十二五期间我国太阳电池研究进展

总结 | “十二五 ” 期间我国太阳电池研究进展2016-10-120 引言国家科技部 2012 年 4 月 24 日正式印发 太阳能发电科技发展 “ 十二五 ” 专项规划， 2011～ 2015 年共部署了 14 个项目总计 81 个课题，覆盖了太阳能专项所规划的科技任务。通过 “ 973计划 ” 还重点支持了有机太阳电池、 宽光谱高效薄膜太阳电池和钙钛矿型太阳电池。此外，能源局、基金委和工信部等部门也对太阳电池给予了大力支持。通过 “ 十二五 ” 期间的集中攻关，我国太阳能发电技术水平全面提升，各种太阳电池都取得了快速进展，实现了总体规划目标。1 晶体硅太阳电池的研究进展“ 十二五 ” 期间， 科技部依托英利集团建立 “ 光伏材料与技术国家重点实验室 ” ， 依托天合光能建立 “ 光伏科学与技术国家重点实验室 ” ， 启动了支持我国高效率晶体硅太阳电池研发及产业化的 “ 973计划 ” 和“ 863计划 ” ，使我国的高效晶体硅太阳电池技术得到了极大的推动和发展，在工业化生产晶体硅太阳电池的研发方面走到了世界前列。1.1PERC 太阳电池PERC 电池采用钝化膜钝化背面，取代常规电池的全 Al 背场，从而大幅降低了背面的复合速率。 天合光能在单晶硅和多晶硅电池均实现了量产化的 PERC 电池技术， p 型多晶硅 HoneyPlus 和单晶硅HoneyMPlus 的量产转换效率分别为 18.7 和 20.4 。 2015 年 12月，天合光能采用 PERC 双面钝化技术的 p 型单晶硅电池光电转化效率达到 22.13156 156mm2 ，刷新全球大面积 PERC 电池转换效率世界纪录。晶澳实现量产的 p 型单晶 PERC 电池 PERCIUM ，博秀系列 平均光电转换效率达到 20.4 。 中电电气采用 Al2O3/SiNx背面钝化、离子注入、纳秒或皮秒激光开孔烧结、背面局部金属化等先进工艺， 实现 p 型单晶硅 PERC 电池量产的平均效率超过 20.2 ，实验室最高效率 20.8 。尚德电力的 PERC 电池平均转换效率量产达 20.5 。1.2 薄膜硅 /晶体硅高效异质结太阳电池 HIT薄膜硅 /晶体硅异质结电池工艺具有器件结构简单、制作工艺简单、耗能低等优势。通过实施 “ 863计划 ” MW级薄膜硅 /晶体硅异质结太阳电池产业化关键技术， 天合光能与上海微系统研究所合作， 天合光能的光伏科学与技术国家重点实验室通过对异质结电池各项工艺的优化和整合，研发的 HIT 太阳电池经过日本 JET 第三方测试机构测试， 基于硅片全面积的电池最高转换效率达到 22125 125mm2和 21.3156 156mm2 ， 中试线平均转换效率接近 21。 协鑫集成通过 “ 863计划 ” 的支持也获得了超过 20 的 HIT 异质结太阳电池。 汉能在厚度约 100μm 的硅片上，得到了转换效率为 20.44 的可弯曲HIT 电池。 赛昂电力的隧道效应异质结型高效太阳电池大幅提高了转换效率和实际工况下发电能力等特性， 实验室转换效率为 22.1 ， 量产转换效率为 21.4 。1.3 背电极接触 IBC 太阳电池IBC 电池受光面无电极， 正负两极金属栅线呈指状交叉排列于电池背面， 因此具有更高的短路电流， 是目前实现高效晶体硅电池的技术方向之一。 2013 年，海润光伏报道了其研发的 IBC 电池效率达到19.6 。 