沈辉教授--光伏发展评述与未来展望

- 0 - 2019/11/22 光伏发展评述与未来展望 沈 辉 2019 .11. 21 - 1 - 2019/11/22 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 - 2019/11/22 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 mv m2 A） - A. Einstein , 1921 Nobel Prize in physics 1948 J. Bardeen, W. H. Brattain 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 Limit of Efficiency 1974 P. F. Varadi 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 M. Grtzel, DSSC Dye-sensitized nano-crystalline solar cell 2006 Tsutomu Miyasaka，（ Perovskite， 0.4-2 ） - 3 - 2019/11/22 光伏理论建立与发展 1954 电话机供电需求，单晶硅太阳电池研制 1957 卫星供电（苏联 1957年、美国 58，法国 60，日本 70，中国 71） 1973 第一次石油危机， 1978第二次，太阳能得到关注 1974 第一家地面用太阳电池企业 Solarex 在美国成立 1980 非晶硅、多晶硅电池 1997 气候大会， 京都协议书 2007 多晶硅电池产量超过单晶硅 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 - 2019/11/22 1971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 - 2019/11/22 “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。 “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。 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 - 2019/11/22 我国光伏发展历史回顾 广东也是光伏产业的重要发源地之一 深圳大明 - 最早的晶体硅太阳电池工厂 深圳宇康 – 最早的非晶硅太阳电池工厂 深圳珈伟，本世纪初我国最大的光伏企业。 2005年之前广东的太阳能灯具产品对太阳电池产业发展有 一定的拉动，出口欧美，占据最大份额 2004年建成的深圳园博园 1 MW光伏电站，当时的国内最大 广州儒兴科技，国际最大的晶体硅太阳电池电子浆料厂 深圳捷佳伟创，我国最大的太阳电池制造设备企业，上市公司 华为，世界最大 的光伏逆变器制造商之一， 智能光伏倡导者 但后来，广东省 的一些领导 反对晶体硅电池产业，因此广东失去发展机会 。 广东最新发展动态爱旭上市，发展迅猛；深圳勤诚达已经成为江苏亿晶最大股东。 - 7 - 2019/11/22 我国光伏发展历史回顾 浙江是中国光 伏技术与产业 发源地之一 1969年宁波太阳能公司开始太阳电池研制 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 杭州的西湖大学 中国大学的希望 杭州 – 最有文化城市之一 陈端生弹词鸿篇巨著 再生缘 ； 王国维、马一浮、李叔同等； 陈寅恪六和塔下是我家（陈三立、陈衡恪墓园） - 8 - 2019/11/22 我国光伏发展历史回顾 光伏产业有趣的现象各领风骚 2-3年 目前规模最大与盈利最强的公司 西安隆基、四川通威 近期发展速度最快的公司 广东爱旭、浙江东方日升、江苏润阳等 神华、中建材等央企大力挺进薄膜太阳电池产业 - 9 - 2019/11/22 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）” - 10 - 2019/11/22 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 - 11 - 2019/11/22 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（ IBC Interdigitated 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 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-EWT 电池等 德国 Fraunhofer-ISE的 LFC、 TOPCon 电池 - 12 - 2019/11/22 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 Kaneka p型单晶硅 POLO （ Polysilicon on Oxide） junction 4 26.1 ISFH n型多晶硅 TOPCon （ Tunnel Oxide Passivated Contact） 4 22.3 Fraunhofer ISE p型多晶硅 PERC（ Passivated Emitter Rear Cell） 245.83 22.04 Jinko Solar - 13 - 2019/11/22 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 常规 单 晶硅电池正面与背面 - 14 - 2019/11/22 p-type c-Si Front Ag contact Emitter P-Doped Si BSF Al-Doped Si ARC SiNx Back Al/Ag contact p-type c-Si Front Ag contact Emitter P-Doped Si BSF Al-Doped Si ARC SiNx Back Al/Ag contact Al2O3/SiNx PERC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 Al2O3/SiNx结构。 Al-BSF电池与 PERC 电池对比 - 15 - 2019/11/22 VocmV JscmA/cm2 FF RsΩcm2 RshkΩcm2 Eff 726.61.8 42.620.4 84.280.59 0.1 700 26.100.31 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 - 16 - 2019/11/22 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 - 17 - 2019/11/22 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, In2S3 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 - 18 - 2019/11/22 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 。 - 19 - 2019/11/22 Reported year Institute A cm2 Hole Electron Front junction 2015 Cambridge 0.11 Graphene Ga/In 15.60 2016 UC Berkeley EPFL 4 MoOx LiFx/Al 19.42 2016 SYSU-ISES 4 MoOx/Ag/MoOx Cs2CO3/Al 13.01 2017 SYSU-ISES 1 MoOx CdS 10.63 2017 CAS 0.56 PEDOTPS/n-Si TiO2/Al 14.60 2017 SU 4 PEDOTPS/n-Si BaOH2 8.10 2018 CAS 0.5 PEDOTPS/n-Si AZO/Al 13.60 2018 UC Berkeley ANU EPFL 4 MoOx TiO2/LiFx/Al 20.70 2018 CAS 0.5 PEDOTPS/n-Si SiOx/Mg 15 IBC 2016 UNIST 1.5 MoOx LiFx/Al 15.40 2016 SYSU-ISES 4 V2Ox Cs2CO3/Al 16.59 2017 SYSU-ISES 4 V2Ox/Ag/V2Ox LiFx/Al 19.02 2018 UPC 9 V2Ox Al2O3/TiO2/Mg/Al 19.10 2018 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 - 20 - 2019/11/22 MLBC太阳电池制备工艺与电池实物 - 21 - 2019/11/22 Institute 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 25.0 UCB ANU EPFL 4 Front junction 706 38.4 76.2 20.7* - - Intergrated Jsc is 41.4 mA/cm2 MLBC太阳电池器件性能 表 MLBC太阳电池器件性能与 UCB电池性能的 比较 *效率 20.7， 是那时免 掺杂选择性接触晶体硅太阳电池文献报导的最高 纪录 - 22 - 2019/11/22 晶体硅光伏组件技术发展 19751976 19761977 19781979 19801981 19811985 From Flat-Plate Solar Array Projet of the U.S. Department of Energys National Photovoltaics Program SENSOR TECH SOLAREX SOLAR POWER SPECTROLAB ARCO SOLAR MOTOROLA SENSOR TECH SOLAREX SOLAR POWER ARCO SOLAR ASEC G.E. MOTOROLA PHOTOWATT SOLAREX SPIRE ARCO SOLAR G.E. MSEC SOLAREX SPIRE - 23 - 2019/11/22 晶体硅光伏组件技术发展 历史上的太阳电池企业 Solarex1974 – BP Solar1981-2011 - ARCO Solar1977 - Siemens Solar1990-01- Shell Solar2002-06– Solar World 时间 1982 1985 1990s 1997 2014 生产商 ARCO Solar Kyocera BP Solar Siemens Solar BYD 质保期 5年 10年 20年 25年 40年 - 24 - 2019/11/22 Solarex旧组件再利用 - 25 - 2019/11/22 Aus 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 - 26 - 2019/11/22 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 - 27 - 2019/11/22 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。 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。 - 28 - 2019/11/22 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 - 29 - 2019/11/22 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。 太阳能飞机 瑞士 “太阳 动力 ” Solar Impulse