【CITPV】光伏发展评述与未来展望沈辉

- 0 - 2020-1-2 光 伏 发 展 评 述 与 未 来 展 望沈 辉杭 州 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 = ½ mvm2 + 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. Grätzel, (DSSC: Dye-sensitized nano-crystalline solar cell )• 2006 Tsutomu Miyasaka， （ Perovskite， 0.4%-2 %）• ä - 3 - 2020-1-2 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 - 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 。 “ 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 - 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 （ 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-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 常 规 单 晶 硅 电 池 正 面 与 背 面 - 12 - 2020-1-2p-type c-Si Front Ag contactEmitter (P-Doped Si)BSF (Al-Doped Si)ARC： SiNxBack Al/Ag contact p-type c-SiFront Ag contactEmitter (P-Doped Si)BSF (Al-Doped Si)ARC： 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 - 2020-1-2Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF(%) Rs(Ω·cm2) Rsh(kΩ·cm2) Eff(%)726.6±1.8 42.62±0.4 84.28±0.59 0.1 700 26.10±0.31 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 - 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) 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 15.60%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 PEDOT:PS/n-Si TiO2/Al 14.60%2017 SU 4 PEDOT:PS/n-Si Ba(OH)2 8.10%2018 CAS 0.5 PEDOT:PS/n-Si AZO/Al 13.60%2018 UC Berkeley ANU EPFL 4 MoO x TiO2/LiFx/Al 20.70%2018 CAS 0.5 PEDOT:PS/n-Si SiOx/Mg 15% IBC2016 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 。 - 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 ANU 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 MLBC太 阳 电 池 器 件 性 能 与 UCB电 池 性 能 的 比 较 。 *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1975~19761976~19771978~1979 1980~1981 1981~1985 (From Flat-Plate Solar Array Projet of the U.S. Department of Energys National Photovoltaics Program)SENSOR 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 ： Solarex(1974) – BP Solar(1981-2011) - ? ARCO Solar(1977) - Siemens Solar(1990-01)- Shell Solar(2002-06)– 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 über die langfristige Zuverlässigkeit 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 。 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 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 - 27 - 2020-1-2 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) - 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