光伏技术发展评述与新型硅基异质结-太阳电池研究进展-沈辉

- 0 - 2018-9-6沈 辉 - 1 - 2018-9-6 • 光 伏 技 术 溯 源• 太 阳 电 池 发 展 评 估• 新 型 硅 基 异 质 结 太 阳 电 池• 古 代 太 阳 文 化 与 技 术 快 闪• 结 束 语（ SiliconPV 2018, EPFL, Lausanne, Switzerland） - 2 - 2018-9-6 • 意 大 利 （ 1786， 1800） 伽 瓦 尼 、 伏 打 (A.Volta)－ 电 化 学 、 直 流 电• 法 国 （ 1839） 埃 德 蒙 ˙ 贝 克 勒 尔 － 光 电 流 现 象• 德 国 （ 1887） 海 因 里 希 ˙ 赫 兹 － 光 电 效 应• 德 国 （ 1905） 阿 尔 贝 特 ˙ 爱 因 斯 坦 － 光 子 假 说 ， 光 电 效 应 方 程• 美 国 （ 1954） 贝 尔 实 验 室 － 发 明 实 用 单 晶 硅 电 池• 美 国 （ 1961） 肖 特 莱 － 太 阳 电 池 效 率 上 限• 电 压 单 位 ： 伏 特 （ V： Volt） - 3 - 2018-9-6 A. E. Becquerel, Memoire sur les effets electriques produits sous l’influcence des rayons solaries, Compt. Rendns de L’Academie des Sciences 9 (1839), S. 561 (56t)M. D HOMBRES-FIRMAS adresse quelques fragments d os fossiles qu ila trouvés aux environs d Alais, dans une localité déjà signalée par luicomme contenant en abondance des débris de cette sorte. Ceux qu il avaitrencontrés jusqu ici se présentaient à la surface du sol réduits en fragmentstrop petits et trop confondus entre eux pour qu il fût facile de déterminerles espèces auxquelles ils avaient appartenu. M. D Hombres Firmassoupçonna que ces os, trouvés au milieu de champs labourées, provenaientde la couche d argile superposée aux bancs de marne crayeuse, couchequi en cette localité forme la superficie du sol et est chaque annéebouleversée par la charrue. Il dirigea, en conséquence, ses, recherchevers des points où cette couche n avait point encore été remuée, etc est en effet dans un de ces points restés vierges qu il trouvé deuxportions d os qu il adresse aujourd hui à l Académie; ces os étaient brisésen plusieurs fragments, mais les fragments avaient conservé leur positionassez bien pour qu on pût rapprocher les pièces correspondantes de ma- nière à ne conserver aucun doute sur leurs véritables rapports.Ces fragments sur la demande de M. D Hombres-Firmas, sont renvoyésà l examen d une Commission composée de MM. de Blainville, Flourens etCordier. MÉMOIRES LUS.lfiérrtoire sur les effets électriques produits sous l influence des rayonssolaires; par M. EDMOND BECQUEREL. § Ier. Action de la radiation sur les lames métalliques.« Dans le dernier Mémoire que j ai eu l honneur de présenter à l Aca-démie, dans sa séance du lundi 29 juillet I839, je me suis attaché àmettre en évidence, à l aide des courants électriques, les réactions chi-miques qui ont lieu au contact de deux liquides, sous l influence de lalumière solaire. Le procédé que j ai employé nécessitait l emploi de deuxlames de platine, en relation avec les deux extrémités du fil d un multi-plicateur très sensible et qui plongeaient chacune dans une des disso- lutions superposées. Or comme ces deux lames éprouvaient elles-mêmesles effets de la radiation, il a dû en résulter des phénomènes çomposés,dont je vais m occuper dans ce nouveau Mémoire. On sera à même en-suite de faire la part de chacun des effets produits.发 现 光 的 电 流 现 象后 被 称 为 “ 光 伏 效 应 ” - 4 - 2018-9-6 A. Smee, (1849), 电 子 生 物 学 ， 人 的 伏 打 机 制p11, p14: photo-voltaic battery; p15: photo-voltaic circuit 英 文 “ 光 伏 ” 一 词 的 出 处 - 5 - 2018-9-6 • A. Einstein, Annalen der Physik, 4 (17), p132-148, 1905• “关 于 光 的 产 生 与 转 化 的 一 个 启 发 性 观 点 ”• 爱 因 斯 坦 指 出 光 的 波 动 理 论 的 不 足 ， 用 光 的 粒 子 性 解 释 黑 体 辐射 ， 提 出 光 子 理 论 假 设 ， 光 子 (photon – light quantum )能 量 为E = hν。 