太阳电池技术--近来与未来三年的创新发展周浪

太阳电池技术：近来与未来三年的创新发展,南昌大学光伏研究院,周 浪 黄海宾,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池 化合物太阳电池 产线装备国产化进展,光伏业已成为一个中国主导的行业,产业规模：从高纯硅料、晶体生长、切片、电池、组件到发电系统配套设备制造和发电项目工程。。。团体冠军，全部单项冠军！而且是大大拉开亚军的冠军；还未包括台湾… 应用市场规模：连续五年世界最大！ 产业技术：产线装备已全面国产化；多晶硅、单晶硅太阳电池及组件量产产品效率水平世界记录保持者；世界光伏产业技术方向的决定者,技术创新上有否主导 ？,责无旁贷，应该主导！ -- 需求和收益都在我们自己身上；-- 生存危机。我们不能指望可以永远守摊 “拿来”和自创兼而有之（例：PERC、高效多晶硅、隆基单晶硅） 中国主导的光伏技术创新将渐成主流… 德日的汽车、美国的IT、中国的光伏 … —— 看得见的未来,光伏业的新时代？,回首十年发展，光伏电力大致经历了三个阶段: 示范阶段：政府出钱，公共所有，形象为主，无需关心产出。 花瓶、玩角… 补贴赢利阶段：政府补贴收购发电产出，各方投入，多发多赚，对质量提升始有实质关心、推动，技术关注从转换效率转到更科学全面的年度发电量。。。但仍只是配角：不能独立承担任何电力需求！可有可无！ 主角阶段：刚刚开始 真正生命力所在！第二阶段即使走到无需补贴也能赢利，也是没有生命力的！,主角 ？,主流电力供应中的主角：以光伏为主，其它电力，包括火电，为辅的微电网 ！需要机动性强的火力发电配套 属于光伏的独立应用市场：光伏直流充电站。每百万辆汽车需～3GWp光伏电力供电 可移动电力……-- 当然这个主角几乎永离不开另一个主角：储电技术,,光伏电力可以担当主角的时代，将是光伏业的新时代 —— 能够将全体光伏业界带向光明未来的时代！这样的时代方能赋予光伏技术创新动力、价值和意义！,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池 化合物太阳电池 产线装备国产化进展,直接生长法硅片,直接从硅熔体中长出薄硅片,优势和劣势都不言自明。曾有多种巧妙方式，一些也走到过小批量生产，但都一一告败……美国MIT前赴后继，最后有一家眼看要冲入光伏产业圈…,Next Breakthrough in Crystallization 1366：晶体生长新突破,Direct Wafer® Process 直接硅片® 工艺 (2009),Advanced manufacturing 先进制造工艺 Delivers lowest LCOE 造就最低的LCOE ½ Cost 成本 ⅓ Energy 能耗 2x Si yield 硅利用率,引自1366 tech公司报告,10,,Better Process Yields a Superior Product 工艺先进，产品自然优良,成本更低: 可望低于20美分每片 Higher Efficiency 效率更高 Ideal wafer for PERC 理想的PERC硅片 Enables thin (3D) 3D薄片 Uniform back surface field 背电场更均匀 Increased lateral conductivity 横向导电率高 Low resistivity without Irev 电阻率可以更低,11,引自1366公司报告,12,A STEEPER LEARNING CURVE 直接硅片：更快速的效率提升,铸造单晶硅,将单晶硅块作为籽晶置于铸锭坩埚底部，在定向凝固条件下生长单晶。比直拉单晶硅成本更低，比铸造多晶硅电性更好… 三十多年的鸡肋，技术难度高，已经两起两落… 业界的第三次冲击已经启动。 技术难点：边沿杂晶；位错密度高， 特别是接缝处。,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池 化合物太阳电池 产线装备国产化进展,金刚石线锯切割硅片技术,单晶硅：fine. 快、产率高、成本低、质量高、环保 多晶硅：常规湿法制绒不兼容；切割断线率相对高  命悬一线 ！-- 湿法黑硅技术再获新生-- 干法黑硅（RIE）技术再获青睐-- 微液滴技术、机械辅助技术… 研发中多晶硅金刚石线锯切片已是大势所趋…,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池技术创新 化合物太阳电池 产线装备国产化进展,,十年前就被光伏学界认为已近成熟、无发展空间、不堪平价上网大任的硅片光伏技术，在中国光伏业的热土上涅槃重生！