2012 年， 天合光能承担国家 “ 863计划 ” 效率 20以上低成本晶体硅电池产业化成套关键技术研究及示范生产线； 经过科研人员的不懈努力， 2014 年，澳大利亚国立大学与常州天合光能有限公司合作研发的小面积 IBC 电池效率达 24.4 ，创下了当时 IBC 结构电池效率的世界纪录； 同年， 由常州天合光能光伏科学与技术国家重点实验室独立研发的 6 英寸大面积 IBC 电池效率已达 22.9 ，成为 6 英寸 IBC 电池的最高转换效率； 2015 年天合光能在工业级 6 英寸晶体硅电池中试生产线做出了平均大于 22、 最高 23.4 内部测试 的结果 SunPower 电池为 5 英寸 。1.4PANDA 太阳电池PANDA 电池是 n 型单晶硅双面发电高效率、低成本太阳电池的典型代表，具有几大技术优势领先的光电转化效率；初始光衰减几乎为零； 优异的高温特性， 温度系数比传统组件低 6～ 9， 尤其适用于高温地区；优异的弱光特性；独特的双面发电功能。 2015 年英利使用 n 型 CZ-Si 片、 硅片面积为 239cm2 的 PANDA 电池效率达到了 21.1 ，大规模生产效率为 20.5 。1.5n-PERT 双面太阳电池钝化发射极背表面全扩散 PERT 电池是一种典型的以 n 型硅片制造的双面电池。 2015 年航天机电在日本国际光伏会展 PVEXPO 期间全球首发的 MilkyWay“ 银河 ” 产品，也是基于自主研发的 n 型高效PERT 电池技术 改进型的 PERT 双面电池 ， 经新加坡 SERIS 确认，平均转换效率达 20.8 ，最高超过 21。2 薄膜太阳电池的研究进展2.1 硅基薄膜太阳电池进展2.1.1 小面积硅薄膜太阳电池在 “ 863计划 ” 支持下， 南开大学采用 MOCVD 技术在玻璃衬底上制备绒面掺硼 ZnO，研制出高电导率、宽带隙的 p 型纳米硅氧窗口层， 采用低激活能和较低缺陷态密度的本征非晶硅氧材料作为缓冲层，引入氢等离子体处理方法， 单结非晶硅电池效率进一步提高至 11.3 。与微晶硅底电池相结合， 并通过调节 n 型微晶硅氧中间反射层的厚度，获得了效率达到 13.65 的非晶硅 /微晶硅叠层电池。在 “ 973计划 ” 支持下， 南开大学采用溅射后腐蚀的掺铝 ZnO 作为衬底，采用 p-nano-SiCH 接触层及宽带隙 i-a-SiCH 缓冲层，使 pin型单结非晶硅电池的 Voc 提高到 1.01V； n-μc -SiOxH 既可以提高电池长波段的量子效率， 又可以通过控制纵横电导来降低太阳电池漏电流，从而显著提高电池的填充因子，最终 pin 型单结非晶硅锗太阳电池效率达到 11.45 。对于单结微晶硅电池，获得较佳的光吸收横纵向特征尺寸， 对本征层采用氢稀释梯度设计来调整本征层材料纵向微结构， 采用 n 型微晶硅氧材料作为掺杂层来降低电池的漏电流， 在 i/n界面插入 a-SiH 缓冲层降低了界面复合，最终，单结微晶硅电池效率达到 10.59 。通过在中 /底子电池插入 n-μc -SiOxH 中间反射层，并进行光谱重分配以实现更佳的电流匹配， 并设计出了低电学损失的隧穿复合结结构，最终获得了初始效率达 16.07 的a-SiH/a- SiGeH/ μc -SiH 三结叠层电池。 南开大学与上海空间电源研究所合作承担 “ 863计划 ” ， 南开大学不锈钢柔性衬底单结 a-SiH 电池效率达 10.8 ，单结 a-SiGeH 电池的效率达到 10.15 ，a-SiH/a-SiGeH/a-SiGeH 三结叠层电池的效率达到 13.39 ；上海空间电源研究所 35cm 59cm 电池组件效率达到 8.3，中试线产能1MW 。