爱 因 斯 坦 在 这 篇 文 章 中 首 次 提 出 的 光 量 子 概 念 （Lichtquant - Energiequant） ， 能 量 E = (R/N) βν = hv• 根 据 能 量 守 恒 定 律 ， 爱 因 斯 坦 提 出 光 电 效 应 方 程 : hν = 1/2(mvm2) + A • 1/2(mv m2) － 光 电 子 的 最 大 初 动 能 ； A － 电 子 逸 出 功• 圆 满 解 释 光 电 效 应 现 象 - 6 - 2018-9-6 • J. Bardeen, W. H. Brattain, The Transistor, A Semi-Conductor Triode, The Physics Review, 71(1948), p230• J. Bardeen 后 来 还 由 于 建 立 超 导 理 论 第 二 次 获 得诺 贝 尔 物 理 奖• 肖 克 利 （ W. B. Shockley） ， 美 国 物 理 学 家 ，1956诺 贝 尔 物 理 奖 获 得 者 , 他 发 表 了 p-n结 论 文 与太 阳 电 池 效 率 方 面 的 论 文• W. B. Shockley, “The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors”, The Bell System Technical Journal, 28: p435-489, 1949 William Bradford Shockley (February 13, 1910 – August 12, 1989) - 7 - 2018-9-6 First Paper for Silicon Solar Cell (Form Journal of Applied Physics, 25(1954), p676)A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical PowerD. M. CHAPIN, C. S. FULLER, AND G. L. PEARSONBell Telephone Laboratories, Inc. Murray Hill, New Jersey(Received January 11, 1954) - 8 - 2018-9-6 W. Shockley and H. J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, J. Appl. Phys., 32 (1961) 510 - 9 - 2018-9-6 - 10 - 2018-9-6PV Modules of Solarex, produced in 1982 in USA, installed in 1985 in China, until now the degradation rate less than 10% - 11 - 2018-9-6 • Until now, no revolutionary change, just technical progress for solar cell technology• Three features have not changed:– Semiconductor: Si; p-n junction; Ohmic contact or metallization• Just one generation of solar cells ! c-Si for mass production and application• DSSc, a-Si, CdTe and CIGS solar cells have not been able to replaces c-Si solar cells!• Now, perovskite cells ? • It’s enough for each kind of solar cells to find the right market: such as a-Si for consumer goods, CIGS for BIPV or mobile or flexible power. - 12 - 2018-9-6 • Which solar cells will dominate the PV market in the future? • c-Si or thin film? • If c-Si continues to be the mainstream, two questions will be often asked :• Mono or Multi Si, and p-type or n-type ?• It’s determined by the market! The production cost per watt is an important factor! - 13 - 2018-9-6 Poly-Si thin film solar cells (2000-2003)(Tech. from FhG-ISE, Inventor: Dr.Eyer) 13 Concept: SSP: Silicon sheets from powder + RTCVD: Poly-Si thin films –Eff. : 8-10% - 14 - 2018-9-6 Evergreen Solar (Wuhan, China)• 武 汉 工 厂 内 的 带 硅 生 长 设 备 2009年 下 半 年 起 陆 续 从 美 国 搬 来 ，2010年 3月 开 始 量 产 ；• 武 汉 工 厂 到 2012年 第 二 季 度 关 闭 时 ， 量 产 设 备 有 160 台 ， 均 为 4片 （ 150 mm x 80 mm） 设 计 ， 其 中 2台 改 装 为 2片 （ 标 准 156 mm x156 mm 硅 片 ） ， 产 能 为 75 MW/年 ；• 2片 设 备 的 设 计 年 产 能 为 0.5 MW/台 ， 带 硅 的 总 长 度 约 为 2 m；• 硅 片 尺 寸 为 ： - 半 硅 片 ： 150 mm x 80 mm， 厚 度 170-190 μm; - 标 准 硅 片 ： 156 mm x 156 mm， 厚 度 170-190 μm - 15 - 2018-9-6 Evergreen Solar: Si ribbon tech美 国 1366公 司 硅 片 技 术 是 否 能 够 成 功 ？ Ribbon： length 2 m, width:156 mm?, thickness: 170-190 μm Total production capacity : 75 MW/a - 16 - 2018-9-6 • We focus on the development of new heterojunction Si solar cells• Motivations:• Using Si wafer as the base material• No diffusion process• No high temperature process• PVD technology (Thermal evaporation or magnetron sputtering)• Materials:• Sulfide (CdS, ZnS, In 2S3) p-Si• Oxide (CrOx, WOx, MoOx) n-Si • 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 - 2018-9-6 Why chose p-type Si as substrate ?• p-type Si modules have occupied the biggest part of PV market• High efficiency can also achieved on p-type Si base Voc= (726.6 ± 1.8) mV, Jsc= (42.62 ± 0.4) mA/cm2 , FF=(84.28 ± 0.59) %, PCE=26.1% on p-Si with a designated cell area of 4 cm2 @ ISFH . - 18 - 2018-9-6 Material Selection: cadmium sulfide (CdS) • Basic property Ø Easy to deposit: CBD, Thermal evaporation, Sputtering…Ø Widely used as window layer in thin film solar cells (eg: CdTe, CIGS solar cells) ! https://en.wikipedia.org/wiki/ https://www.nrel.gov/pv/ CdS has a bigger band gap than a-Si:H (~1.75 eV) and is also more conductive, thus it is very suitable as window layer.In CIGS, CdTe and CZTS thin film solar cells, the CdS thickness usually ≥ 50 nm ! - 19 - 2018-9-6 Dopant free Heterojunction solar cells on p-Si waferYear Institute/Author PCE(%) Area（ cm2） Jsc（ mA/cm2） Voc（ mV） FF(%) Method1967 Tokyo Institute of Technology 4.9 - 16 480 - Thermal evaporation1977 F. M. Livingstone 7 1 24 490 72 Electron beam evp.1980 C. Coluzza 9.5 - 29.3 500 65 Co-evaporation1982 Brown University 11 0.185 30.19 506 73 Thermal evaporation30 