201第36卷5期 3年9月 Journal安徽师范大学学报(自然科学版) of Anhui Normal University(Natural Sci ence) V01.36 No.5 Sep.2 0 1 3 太阳能光伏电池的发展趋势及产业化 王 瑾 , 温廷敦 , 许丽萍 , 王志斌2, 樊彩霞2 (1.中北大学理学院,山西太原030051;2.中北大学电子与计算机科学技术学院,山西太原030051) 摘要:随着能源危机的濒临,环境问题的加重,为实现能源坏境的可持续发展,光伏发电成为开发 利用非常规能源的首选.本文结合近几十年来太阳能应用最为成熟的光电器件,针对太阳能光伏电 池的转换效率,制备工艺、生产成本及产业状况等方面介绍了几种在大规模生产方面具有发展前景 的太阳能光伏电池,并提出了叠层聚光薄膜太阳能电池的构想,对其原理和结构进行了说明.接着, 详述了太阳能电池在工业化生产方面的最新进展并对其未来进行了展望. 关键字:太阳能光伏电池;转换效率;叠层聚光;光伏产业 中图分类号:004059 文献标志码:A 文章编号:1001—2443(2013)05—0453—05 随着一次性非再生常规能源的大量消耗及其带来的环境问题,开发和利用非常规能源,推动经济社会可 持续发展成为各国能源保障和保护环境的重要举措.与其他的非常规能源相比,太阳能作为一种无污染、可 持续、总量大、分布广、利用形式多样的新能源,成为各国科学工作者研究的热点.太阳能光伏电池是通过光 电效应直接把光能转化成电能的装置,它所具有的清洁性、灵活性和永久性等优点,使其成为备受关注的光 电器件.21世纪初期,太阳能电池之父Martin A.Green…提议将太阳能电池的发展过程划分为3个阶段,其 中第一代晶体硅太阳能电池(单晶Si和多晶Si),第二代薄膜太阳能电池(非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄 膜太阳能电池等)和第三代薄膜化低成本高效无毒太阳能电池(叠层太阳能电池、多载流子激发太阳能电池、 多带隙太阳能电池).随着太阳能电池技术的不断发展,太阳能电池正在向高效无污染、薄膜化、多结叠层、多 带隙、聚光化方面发展. 1极具前景的太阳能光伏电池 1.1单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是一种开发的最快、技术最为成熟的太阳能电池.单晶硅太阳能电池的制造流程l2J 如下:切片一清洗一制备绒面一磷扩散一周边刻蚀一去除背面一pn结一制作上下电极一制作减反射膜一烧 结一测试分档.1999年,澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)教授马丁・格林(Martin Green)领导的研究小组 在一块4cm2的PERL硅电池上利用PERL(钝化发射极、背面点扩散)使太阳能电池转换效率高达24. 7% ].在切片工艺反面,由于传统的太阳能硅片的线切割是由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送 到切割区,在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦来完成的,故其切割效率低、耗时多并且 对工件的损伤较为严重,2012年,Arif Muhammad等人l_4 J提出用韧性切割技术来完成硅片的切割,这种韧性 切割技术能有效减少加工时间、降低加工成本、提高生产效率.在除杂钝化工艺方面,Das Amab和Rohatgi Ajeet[5]介绍了一种用带有负电荷的铝掺杂电介质玻璃可以去除P型单晶硅表面的铁并使其钝化的方法.此 方法高效无污染,甚至在某些条件下比传统的POCL3除杂、钝化效率更快.在刻蚀工艺方面,Ali,K和 Khan,SA等[6]提出了一种降低刻蚀成本、减少反射率的方法——响应面法.其在85℃,采用四甲基氢氧化 铵TMAH,(CH3)(4)NOH溶液对单晶硅(100)进行各向异性刻蚀,响应曲面法的过程变量与溶液浓度和时 间有关,所得刻蚀面在没有减反膜的情况下,反射率低于6%,故此法在刻蚀工艺中有重要的参考价值.在减 收稿日期:2013一o3—05 基金项目:国家自然科学基金仪器专项基金(61127015)资助项目. 作者简介:王瑾(1987一),女,山西长治人,硕士研究生,研究方向:介观光电效应.通讯作者:温廷敦(1957一),山西浑源人,教授,博士生导师, 研究方向:介观物理学及其应用等, 引用格式:王瑾,温廷敦,许丽萍,等.太阳能光伏电池的发展趋势及产业化[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2013,36(5):453—457. 454 安徽师范大学学报(自然科学版) 2013正 反膜工艺方面,Fahim NF和Jia BH等人[7]介绍了一种简便、低成本、高效和具有可扩展途径的金属纳米结 构集成技术显著提高了光学厚度的晶体硅太阳能电池的整体效率,即采用银浆纳米粒子和纳米壳在单晶硅 太阳能电池减反射涂层和丝网印刷指上的集成技术,使得性能最好的纹理化衬底单晶硅太阳能电池的转换 效率从l8.3%提高到19.2%,超越了最先进的标准丝网印刷太阳能电池的转换效率;Taube WR领导的研 究小组研究了一种新的防反射涂层(ARC)——嵌入了低转化率硅纳米晶的含有富硅氮化物(sRN)的防反射 涂层被集成到使用标准的半导造技术制造的单晶硅太阳能电池,通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)沉积双层SiOx/SRN膜,结果显示双层纳米晶嵌入式ARC单晶硅太阳能电池的电源转换效率高 达22.8%.