2.1.2 硅基薄膜太阳电池产业化技术研发在 “ 863计划 ” 支持下，正泰太阳能在 TCO 优化、新型氧化物掺杂层的引入、弱光效应、温度系数改善等方面取得显著进步，使正泰太阳能量产非晶硅 /微晶硅叠层电池的稳定全面积效率超过 10。在“ 十二五 ”“ 863计划 ” 的支持下，四川汉能科技有限公司在规模化硅薄膜太阳电池生产线上生产的非晶硅 /微晶硅叠层光伏组件稳定效率超过了 10认证效率 。2.2CIGS 薄膜电池技术进展2.2.1 小面积太阳电池研究在小面积 CIGS 电池方面，神华集团北京低碳清洁能源研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、 清华大学材料学院和河北大学省光电信息材料重点实验室都做出了出色的工作。 中国科学院深圳先进技术研究院通过调整三步法工艺中 Ga 的空间梯度分布， 优化 CIGS结晶质量，抑制晶体内部缺陷及界面缺陷，成功将玻璃基底的 CIGS薄膜太阳电池器件效率提高到 20.18Voc700mV ， FF79 ，Jsc36.5mV/cm2 。 中国电子科技集团第十八研究所引进国外进口的卷对卷物理气相沉积系统，制备 2.64cm2 全面积 PI 衬底柔性 CIGS薄膜太阳电池效率达到 11， PI 衬底 100cm2 柔性 CIGS 薄膜电池组件效率超过 8。2.2.2CIGS 的产业化进展汉能在广东河源引进了 Miasole 的生产线，并于 2015 年完成了工艺调试。 同年 5 月， 台积电在台中采用溅射后硒化工艺方法成功生产出商用规格 面积 1.09m2 的 CIGS 组件，创造了产线大面积组件转换效率 16.5 的世界纪录，并通过了 T VS D 的认证。中国建材蚌埠玻璃工业设计研究院于 2014 年收购了德国 CIGS 组件制造商Avancis ； 2015 年 9 月，中建材凯胜科技集团公司 1.5GW 铜铟镓硒薄膜太阳电池项目在安徽蚌埠开工建设。2.2.3 铜锌锡硫 /硒薄膜太阳电池技术进展南开大学采用溅射后硒化法制备铜锌锡硒 CZTSe 材料， 研究了不同成分对材料及器件结构和性能的影响，在无减反膜的情况下，CZTSe 电池效率达 10.4 。此外，采用脉冲电沉积 Cu/Sn/Zn 叠层金属预制层， 对金属预制层的形貌和杂质得到了有效控制， 通过后续SeSnSe 气氛热处理获得较高质量的 CZTSe 薄膜，转换效率达8.62 由信息产业化学物理电源产品质量监督检验中心认证 。2.3 国内碲化镉薄膜太阳电池的发展状况国内主要有 3 个单位进行小面积碲化镉薄膜太阳电池方面的研究 中科院电工所采用的技术路线是溅射， 最高效率为 13.3 ； 中国科技大学主要采用近空间升华法， 最高效率为 14.7 ； 四川大学采用的主要技术路线先为近空间升华技术， 后又发展了蒸汽输运技术， 研究了新型复合窗口层结构对电池光子吸收和收集的影响， 以及多种背接触材料和退火工艺对电池性能的影响，最高效率达到 16.28 。产业化技术方面， 通过 2015 年对设备、 工艺和管理的继续优化，龙焱自主开发的 30MW 碲化镉薄膜光伏组件生产线已实现连续生产5 天 5 夜稳定量产的目标，组件输出功率超过 87W。 2015 年，龙焱作为主要承担单位与中科院电工所、 广东先导稀材公司一起承担了国家 “ 十二五 ”“ 863计划 ” 有关碲化镉薄膜太阳电池技术产业化的项目，并已完成了第一年的研究目标小面积电池效率超过 15， 0.72m2组件平均效率超过 12.3 。