520 52 Screen printingToshiya Hayashi 15 510 65 Thermal evaporation2012 Peking University 0.52 - 10.68 245 20 CBD 2015 Indian Institute of Technology 2.96 4 16.5 430 42 Pulsed laser depositionSYSU-ISES 10.63 1 28.75 543 68.13 Thermal evaporationSYSU-ISES 9.44 3.81 27.97 467 72.3 Thermal evaporationSYSU-ISES Magnetron sputteringHistory of developments of n-CdS/p-Si solar cells *All the CdS films fabricated in our group are dopant free ! - 20 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic • n-CdS/p-Si heterojunction solar cells with PCE 11.3% firstly by sputtering The best efficiency among n-CdS/p-Si heterojunction solar cells ! - 21 - 2018-9-6 • ZnS and n-ZnS/p-Si heterojunction solar cells Eg/eV Electron affinity /eV Lattice constant/nm Raw materials Preparation methodZnS 3.7 3.9 0.541 ZnS granule Thermal evaporationa-Si:H 1.7 3.9 PH3, SiH4… PECVD• Comparison between ZnS and a-Si:H • Energy band of ZnS/p-Si HJT-SCs 2013a 2013 b 2017※Voc/mV 279 319 517Jsc/mA·cm-2 23.83 29.11 31.05FF/% 40.79 39.31 55.00PCE% 2.72 3.66 8.83• Development of ZnS/p-Si HJT-SCs※ By SYSU-ISESa. Journal of Physics and Chemistry of Solids 74 (2013) 1403–1407 b. Ji et al. Nanoscale Research Letters 2013, 8:470 ※ .Materials Letters 198 (2017) 23–26 Material selection: zinc sulfide (ZnS) - 22 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic • ZnS/p-Si heterojunction solar cells with PCE 10% by thermal evaporation Cell area: 2*2 cm2 Thermal evaporation @ RT Voc=525 mVJsc=33.75 mA/cm2FF=61.73%PCE=10.94% - 23 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic • Power loss analysis NO.1 Shading loss(Metalization ratio-8.3%)NO.2 NIR parasiticNO.3 Base collection loss NO.1 ZnS bulk resistance-72.32%NO.2 Electrode resistance-16.88%a) b)c) d) - 24 - 2018-9-6 ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells• Phenomenon p Light soaking effect was observed in the ZnS/p-Si heterojunction solar cells for the first time. The device performance was found to be improved with the measurement times increasing and finally reach to saturation. - 25 - 2018-9-6 p Optical filters with different wavelength were inserted between the device and the xenon lamb of the IV simulator to find out which layer led to the light soaking effect.p The improved PCE took place mainly under the short wavelength illumination while under the other wavelength illumination the PCE kept nearly constant or even decreasing. p ZnS layer should be responsible for the light soaking effect, since the short wavelength light was absorbed mainly on the surface of the device. ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells• Investigation - 26 - 2018-9-6 p The generated-holes are captured by the deep-levels states. Hence, many free electrons can release to ZnS.p The increased free electron concentration in ZnS results in bigger fermi energy difference between ZnS and p-Si then enhances the built-in electric field and Voc. Besides, the conduction band offset peak would lower and benefit for the carrier transportation minimizes. Then the FF improved. p The reduction of DLTS signal reflects the decreasing of defect states in ZnS, which indicates that the short wavelength illumination on ZnS can ‘repair’ the defect states. (Deep Level Transient Spectroscopy) ØLight soaking effect in ZnS/p-Si solar cells• Qualitative Model - 27 - 2018-9-6 1、 p型 硅 为 衬 底 ， 使 用 磁 控 溅 射 、 真空 热 蒸 发 进 行 制 备 ， 设 备 要 求 低 ， 工艺 可 行 性 高 。2、 In2S3薄 膜 致 密 且 均 匀 ， 适 合 作 为发 射 极3、 无 需 掺 杂 ， 制 备 工 艺 简 单 易 行 。4、 制 备 中 不 需 引 入 有 毒 或 易 燃 的 特殊 气 体 。 In 2S3/p-Si电 池 结 构 图 In2S3/p-Si异 质 结 太 阳 电 池 - 28 - 2018-9-6 Device fabrication and characteristic • n-In2S3/p-Si heterojunction solar cells with PCE 10% prepared firstly by magnetron spatteringSputtering : 11.39%Evaporation: 10.72% In2S3/p-Si电 池 JV曲 线 - 29 - 2018-9-6 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 。