商業(yè)化的非晶硅太陽(yáng)電池,而制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5~1/10,有望發(fā)展成為一種低成本高效率的太陽(yáng)電池產(chǎn)品。目前已有包括STI和Toyota/IMRA等在內(nèi)的多家廠商取得了DSSC電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的專利授權(quán),研制大面積電池是DSSC主要的研究方向。澳大利亞STA公司在2001年建立了世界上第一個(gè)中試規(guī)模的DSSC工廠和200m2DSSC顯示屋頂;日本夏普、日立、富士等公司在產(chǎn)業(yè)化研究上取得了很好的成績(jī);中科院等離子體物理研究所建成了500W的DSSC示范電站。今后DSSC技術(shù)發(fā)展的課題,是通過新型非釕染料、穩(wěn)定電解質(zhì)、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),提升電池效率和壽命。有機(jī)太陽(yáng)電池是另一類新型太陽(yáng)電池,與化合物電池、普通硅太陽(yáng)電池相比更輕薄靈活,而且成本低廉,但是目前研制的器件轉(zhuǎn)化效率不高,使用壽命偏短,尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)攻關(guān)階段,還不能滿足市場(chǎng)化的要求。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的利用

目前光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電階段,光伏發(fā)電利用的重點(diǎn)是并網(wǎng)發(fā)電,把光伏發(fā)電發(fā)展成為電力生產(chǎn)的組成部分。并網(wǎng)光伏發(fā)電可以采用光伏建筑一體化的技術(shù)方案,也可以在荒漠建設(shè)大規(guī)模的并網(wǎng)光伏電站。光伏建筑一體化將電池方陣安裝在建筑的屋頂或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)的其他外表上,電池方陣可以提供用戶建筑用電,減少電網(wǎng)供電的壓力;大規(guī)?；哪⒕W(wǎng)光伏電站就是在太陽(yáng)能資源豐富的沙漠和戈壁地帶建設(shè)兆瓦級(jí)甚至吉瓦級(jí)的并網(wǎng)光伏電站,可以作為一種主力電源。

未來(lái)20年,我國(guó)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)仍然將以硅基太陽(yáng)電池為主,目標(biāo)是發(fā)展高效硅基太陽(yáng)電池,不斷加強(qiáng)新型廉價(jià)太陽(yáng)電池的開發(fā),組織太陽(yáng)電池的材料、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等方面的技術(shù)攻關(guān),不斷提高光伏發(fā)電的裝機(jī)容量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以及薄膜太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)應(yīng)用規(guī)模化。