3 新型太阳电池研究进展除了上述主流太阳电池外，科技部通过 “ 863计划 ” 新型太阳电池中试及前沿技术研究对新型光伏材料与器件进行了支持，共包括 28个课题，取得良好效果。3.1 钙钛矿太阳电池复旦大学利用 NH4Cl 有效地促进形成均匀的钙钛矿薄膜，效率达到 9.32 。 河北大学利用改进的蒸汽辅助溶液加工法， 生成大晶粒钙钛矿薄膜，效率达到 14.01 。青岛生物能源与过程研究所利用甲胺蒸汽诱导缺陷生长法制备出均一的钙钛矿薄膜，器件的效率达到15.1 。 上海交通大学通过可调控的添加剂方法实现前体膜的预膨胀，从而有效调控了钙钛矿结晶的颗粒大小和形貌， 制备的平面型钙钛矿电池的效率可以提高到 17以上。陕西师范大学 /大连化物所团队通过磁控溅射在低温制备了高致密 TiO2 薄膜，基于此电子传输层的柔性电池效率远远超过之前世界纪录，达到 15.07 ，刚性平面电池的效率达到 19.4 。武汉大学采用溶液法在较低温度下制备的 SnO2电子传输层，效率达到 17.21 。韩礼元教授团队通过对 TiO2 进行重掺杂 Nb，提高电子传输层的导电性及电子迁移率，制备了大面积钙钛矿电池， 认证效率达到 15， 且光照 1000h 保持良好的稳定性，衰减在 10以内。厦门大学用具有较强的疏水性六苯并蒄衍生物作为空穴传输材料， 器件的稳定性得到了一定的提升， 通过掺杂石墨烯，效率达到 14。清华大学利用氧化石墨烯作为空穴传输层，将其掺杂在 spiro-OMeTAD 中，使效率进一步提升到 13.33 。中国科学院物理研究所利用石墨炔对 P3HT 空穴传输材料进行掺杂， 发现较强的光散射性质，增加了长波范围的光吸收，效率达到 14.58 。另外， 华中科技大学对可印刷介观钙钛矿太阳电池开展了全面的优化工作， 进一步将器件的光电转换效率提升至 15.6 ； 且具有良好的热稳定性和光照稳定性， 在 80～ 85℃条件下， 稳定工作超过 2000h ；在最大功率输出条件下，稳定工作超过 1000h ，衰减在 1以内。在大面积方面，华中科技大学制作了面积达到 6m2 的无空穴传输材料型可印刷介观钙钛矿太阳电池板， 这是国际上首次实现无空穴传输材料型可印刷介观钙钛矿太阳电池大面积组件， 显示出良好的稳定性和应用前景。合肥物质科学研究院应用技术研究所以 BaSnO3 钙钛矿材料为钙钛矿电池骨架层制备了全钙钛矿结构新型电池， 电池效率超过 12。以 CuInS2 量子点材料为空穴传输层制备钙钛矿 -量子点叠层电池，电池效率超过 10。南开大学在平面 nip 型钙钛矿太阳电池方面也取得了重要进展，基于传统 TiO2 电子传输层的表面改性，钙钛矿单结太阳电池的初始效率超过了 17，外量子效率标定后效率超过 16。基于钙钛矿和硅构建的四端叠层太阳电池的效率达到了 14.8 。3.2 染料敏化太阳电池技术现状与进展染料敏化太阳电池在过去的一年中取得了长足的进步。 在新型光敏有机染料方面， 中国科学院长春应用化学研究所设计制备出系列具有自主知识产权的新型 “ 强分子内电荷转移型 ” PAH类给受体有机染料； 使用 C275 染料制备出效率达 12.5 的染料敏化太阳电池； 基于能隙更小的 C281 染料的电池转换效率达 13.0 ；该团队使用 C283窄能隙染料与 C275 宽能隙染料制备的器件的功率转换效率达到15.1 。在纳晶半导体方面， 中国科学院合肥物质科学研究院团队采用两步法合成了 TiO2 亚微米球，并将其制备成太阳电池，最终通过优化得到了 11.11 的高光电转换效率；面积为 300cm2 的电池，经国家光伏产品质量监督检验中心检测，光电转换效率达到 10.11 。