除此之外,Shatkovskis E等人L8提出了一种能增加单晶硅太阳能电池的转换效率的多孔硅技术,8j 他们研制了一种大部分存在于太阳能电池发射极的多孔硅衍生物,与发射极未经改变的太阳能电池相比,当 光谱范围不同时,转换效率提高不同;当波长范围在450—550nm时,转换效率最大.2012年7月24日公布 的数据显示单晶硅太阳能电池的转换效率为25.0% 』.因此,单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的. 1.2多晶硅薄膜太阳能光伏电池 由于薄膜太阳能电池厚度仅需几微米,具有可挠曲、重量轻、多样化设计、低成本、安全无污染且能够在 廉价衬底塑料、玻璃上形成等优点,故其逐步成为太阳能电池领域研究的重要部分.由于多晶硅薄膜太阳能 电池所使用的硅比单晶硅太阳能电池少很多,不存在非晶硅薄膜太阳能电池所存在的光致衰退(S—w)效 应,且可以在廉价衬底材料上制备,故多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅太阳能电池,而光电转换 率近20%高于非晶硅薄膜电池.多晶硅薄膜太阳能电池的制备步骤[io]包括:衬底的制备和选择一隔离层的 制备一籽晶层或匹配层的制备一晶粒的增大一沉积多晶硅薄膜一制备P—N结一光学:上下表面结构 化,上下表面减反射一电学:制备背场(BSF)和前后电极的欧姆接触一制备电极一钝化(氢钝化):晶粒 间界的钝化和表面钝化等.多晶硅生产均采用闭路循环工艺流程,使得副产物得以合理、充分的利用.其在廉 价衬底上沉积硅薄膜作为活性层,40,um厚的硅薄膜即可吸收80%太阳光L1 ,而单晶硅太阳能电池中至少 需要200,um厚的硅片,故多晶硅薄膜太阳能电池成本远低于单晶硅太阳能电池,但其转换效率与单晶硅太 阳能电池接近,其最高转换效率达21.4%[12 J.Ohdaira K和Matsumura H[13]通过对电子束(EB)蒸发制备的 前体非晶硅a—Si薄膜采用闪光灯诱导的液相爆炸性结晶(EC)技术,成功制备了微米量级厚的多晶硅薄膜, 并且x一射线衍射(X】 )和电子衍射图案显示了多晶硅薄膜的晶粒中往往具有特定的取向,此研究对高效 多晶硅薄膜太阳能电池的制备提供了一种新技术.同时,Okada A等人[14]在熔融石英衬底上采用SiO2插入 层厚度在0—20nm变化的铝诱导晶化(AIC)方法,制备了多晶硅薄膜.研究表明:多晶硅层的生长形态随 Sio2层厚度的不同发生了很大的变化,AIC—Si的晶体取向依赖于Si原子进入 层的扩散速率.而Wang T,Yan H等人l1 5-在碱石灰玻璃衬底上对无定形硅采用铝诱导晶化(AIC)处理制备了多晶硅薄膜,其X一 射线衍射(XRD)图案显示了其在(111)方向有很强的取向性.Basch A等人_16j发现了一种新颖的可用于pH 值成中性的介质的物理化学涂层法——雪球涂层.它是由不含有粘合剂的高折射率二氧化钛颗粒形成的.将 其用于多晶硅薄膜太阳能电池的散射背反射器时,短路电流JSC(35%)显着提高,并且波长在400nm以上 时,反射率接近100%.这对提高多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率提供了一种新方法. 1。3叠层聚光薄膜太阳能电池 由于聚光太阳能电池多采用透光率高、质量轻、易于量产、成本低、结构简单的菲涅耳透镜聚光,可使同 等发电量使用较少的太阳能电池材料,且采用的整体跟踪系统,可获得较多的太阳能,使得发电量更大、储能 更多,故聚光太阳能电池是聚光光伏技术的核心和基础.目前研究较多的是基于GalnP/GaAs/Ge的多结聚 光太阳能电池,Spectrolab公司认为通过增加结数可将其转换效率提高到接近理论极限值72%,因此聚光太 阳能电池的转换效率具有很大的上升空间,成为国内外科学工作者关注的焦点.而叠层薄膜太阳能电池有效 地改善了单个太阳能电池光谱吸收范围窄,光吸收利用效率低的问题,有效地提高了太阳能电池对光谱的吸 收转换效率,其光电转换效率可高达25%一30%,也成为研究的热点.但是目前对叠层聚光薄膜太阳能电池 的研究尚不多见,基于聚光太阳能电池和叠层薄膜太阳能电池的众多优点,其有可能成为发展前景极好的太 阳能光伏电池之一,但其工艺制备技术尚不成熟,并处于研发阶段,下面介绍其工作原理(图1). 对于传统的半导体材料,由于太阳光光谱中的能量分布较宽,一般在其禁带中并没有中间能带,故这些 半导体材料制成的光电器件只能吸收太阳能光谱中能量大于材料禁带宽度的高能光子,对低于其禁带宽度 456 安徽师范大学学报(自然科学版) 2013芷 球光伏产品的应用中占50%左右,而且其市场份额在最近几年中不断提高.2011年9月,德国肖特太阳能在 EU PVSEC上展示了转换效率达到了全球最高的18.2%的多晶硅太阳能电池模块;德国Q—Cells公司展示 了转换效率为18.1%的多晶硅太阳能电池模块.表2列出了2012年全球市售的十大最高效率多晶硅太阳 能组件和厂商信息.CIGS薄膜太阳能电池一种具有高光电转换效率、寿命较长且成本较低的化合物薄膜太 阳能电池,一般商用模组转换效率在1O一12%,其薄膜晶体结构和化学键稳定,光吸收系数很高约为105/ cm制备过程无污染化学物质,是最具希望的光伏器件.表3列出了2011全球十大转换效率最高的CI(G)S 光伏组件及厂商. 