【CITPV】光伏发展评述与未来展望沈辉

p- 0 - 2020-1-2 光 伏 发 展 评 述 与 未 来 展 望沈 nbsp;辉杭 州 nbsp;2019 .09. 05 - 1 - 2020-1-2 主 要 内 容 光 伏 理 论 建 立 与 发 展 我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾 晶 体 硅 太 阳 电 池 技 术 发 太 阳 电 池 发 展 的 经 验 教 训 新 型 硅 基 异 质 结 太 阳 电 池 晶 体 硅 光 伏 组 件 技 术 发 展 光 伏 产 业 发 展 前 景 展 望 古 代 太 阳 文 化 与 技 术 - 2 - 2020-1-2 光 伏 理 论 建 立 与 发 展 1800 A. Volta （ Voltaic pile） 1839 A. E. Becquerel （ Photovoltaic effect ） - A. E. Becquerel Prize 1905 A. Einstein Lichtquant - photon, hν mvm2 A） - A. Einstein , 1921 Nobel Prize in physics 1948 J. Bardeen, W. H. Brattain nbsp;Transistor 1949 W. Shockley （ Theory of p-n Junctions ） - W. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain, 1956 Nobel Prize in physics 1954 Daryl M. Chapin, Calvin S. Fuller, Gerald L. Pearson c-Si solar cells 1955 W. B. Cherry PV systems for space satellites - W. B. Cherry Award 1961 W. Shockley and H. J. Queisser nbsp;Limit of Efficiency 1974 P. F. Varadi nbsp;Solarex - c-Si solar cells for terrestrial applications 1981 A. Goetzberger, the founder of FhG-ISE 1980’s M. Green, High efficiency c-Si solar cells 1991 nbsp;M. Grtzel, nbsp;DSSC Dye-sensitized nano-crystalline solar cell 2006 Tsutomu Miyasaka， （ Perovskite， 0.4-2 ） - 3 - 2020-1-2 光 伏 理 论 建 立 与 发 展 1954 nbsp;电 话 机 供 电 需 求 ， 单 晶 硅 太 阳 电 池 研 制 1957 nbsp;卫 星 供 电 （ 苏 联 1957年 、 美 国 58， 法 国 60， 日 本 70， 中 国 71） 1973 nbsp;第 一 次 石 油 危 机 ， 1978第 二 次 ， 太 阳 能 得 到 关 注 1974 nbsp;第 一 家 地 面 用 太 阳 电 池 企 业 Solarex 在 美 国 成 立 1980 nbsp;非 晶 硅 、 多 晶 硅 电 池 1997 nbsp;气 候 大 会 ， 京 都 协 议 书 2007 nbsp;多 晶 硅 电 池 产 量 超 过 单 晶 硅 nbsp; 20世 纪 爱 迪 生 时 代 电 转 光 与 电 气 化 ， 大 量 消 耗 化 石 燃 料 21世 纪 新 能 源 时 代 光 转 电 成 为 发 展 主 旋 律 ， 直 接 利 用 太 阳 能 - 4 - 2020-1-21971年 3月 3日 长 征 一 号 运 载 火 箭 发 射 了 中 国 第 二 颗 人 造 地 球 卫 星 ， 即 “ 实 践 一 号 ” 。 这 是 中 国 “ 实 践 ” 系 列 科学 探 测 与 技 术 试 验 卫 星 中 的 第 一 颗 。 卫 星 星 体 是 直 径 1米 的 近 球 形 72面 体 ， 上 下 半 球 梯 形 平 面 上 各 安 装 了 14块硅 太 阳 电 池 板 ， 共 计 28块 电 池 板 。 我 国 最 早 研 制 的 硅 太 阳 电 池首 先 用 于 “ 实 践 一 号 ” 卫 星我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 廖 显 伯 研 究 院 提 供 资 料 - 5 - 2020-1-2 “ 实 践 一 号 ” 卫 星 采 用 硅 太 阳 电 池 供 电 ， 进 行 了 多 种 空 间 物 理 环 境 参 数 测 量 ， 还 进 行 了 硅 太阳 电 池 供 电 系 统 等 试 验 。 