3.3 有机薄膜太阳电池技术现状与进展单结太阳电池在有机太阳电池中占有主导地位。 HuaweiHu 等制备了新型聚合物材料 PffBT-T31,2-2 ， 电池效率达到 10.7 。 BinKan等合成了新型小分子材料 DR3TSBDT ，并通过热退火和溶剂退火的处理方法使基于 DR3TSBDT 的单结电池转换效率达到 9.95 。ZhaoyangYao 等制备了新型非富勒烯受体材料， 转换效率突破 10。2015 年年初， 华南理工的曹庸小组报道了基于 PTB7-Th 的反型结构的聚合物太阳电池，光电转化效率 IPCE 为 10.61 。3.4 量子点太阳电池技术现状与进展量子点太阳电池主要分为异质结量子点太阳电池、量子点 -聚合物杂化太阳电池、 量子点敏化太阳电池。 华东理工大学钟新华课题组对 SILAR 生长 ZnS 进行了系统的研究，并将 SiO2 引入该体系，进一步提高了电池的性能。该课题组发现，在包覆 ZnS 之前预先在光阳极表面包覆一层 TiO2 无定型层，能够进一步提升电池性能，并且获得了 9.0 的认证最高效率。3.5 中间带太阳电池技术现状与进展中国科学院大学在硅基中间带材料方面进行了大量的基础研究工作，根据中间带材料特点，初步设计了 N-IB-P 电池结构，观察到了预想中的电池量子效率长波响应增加的现象； 对 Co 和 Ti 超高浓度掺杂硅的电子态特征、能带结构进行了系统研究。4 聚光与高效太阳电池研发进展我国已经形成了完整的聚光光伏产业链， 且发电项目装机量在国际上名列前茅。 截至 2015 年 6 月， 全球聚光光伏总装机容量 已接入电网的 约为 340MW 。 其中， 我国大陆的聚光光伏电站装机容量约为155MW ，约占全球总量的 45。厦门乾照光电所研发的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge 三结聚光太阳电池芯片在 500 倍聚光条件下的效率可达 40以上。倒装外延生长是目前晶格失配太阳电池的主流技术，工艺相对成熟，且已获得三结电池中的最高转换效率。在 500～2800 倍的光照强度下，三安光电所研发的小尺寸 2.09 2.09mm2晶格失配 GaInP/GaAs/GaInAs 三结聚光太阳电池芯片转换效率大于44；在 1484 倍时，效率达到最大值 44.9 。由于高效 GaAs 薄膜太阳电池领域的设备及技术独特性， 进行研发的研究机构及企业较少。 2015 年，国电科环三结薄膜电池的效率达到 34.5 。 天津十八所在 2015 年第十五届中国光伏学术年会上报道了其采用 MOCVD 外延生长， 通过键合剥离技术实现外延层转移，获得了较高的电池效率； 尺寸为 4 6cm2 的 GaInP/GaAs/Ge 三结电池未经第三方认证的效率为 30.2 ，功率重量比为 1600W/kg 。汉能薄膜发电于 2015 年收购了 AltaDevices 的砷化镓 GaAs 柔性薄膜技术，其单结电池片发电效率为 28.8 ，双结电池片发电效率可高达30.8 ，为世界上最领先的薄膜太阳电池技术之一。5 总结“ 十二五 ” 期间，在科技部、能源局、基金委、工信部等相关部门的大力支持下， 我国在太阳电池的研究领域取得了迅速的进展， 缩小了与国际水平的整体差距，个别领域达到国际领先水平。整体而言，我国目前是光伏生产大国，但还不是强国。希望在 “ 十三五 ” 期间，有关部门能够继续加大支持力度， 力争使我国在太阳电池领域早日达到国际领先水平。