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

    第一個實用的半導體單晶硅太陽能電池出現在1954年。美國貝爾實驗室的Chapin等人使用晶體硅P-N擴散結制成了世界上第一個光電轉換效率為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)電有了現實的基礎和可能性。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，這標志著太陽能電池應用開始走向實用化。從那以后，太陽能電池成為外層空間產生電力的標準方法，被廣泛地應用到人造衛(wèi)星、宇宙飛船和星際空間站上。

    進入21世紀以來，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。中國太陽能電池產量均以100%以上的年增長率快速發(fā)展，2012年光伏組件的產能為37GW，產量為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體，它的能隙寬度為1.12 eV。從能量轉換效率來看，能隙為1.1eV～2.0 eV的半導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)技術的支持，五是電池制備技術發(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在1998年創(chuàng)造的。多晶硅電池成本低，轉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%。多晶硅中的各種結晶缺陷和金屬雜質是造成電池光電轉換率降低的原因。目前，大規(guī)模工業(yè)化生產的單晶硅電池的光電轉換效率約在18.5%～19.5%之間，而多晶體硅電池的光電轉換效率約在17%～18%之間。

    提高光電轉換率是降本關鍵

    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)電成本的核心技術是提高太陽能電池的光電轉換效率。根據測算，太陽能電池的光電轉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構密切相關，同時太陽能電池的結構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構是：交指式背接觸(IBC)太陽能電池，非晶Si/N-Si異質結(HIT)太陽能電池，普通電池結構“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構(Interdigitated Back Contact，稱為IBC結構)。IBC太陽能電池顯著的特點是前表面沒有銀柵線電極，PN結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%，產業(yè)化電池效率在22%左右。由于電池發(fā)電的P-N結位于電池背面，IBC電池需要Si材料的少數載流子擴散長度遠大于Si片厚度。高質量Si襯底要求及復雜制備工藝，使產業(yè)化的IBC電池的制備成本很高。

    2.非晶硅Si/N-Si異質結太陽能電池

    日本三洋公司研發(fā)了非晶Si/N-Si異質結結構電池。由于在異質結界面插入一層本征非晶Si薄層，所以這類太陽能電池的結構也稱為“具有本征Si層的異質結”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，從而減少了復合電流，提高電池轉換效率。HIT太陽能電池具有低的制備溫度，高的轉換效率以及前面和背面都可以吸收太陽光的雙面電池設計。2013年初HIT電池實驗室最高效率達到了24.7%，規(guī)?；a效率在21%左右。由于HIT電池制備工藝及設備與普通的P-型Si太陽能電池的生產不相兼容，處理工藝過程復雜，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)模化生產的IBC、HIT電池結構和技術相比，這種電池與普通的P型硅電池結構相同，具有結構簡單、制備成本低、工藝流程短、與現有生產線相兼容和容易實現大規(guī)模產業(yè)化的優(yōu)點。PANDA電池主要技術特點包括：1.太陽能電池采用雙面發(fā)電設計，能夠接收從正面和背面進入電池的光線從而實現雙面發(fā)電，比同類電池能產生更多的電能;2.采用細密柵線設計，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)模生產高效率N-Si太陽能電池的公司之一。

    7大途徑提升光電轉換率

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

    今后，晶體硅電池的研發(fā)重點是實現低成本下的高效率。提高硅電池的光電轉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;5.采用選擇性發(fā)射極結構(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))，降低內部和表面復合損失和接觸電阻;6.采用背面金屬點接觸結構，以進一步降低背表面的復合損失，提高電池的長波長光譜響應;7.使用N型硅襯底代替P型硅襯底，由于N型硅有高的少數載流子壽命和對某些金屬雜質的不敏感性，使N型硅電池有高的穩(wěn)定性和效率。

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