,“世界光伏之父”马丁格林教授2009年12月访问光伏学院，谈及“马丁”圈……,,,Thin-film,,Bulk,,,且看 “马丁圈”…,迄止2006年硅晶太阳电池组件产量与成本的演变,后期产量的剧增没有使成本降低 ！Source: BP Solar 2006,发电量，峰兆瓦,2005年美元价,对“马丁圈”的实证 ！,,,Thin-film,,Bulk,,,,,再看 “马丁圈”-- 硅晶光伏技术的惊人进展 中国贡献！,,US$0.84/Wp,2012年5月,,US$1.4/Wp 2011年6月,今日晶硅组件价格：US$ 0.3/Wp ！,,2017年11月,今天“平价上网”（Grid Parity）基本上已不是主要话题。在世界许多地区，光伏电力已成为最便宜的电力… 成本高峰越过之后，更高的山峰呈现 —— 稳定性问题（独立性问题）！需联手储电技术或氢能技术攀越！ 另一个话题,硅片光伏业走到这一步，经历了无数技术和非技术努力… 以下选介两项主要的电池技术创新。 主要技术创新的一个共同特点是 以追求更高性能为先导目标，继之以降低成本…PERC 太阳电池技术 n型双面太阳电池技术（HAC，n-PERT）,常规太阳电池结构特征,至为精妙的设计！,近年来主要技术进步： 电池技术方面： 发射极高方阻—减少复合损耗 栅线：细、密细栅线—减少遮光、减少发射极串联电阻 主栅：多主栅---减少串联电阻；镂空主栅—减少Ag浆用量 二次印刷：减少串联电阻 高效Ag浆：与上述几项技术配套 钝化层：多层氮化硅—提高减反射效果、抗PID 制绒：黑硅技术 （多晶硅） 硅片技术方面： 金刚线切片---适用单晶和多晶，减少损耗，提效降本； 高效多晶、大尺寸多晶硅—提高效率、降低成本 单晶的连续加料技术---节省大量成本 西门子法的闭环制造改造---节省成本，减少副产物 组件技术方面： 双玻组件、Smartwire、瓦连、反光焊带、抗PID等,电池效率平均每年提高~0.5%（绝对值）已有十年 电池组件的价格由三年前的~￥8/Wp,降到了现在的~￥3/Wp,PERC（passivated emitter and rear contact）电池 正面与常规电池完全相同 加强背面钝化，放弃低成本的Al-BSF，以Al2O3/SiNx膜钝化 以激光开孔技术或特殊铝浆破开背面钝化膜，印刷铝背电极一个从研究到产业化的漫长故事： - 实验室出炉（M.Green, APL） 后近三十年 … 近三年来基本由 中国光伏业发展成为有竞争力的 量产光伏发电产品。 目前规模还在扩大。是第一 种规模化地部分替代常规电池的 高效电池产品。,近年来发展概况：中试到量产 解决了电池背表面钝化技术—Al2O3+SiNx钝化，尤其是Al2O3的大面积制备的技术难题：先期为ALD沉积，后来又发展了PECVD 器件制备技术的大部分与现有产线兼容，改造增加部分设备。 单晶电池效率增加1-2.5%；多晶电池增加0.6-2% 目前已有约10 GW的产能； 单晶最高达22.5%，多晶 21% ！问题：光衰减相比于Al-BSF电池更加严重（Al-BSF结构~2-3%； PERC电池~5%）; … ? (如果其市场总需依赖领跑者计划） 已有光辅助加热等后处理方式缓解，但未彻底解决 目前对其衰减的机理认识尚在进步中，未能彻底明晰。,n型硅衬底双面太阳电池,p型硅 与 n型硅 太阳电池基本情况,双面进光电池的优势,双面电池双玻组件年发电量增益 草地：3% 沙地&屋顶：10% 水面：15% 雪地：20% 严重降雪地区：普通组件被覆盖失效，双面组件因背面发电维持板面发热融雪，继续双面发电！,n-PERT（passivated emitter and rear totally diffused）概念和结构 采用n型硅片 正面结构类似，只是由n型扩散掺杂改为p型 背面以n型扩散掺杂BSF代替外延生长Al-BSF, 并覆钝化膜 背面也印刷栅线 双面进光，发电量更高；正面效率20.5-21.0%，仍有提升空间,近年来发展概况：中试到小批量产（100MW级）阶段 ~2010年前后英利公司与荷兰ECN合作研发的“熊猫电池” 2014年，航天机电集团再度推出，配合双玻组件技术，大大提高了电池的实际发电量，根据应用环境不同，发电量多出5-20%。 