nbsp;“ 实 践 一 号 ” 卫 星 在 太 空 正 常 运 行 了 8年 多 ， 远 超 过 原 定 1年 的 设 计 寿 命 ， 为 中 国 设 计 和 制 造 长寿 命 卫 星 提 供 了 宝 贵 经 验 。 这 在 20世 纪 60年 代 国 外 研 制 的 卫 星 中 也 是 不 多 见 的 。 nbsp;早 在 1965年 前 后 ， 有 关 研 制 单 位 就 对 卫 星 采 用 的 一 些 关 键 技 术 和 部 件 ， 开 展 了 预 研 工 作 ， 并 先后 解 决 了 电 源 系 统 中 太 阳 电 池 片 和 镉 镍 蓄 电 池 的 可 靠 组 合 等 一 系 列 技 术 问 题 。 中 国 科 学 院 半 导 体 研究 所 就 是 早 期 开 展 预 研 工 作 的 单 位 之 一 。我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 廖 显 伯 研 究 院 提 供 资 料 - 6 - 2020-1-2 我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾杭 州 最 有 文 化 城 市 之 一 浙 江 是 光 伏 技 术 与 产 业 发 源 地 之 一 1969年 宁 波 开 始 太 阳 电 池 研 制 中 国 太 阳 能 光 电 研 究 中 心 （ 浙 江 能 源 研 究 所 ） 浙 江 大 学 硅 材 料 国 家 重 点 实 验 室 中 意 太 阳 能 （ 欧 洲 太 阳 能 ） 多 晶 硅 碇 生 产 杭 州 历 史 文 化 名 城 （ 陈 寅 恪 ） 陈 端 生 弹 词 巨 著 再 生 缘 ； 论 再 生 缘 王 国 维 （ 独 立 之 精 神 ， 自 由 之 思 想 ） 陈 三 立 、 陈 衡 恪 墓 园 六 和 塔 下 是 我 家 - 7 - 2020-1-2 我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾 2000年 世 界 累 计 光 伏 装 机 规 模 达 到 1GW， 光 伏 发 展 时 代 来 临 ； 2004年 深 圳 园 博 园 建 成 1MW光 伏 电 站 ， 深 圳 市 政 府 投 资 6188万 ； 2009年 4月 住 建 部 光 电 建 筑 项 目 启 动 ， 拉 开 我 国 光 伏 规 模 推 广 序 幕 ； 2009年 9月 发 改 委 推 出 “ 金 太 阳 工 程 ” 项 目 ， 加 快 光 伏 商 业 化 步 伐 ； 2010年 中 广 核 敦 煌 10 MW地 面 光 伏 电 站 ， 大 型 电 站 建 设 开 始 加 速 ； 2012年 发 改 委 推 出 分 布 式 光 伏 电 站 项 目 ， 加 速 光 伏 在 发 达 地 区 的 发 展 2018年 5月 31日 发 改 委 推 出 所 谓 的 光 伏 “ 531新 政 ” ， 光 伏 发 展 失 控 2018年 工 信 部 “ 智 能 光 伏 产 业 发 展 行 动 计 划 （ 2018-2020） ” - 8 - 2020-1-2 我 国 光 伏 发 展 历 史 回 顾 我 国 光 伏 发 展 五 部 曲 第 一 晶 体 硅 电 池 与 组 件 尚 德 、 天 合 、 英 利 等 第 二 多 晶 硅 片 、 单 晶 硅 片 塞 维 、 隆 基 、 中 环 等 第 三 多 晶 硅 原 料 协 鑫 、 通 威 、 特 变 电 工 、 大 全 等 第 四 光 伏 逆 变 器 与 电 站 建 设 华 为 、 阳 光 、 国 电 投 等 第 五 光 伏 新 技 术 创 新 发 展 智 能 光 伏 、 新 型 电 池 等 - 9 - 2020-1-2 晶 体 硅 太 阳 电 池 技 术 发 展 高 效 晶 体 硅 太 阳 电 池 技 术 美 国 Sunpower 公 司 的 背 电 极 （ IBCInterdigitated Back Contact）电 池 日 本 三 洋 公 司 的 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin-layer） 电 池 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大 学 光 伏 研 究 中 心 nbsp; PERC（ Passivated emitter and rear