表2全球市售的十大最高效率多晶硅太阳能组件和厂商信息 Table 2 The ten highest efficiency polysilicon solar components and vendor information of the global 3总结及展望 结合太阳能电池发展历程及现状可知:原材料 电池是未来发展的走向,有机染料敏化太阳能电池 表3 全球十大转换效率最高的CI(G}S光伏组件和厂商信息 e 3 The ten cI(G)S PV module and vendor information of tht 丰富、低成本、稳定高效、环保寿命长的太阳能光伏 Tablhighest conversion efficiency in the world (DSSC)和聚合物太阳能电池等由于转换效率低工 艺技术不成熟尚处亍研发阶段;聚光薄膜太阳能电 池、叠层太阳能电池及杂质带太阳能电池由于成本 昂贵,不易于大规模生产,目前多用于航空航天等高 端领域;硅基薄膜太阳能电池中的原料硅储量丰富 且无毒,占领着太阳能光伏电池的大部分市场;而叠 层聚光薄膜太阳能电池由于其转换效率极高有可能 成为未来大型光伏电站的主导,有待对其进行进一 步研究. 参考文献 l1j MARTIN A G.Prog Photovolt:Res[J].Appl,2001:123. [2]李怀辉,王小平,王丽军,等.硅半导体太阳能电池进展[J].材料导报A:综述篇,2011,25(1O):50—51. [3]ZHAO J,WANG A,Green M A.24.5%efficiency silicon PERL ceils on MCZ substrates and 24.7%efficiency silicon PERL cells on FZ substrate[C]//International Photovoltaic Science and Engineering Conference,1999:557. 14]ARIF M,RAHMAN M,SAN WY.A state-o{.the—art review of ductile cuttig ofn silicon wafers for semiconductor and microelectronics industries[J].International Jounarl ofAdvancedManufacturingTechnology,2012,(63):481—504. [5]DAS A,ROHATGI A.Simultaneous iron getterig and passinvation of p-type monocrystalline silicon usig na negatively charged aluminum-doped didectric[a].Applied Physics Letters,2012,101(25) [6]ALI K,KHAN SA,JAFRI MZM.Low COSt aniotsropic etchig nof monocrystalline Si(100):Optimization usig response surfnace methodology [J].Superlattices and Microstructures,2012,52(4:)782—792. [7]FAHIM NF,JIA BH,SHI ZR,et a1.Simultneous broadbaand light trapping and fill factor enhancement in crystalline silicon solar cells induced by Ag nanoparticlse.nd ananoshells[J].Optics Express,2012,20(19):A694一A705. [8]SHATKOVSKIS E,MITKEVICIUS R,ZAGADSKIJ V,et 1a.Improved performance nda spectral features Of complex porous silicon structure ontcainig sinlicon solar cells[J].ActaPhysicaPolonicaA,2012,122(6):1121—1124. 36卷第5期 王瑾,温廷敦,许丽萍,等: 太阳能光伏电池的发展趋势及产业化 457 [9]MARTINA,GREEN,KeithEmery,YoshihiorHishikawa,et a1.Solar cell efficiencytables(version 40)[J]ProgressinPhotovoltaics:Research and Applications,2012,20:606—614. [10]毛爱华.太阳能电池研究和发展现状[J].包头钢铁学院学报,2002,21(1):96. [11]SCHULTZO,GLUNZSW,WILLEKEGP.Multicrystalline silicon solar cells exceedign 20%efifciency[J].ProgPhotovoltResApp,2004, 12:553—557. [12] FINGER F,CARIUS R,DYLLA T,et a1.Stability of microcrystlaline silicon for thin film solra cell applications【J J.IEE Proc Circuits Devices Syst,2003,150(4):300—304. [13] OHDAIRA K.MATSUMURA H.Liquid—phase explosive crystallization of electron—beam—evaporated a-Si films induced by flash lamp annealing [J].Journal of crystal growth,2013,362:149—152. 