2015年，中来公司投产、扩产中, 电池效率21.5% 晶科、中利腾晖、天合等一线企业积极研发跟进,目前概况及发展趋势： p型发射极、n型背场层的扩散制结技术—目前的技术要点和难点 技术进步路线、器件结构设计方面的基础研究配套的Ag-Al浆（p型发射极面用）、双玻组件等方面,n-PERT扩散制结技术路线简介：,n-HAC（heterojunction of amorphous Si and crystalline Si）概念和结构 非晶硅/晶体硅-异质结 - --- Voc一举提高50mV 可双面对称结构（HIT），双面进光 低温制备技术路线，与现有产线完全不兼容 单面效率最高24.7%（HIT）,近年来发展概况：实验室不断进步，产业规模不断扩大 2011年前，日本Panasonic（原Sanyo）一枝独秀，各国距离甚大 2011年中国两项“863”项目立项，开始了以中试为目标技术研发 2013-15，中国杭州赛昂、嘉兴上彭、宜兴国电有小规模试产（其中赛昂后由特斯拉收购，迁至美国实施量产） 2014年，日本Panasonic创造新的效率纪录24.7%，宣布扩产至1GW 2017，国内多家电池效率接近23.0%，多家公司始投资小规模量产,难题：量产的稳定性、辅材的国产化,,目前概况及发展趋势： 生产技术的成熟、原辅材料的进步 新结构（包括组件结构）新工艺的进一步发展 a-SiOx:H代替a-Si:H作为钝化层；低温浆料的改进；焊带or导电胶带 热丝CVD取代制备本征、掺杂a-Si:H膜；磁控溅射 or RPD的选择 无主栅+smart wire技术；发射极结构的改进（双层发射极）；扩散c-Si背场结构；（ 南昌大学光伏研究院三项技术开发）,- 扩散c-Si背场-HAC 增加短波相应 减少串阻 利用现有常规产线、省除一面TCO膜  降低成本,HAC at IPV: From Lab to Fab ……,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池技术创新 化合物太阳电池技术创新 产线装备国产化进展,钙钛矿型化合物太阳电池,钙钛矿太阳能电池效率进展,,引自 刘生忠,,材料、工艺和产线装备有很大潜在成本优势 柔性优势 稳定性问题的解决有进展 连续产线技术有进展 产业化布局已经开始 ！,溶液法的问题：pinholes, poor uniformity 双源共蒸法制备高效稳定MA1-xCsxPbI3 薄膜和电池 Nanoscale. 2017,,Superior stability for perovskite solar cells w/ >20% efficiency using vacuum co-evaporation,引自 刘生忠,柔性钙钛矿器件效率提升工作,,引自：刘生忠,柔性太阳电池的优势,轻质 柔性 耐损伤,器件结构可靠，具有抗损坏能力。 枪击后电池性能损失仅限于子弹洞。,,引自：刘生忠 教授,,碲化镉太阳电池,引自 First Solar,全球安装总量逾 18 GW,,引自 First Solar,碲化镉带隙较为接近最佳值，电池理论极限效率高于晶硅电池,,,,,引自 First Solar,中国已密切跟进碲化镉太阳电池技术,杭州龙焱：全面自主，包括产线，规模尚较小 中建材：德国技术及产线，100 MWp … 与First Solar尚有较大差距,报告提纲,新时代的光伏 vs 光伏的新时代 材料创新 工艺创新 硅片太阳电池技术创新 化合物太阳电池技术创新 产线装备国产化进展,,产线装备是产业技术的载体、核心，没有装备不成其为技术…,装备发展中国光伏业发展故事的最精彩部分……,单晶硅CZ炉：基础良好，占领市场 多晶硅定向凝固炉：从无到有，三年占领市场 多线切割机：借金刚石线锯“弯道超车”，2015占领市场 PECVD、扩散炉、制绒：从无到有，三年质量相近，占领70%以上市场 电极印刷、烧结线：从无到有，八年质量相近，占领50%左右市场，进口价大幅下跌（科龙威、麦威） RIE制绒线：2015推出国产 （比太阳光） HAC电池线（基于PECVD）：2015推出国产（理想能源） 组件自动串焊线：～2014推出，占领市场 辐照退火、注电退火、瓦连串焊：新技术出现9个月内推出产线装备！ …… 硅谷精英归国创业是故事主线…还差什么？ 自动化检测分级！,例：理想能源国产化PECVD,八年多来，理想万里晖PECVD装备研发投入近5亿。 经过六年多研发、设计、制造，为高端异质结(HIT)量身定做的第一代PECVD设备已经成熟并推向市场 在客户产线上同美国应用材料公司同类进口设备进行比对，75%关键参数优于进口设备，设备性能得到充分验证，客户评价：“与美国进口一流设备相当” 已经实现23%的转换效率 “十三五”期间将配合国内企业实现25%的转换效率,原来此设备全部靠从欧美日进口 日本，韩国，俄罗斯，欧美，以及国内包括台湾近三十家公司来理想进行试样 部分客户已进入商务谈判，已收到20台设备订单，和10台意向订单，占2017年世界异质结太阳电池设备市场的52%,结 语,光伏行业度过了婴儿期，进入了健康成长的少年期。技术创新的地位大幅提升。 中国光伏业尚缺乏原始创新，缺乏原始创新能力，最缺乏原始创新的自觉自信。 必须备战未来。期待更新的技术导入。,谢谢关注 欢迎批评 lzhou@ncu.edu.cn,