cell） 、 PERL（ Passivated emitter， rear locally diffused） 、 PERT（ Passivated emitter， rear totally diffused） 电 池 BP公 司 的 刻 槽 埋 栅 Buried contact 电 池 德 国 ISFH的 OECO电 池 、 COSIMA背 接 触 电 池 、 RISE-EW T 电 池 等 德 国 Fraunhofer-ISE的 LFC、 TOPCon 电 池 - 10 - 2020-1-2 硅 片 电 池 结 构 面 积（ cm2） 效 率（ ） 研 发 机 构n型 单 晶 硅 IBC（ Interdigitated Back Contact） 79 26.7 Kanekap型 单 晶 硅 POLO （ Polysilicon on Oxide） junction 4 26.1 ISFHn型 多 晶 硅 TOPCon（ Tunnel Oxide Passivated Contact） 4 22.3 Fraunhofer ISEp型 多 晶 硅 PERC（ Passivated Emitter Rear Cell） 245.83 22.04 Jinko Solar - 11 - 2020-1-2 IBC 电 池 结 构 与 特 点 IBC太 阳 电 池 具 有 较 低 的 电 压 -温 度 系 数 ； 优 越 的 弱 光 工 作 性 能 ； 对 整 个 太 阳 光 谱 上 的 光 线 的 高 灵 敏 度 这 种 电 池 不 但 效 率 高 ， 而 且 温 度 系 数 较 低 ， 只 有 - 0.38％ /℃ ， 所 以 这 种 电 池 很 适 合 于 在 聚 光 下 使 用 。 IBC电 池 正 面 与 背 面 nbsp;常 规 单 晶 硅 电 池 正 面 与 背 面 - 12 - 2020-1-2p-type c-Si Front Ag contactEmitter P-Doped SiBSF Al-Doped SiARC SiNxBack Al/Ag contact p-type c-SiFront Ag contactEmitter P-Doped SiBSF Al-Doped SiARC SiNxBack Al/Ag contactAl2O3/SiNxPERC电 池 比 常 规 结 构 主 要 区 别 背 面 采 用 叠 层 电 介 质 钝 化 层 。注 电 介 质 钝 化 层 不 局 限 于 Al 2O3/SiNx结 构 。 Al-BSF电 池 与 PERC 电 池 对 比 - 13 - 2020-1-2VocmV JscmA/cm2 FF RsΩcm2 RshkΩcm2 Eff726.61.8 42.620.4 84.280.59 0.1 700 26.100.31 nbsp;基 于 p型 硅 片 的 最 高 效 率 为 26.1， UNSW 制 备 的 p-PERL电 池 效 率 为 25， 这 说 明 PERC电 池 还 有很 大 提 升 空 间 ； PERC电 池 进 一 步 效 率 的 提 升 需 要 基 于 各 种 优 化 工 艺 的 叠 加 。 ISFH p-Mono Si - 14 - 2020-1-2 太 阳 电 池 发 展 的 经 验 教 训 认 识 误 区 晶 体 硅 高 耗 能 、 高 污 染 薄 膜 硅 、 带 硅 技 术 相 继 失 败 ， 美 国 1366公 司 的 硅 片 技 术 第 三 代 光 伏 概 念 太 阳 电 池 基 本 特 点 半 导 体 、 p-n 结 、 欧 姆 接 触 这 三 点 没 有 改 变 染 料 敏 化 太 阳 电 池 发 源 地 - 瑞 士 EPFL 硅 薄 膜 太 阳 电 池 中 国 曾 经 是 一 个 大 试 验 场 杜 邦 生 产 太 阳 电 池 的 一 次 尝 试 硅 薄 膜 电 池 染 料 敏 化 、 非 晶 硅 电 池 的 文 章 最 多 ， 但 产 品 没 有 取 得 成 功 钙 钛 矿 太 阳 电 池 发 源 地 日 本 、 韩 国 钙 钛 矿 电 池 目 前 是 研 究 热 点 ， 是 否 能 够 大 规 模 产 业 化 ， 2-3年 内 应 该 见 分 晓 晶 体 硅 太 阳 电 池 被 取 代 估 计 很 难 - 15 - 2020-1-2 新 型 硅 基 异 质 结 太 阳 电 池 基 本 思 路 - 硅 片 是 基 本 材 料 ， 材 料 稳 定 ， 资 源 丰 富 ， 技 术 、 市 场 成 熟 - 没 有 高 温 过 程 ， 节 能 ， 对 硅 片 损 伤 小 - 没 有 扩 散 过 程 ， 不 用 危 险 气 体 、 物 品 - PVD 工 艺 ， 