【14] OKADA A,T0K0 K,HAP&KO,et a1.Dependence of crystaI orientation in A1一induced crystallized poly—Si layers on SiO2 insertion layer thicknes[J].Journal of crystal growth,2012,356:65—69. [15] WANG T,YAN H。ZHANG M,et a1.Polycyrstalling silicon thin films by aluminum induced cyrstlalization of amorphous siliocn[J].Applied Surface Science,2013,264:11—16. 【16] BAscHA。BECKF,SODERSTROMT,eta1.Enhancedlighttrappingin solra cellsusign bWiOW globe coatign[1].ProgressinPhotovoltaies, 2012,20(7):837—842. 17 吴茜薇,王振波.金融危机背景下中国光伏产业发展现状与对策[J].首都师范大学学报:自然科学版,2012,33(1):50—56. 18 汪锋,于文华,“十二五”时期中国光伏产业发展对策[J].常州大学学报:社会科学版,2012,13(1):49—53. 19 戚汝庆.中国光伏产业创新系统研究[D].武汉:华中科技大学,2012. 20 柳卸林,高伟,吕萍,等.从光伏产业战略性新兴产业的发展模式[J].科学学与科学技术管理,2012,33(1):l16—125, 21 王伟.中国光伏产业摆脱当前困境的对策探讨[J].中外能源,2012,17(8):36—40. 22 刘冬,周小云.经济危机与企业知识产权演进逻辑:类合还是背离——以光伏产业为例[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2013,36 (2):200—204. The Trend of Development and Industrialization of the New Thin.Film Photovoltaic Cells WANG Jin ,WEN Ting.dun ,XU Li.ping ,WANG Zhi—bin ,FAN Cai.xia (1.eDpartment of Physics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2・School of electronics and computer science&technology,North University of China,Taiyuan 030051,China) Abstract:As the brink of energy crisis,the aggravation of environmental problems,photovoltaic power has become the first choice of the development and utilization of unconventional energy for achieving the sustainable development of the energy and environment.In this paper,the most full—fledged optoeleetronie devices-the solar photovoltaic cells which have development prospects in the mass production are introduced,combined with the conversion efficientY,the preparation process,the cost of production and the state of the industry of solar photovoltaic cells in recent decades.Furthermore,it proposes the concept of stacked thin—film solra cell and gives its principle and structure.And at the same time,we gives the development trend and the latest progress of the s,olar photovoltaic cells in industrial production. Key words:the solar photovoltaic cells;conversion efficiency;laminated condensing;photovoltaic industry