安 全 、 环 保 、 量 产 其 它 材 料 硫 化 物 （ Sulfide CdS, ZnS, In 2S3 nbsp;p-Si 氧 化 物 （ Oxide CrOx, WOx, MoOx n-Si 金 属 /氧 化 物 /金 属 空 穴 选 择 性 接 触 MgFx/Mg/Al 电 子 选 择 性 接 触 等 多 层 膜 结 构 - 16 - 2020-1-2 MLBC太 阳 电 池 的 定 义 及 制 备 工 艺 多 层 膜 背 接 触 Multi-Layer Back Contact, MLBC太 阳 电 池 是 指 ， 空 穴 选 择 性 接 触 或 电 子 选 择 性 接 触 结 构 ， 是 采 用 多 层 薄膜 沉 积 技 术 ， 如 金 属 /氧 化 物 /金 属 为 空 穴 选 择 性 接 触 、 MgFx/Mg/Al为 电 子 选 择 性 接 触 等 多 层 膜 结 构 。 - 17 - 2020-1-2 Reported year Institute A cm2 Hole Electron Front junction 2015 Cambridge 0.11 Graphene Ga/In 15.602016 UC Berkeley amp; EPFL 4 MoOx LiFx/Al 19.422016 SYSU-ISES 4 MoOx/Ag/MoOx Cs2CO3/Al 13.012017 SYSU-ISES 1 MoOx CdS 10.632017 CAS 0.56 PEDOTPS/n-Si TiO2/Al 14.602017 SU 4 PEDOTPS/n-Si BaOH2 8.102018 CAS 0.5 PEDOTPS/n-Si AZO/Al 13.602018 UC Berkeley amp; ANU amp; EPFL 4 MoO x TiO2/LiFx/Al 20.702018 CAS 0.5 PEDOTPS/n-Si SiOx/Mg 15 nbsp; nbsp; IBC2016 UNIST 1.5 MoOx LiFx/Al 15.402016 SYSU-ISES 4 V2Ox Cs2CO3/Al 16.592017 SYSU-ISES 4 V2Ox/Ag/V2Ox LiFx/Al 19.022018 UPC 9 V2Ox Al2O3/TiO2/Mg/Al 19.102018 SYSU-ISES 4 CrOx/Au/CrOx LiFx/Al 16.00 免 掺 杂 选 择 性 接 触 太 阳 电 池 研 究 进 展表 5-1 此 处 免 掺 杂 选 择 性 接 触 材 料 ， 是 指 无 高 温 热 扩 散 、 离 子 注 入 、 气 体 反 应 等 掺 杂 方 式 制 备 p-n结 。 - 18 - 2020-1-2 MLBC太 阳 电 池 制 备 工 艺 与 电 池 实 物 - 19 - 2020-1-2Institute Area cm2 Cell Voc mV Jsc mA/cm2 FF Eff. pFF pEff. This work 4.5 MLBC 718 41.5 74.2 22.1 84 25.0UCB amp; ANU amp; EPFL 4 Front junction 706 38.4 76.2 20.7* - - Intergrated Jsc is 41.4 mA/cm2MLBC太 阳 电 池 器 件 性 能表 nbsp;MLBC太 阳 电 池 器 件 性 能 与 UCB电 池 性 能 的 比 较 。 nbsp;*效 率 20.7， 是 目 前 免 掺 杂 选 择 性 接 触 晶 体 硅 太 阳 电 池 文 献 报 导 的 最 高 纪 录 ； - 20 - 2020-1-2 晶 体 硅 光 伏 组 件 技 术 发 展197519761976197719781979 19801981 19811985 From Flat-Plate Solar Array Projet of the U.S. Department of Energy39;s National Photovoltaics ProgramSENSOR TECHSOLAREXSOLAR POWERSPECTROLAB ARCO SOLARMOTOROLASENSOR TECHSOLAREXSOLAR POWER ARCO SOLARASECG.E.MOTOROLAPHOTOWATTSOLAREXSPIRE ARCO SOLARG.E.MSECSOLAREXSPIRE - 21 - 2020-1-2 晶 体 硅 光 伏 组 件 技 术 发 展 历 史 上 的 太 阳 电 池 企 业 nbsp;Solarex1974 – BP Solar1981-2011 - nbsp;ARCO Solar1977 - Siemens Solar1990-01- Shell Solar2002-06– Solar World时 间 1 9 8 2 1 9 8 5 1 9 9 0 s 1 9 9 7 2 0 1 4生 产 商 ARCO Solar Kyocera BP Solar Siemens Solar BYD质 保 期 5 年 1 0 年 2 0 年 2 5 年 4 0 年 - 22 - 2020-1-2 Solarex旧 组 件 再 利 用 - 23 - 2020-1-2Aus den bisherigen Betriebserfarungen mit Solarstromanlagen liegen heute keine gesicherten Erkenntnisse ber die langfristige Zuverlssigkeit der Modultechnologie vor.Die Wahrheit ist Niemand weiss, wie lange ein Solarmodul wirklich lebt.Was bedeuten denn 1000 Stunden in der Schreckenskammer des Feuchte - Hitze -Tests Damp - Heat -Test bei 85 Grad Celsius und 85 Prozent Luftfeutigkeit - 24 - 2020-1-2 晶 体 硅 光 伏 组 件 技 术 发 展 双 玻 璃 （ 双 面 电 池 ） 、 半 片 （ 减 少 电 损 耗 ） 、 叠 片 （ 增 大 功 率 密 度 ） 交 通 工 具 汽 车 、 船 、 无 人 机 等 需 要 光 伏 组 件 配 套 发 展 光 伏 建 筑 构 件 、 光 伏 建 筑 集 成 应 该 成 为 发 展 方 向 展 示 几 张 图 片 ， 有 了 太 阳 电 池 ， 建 筑 会 更 完 美 太 阳 能 建 筑 应 该 成 为 建 筑 一 种 流 行 形 式 - 25 - 2020-1-2 我 国 光 伏 发 展 很 快 ， 但 在 城市 缺 少 标 志 性 的 光 伏 建 筑 或 造 型， 希 望 江 、 浙 一 带 能 够 出 现 有 文化 、 有 品 位 的 光 伏 建 筑 或 造 型 ，以 便 更 好 地 宣 传 与 展 示 光 伏 技 术的 魅 力 与 我 国 光 伏 发 展 的 奇 迹 。 nbsp;瑞 士 的 太 阳 能 光 伏 风 帆 ， 远 远 看 去 如 同 帆船 的 三 角 帆 ， 迎 风 招 展 。 - 26 - 2020-1-2 nbsp;图 中 是 澳 大 利 亚 悉 尼 港 的 太 阳 能 游 艇 。 在 2000年 7月 以 后 开 始 使 用 ， 悉 尼 奥 运 会 期 间 ， 无 数 的 国 内 外 游 客 登过 此 游 艇 观 光 ， 感 受 新 能 源 的 伟 大 力 量 。 该 游 艇 是 混 合 能 源 系 统 的 设 计 ， 采 用 了 太 阳 能 、 风 能 、 蓄 电 池 、 液 态 天然 气 四 种 能 源 ， 但 以 太 阳 能 为 主 ， 四 种 能 源 可 以 单 独 使 用 ， 也 可 以 结 合 使 用 ， 这 样 就 增 加 了 船 在 各 种 天 气 状 况 下的 运 行 的 稳 定 性 。 太 阳 能 游 船 、 飞 机 、 星 际 旅 行光 伏 发 电 作 为 动 力 将 助 力 地 面 、 水 上 及 天 上 旅 行 nbsp;- 27 - 2020-1-2 nbsp;太 阳 能 飞 机 “太 阳 动 力 ” Solar Impulse 成 功 完 成 首 次 试 飞 ， 创 造 了 26小 时 零 9分 钟 的 不 间断 飞 行 记 录 ， 这 也 是 太 阳 能 飞 机 持 续 时 间 最 长 、 飞 行 高 度 最 高 的 世 界 记 录 。 “太 阳 驱 动 ”飞 机 的翼 展 达 63米 ， 由 4台 电 动 机 驱 动 ， 设 计 用 于 全 天 24小 时 飞 行 。 nbsp;太 阳 能 飞 机 瑞 士 “太 阳 动 力 ” Solar Impulse - 28 - 2020-1-228 光 伏 作 为 建 材 的 应 用建 筑 融 入 光 伏 元 素 ， 建 筑 就 有 了 灵 性 ， 每 天 可 与 太 阳 对 话 瑞 士 生 产 的 太 阳 电 池 建 筑 材 料 光 伏 瓦 片 （ 6片 单 晶 硅 电 池 ） - 29 - 2020-1-2 德 国 ， 太 阳 电 池 组 件 可 作 为 遮 阳 挡 部 件 ， 14.2 kW/p