【CITPV】光伏硅材料的技术现状和进展-杨德仁

Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang杨德仁浙江大学 硅材料国家重点实验室 国际光伏技术论坛，杭州 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 直拉单晶硅铸造多晶硅硅太阳电池 组件硅石 金属硅 高纯多晶硅电站光伏硅----产业链 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangØ 优点：晶格完整、质量好、太阳电池转换效率高 1. 直拉单晶硅Ø 2017: ~27% Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang Ø 直拉硅单晶：l 快速拉晶（水冷套工艺）l 超长晶体（3~4 m）l 连续拉晶（4~6 根）l 优点：电阻率轴向均匀性均匀直拉单晶硅的技术现状 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangJ. Schmidt, et al.,Appl.Phys.Lett.73,2167(1998) 技术挑战：光衰减Ø 直拉硅单晶的太阳电池光衰减：light induced degradation ( LID)Ø 光衰减相对效率2-3%，绝对效率0.4-0.6%，年损失 ~20 亿度电 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 原因: 具有电活性的硼(B)-双氧(O)复合体（B-O）氧原子硼原子 J. Schmidt, et al. Phys. Rev. B 69,024107(2004)Ø 挑战：低氧浓度（热场设计）Ø 新技术：l 高纯涂层坩埚l 高纯SiC坩埚、Si 3N4坩埚 技术挑战：抑制硼氧复合体，降低光衰减 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 掺镓(Ga)替代硼(B)/镓硼共掺技术 不同掺杂的p型直拉硅单晶在光照前后少数载流子寿命的变化 样品的氧浓度为(7–8)×10 17 cm－3 载流子寿命 (µs) Karsten Bothe, Ron Sinton and Jan Schmidt, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2005; 13:287–296 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 微量掺锗(Ge)技术 国家发明专利（ZL01139098.0，ZL201010509992.2, ZL200310108003.9) Ø 抑制B-O复合体，降低光衰减 Ø 增加机械强度，减少碎片 Applied Physics Letters, 97 (2010) 162107 Applied Physics Letters, 97(2010) 051903 Journal of Crystal Growth, 362(2013) 140 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 电注入抗LID技术 晶硅太阳电池体缺陷钝化设备（ Anti-LID 4800-I）Source： http://www.shichuang.cc/index.php Ø 电注入抑制光衰减（LID）Ø （时创能源+浙大） Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang l SunEdison公司（协鑫中能）其他新技术（1）：连续加料技术（CCZ）l 可能拉8-10根l 生产效率可以做到RCz的1.3倍以上l 优点：l 电阻率均匀（直至掺镓）l 氧浓度轴向均匀l 缺点：l 设备贵l 氧、碳浓度高 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang CCZ-Ga-doped Si Yonghui Zhang et al, 10CSSC，Sendai，Japan，Apr.11-13,2018 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 其他新技术（2）：连续拉晶 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang H. Riemann, N. V. Abrosimov, J. Fischer, M. Renner, International Patent, WO2011063795A1, 2011. K. Dadzis et al., Proc. Modelling for Materials Processing, Riga, Latvia, September 21–22, 2017, pp. 31–36.K. Dadzis et al., 10CSSC，Sendai，Japan，Apr.11-13,2018 其他新技术（3）：颗粒硅坩埚生长(Si-GC) Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 其他新技术（4）：六边形硅片技术Ø “蜂巢”硅片与组件（晶盛机电，2018SNEC）l 单晶成品棒利用率增加了19%l 单晶硅片的非硅成本下降10%以上l 兼容各种高效电池技术，如PERC等 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangPeter Rudolph, J. J. Association Crys. Growth, 2012, 39, P8 新技术（5）：方形单晶 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangØ 优点：能耗低、易大尺寸、材料利用率高、成本低 2. 铸造多晶硅Ø 2017: ~63% Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangØ 挑战：高质量、低缺陷 Ø 现状：l 籽晶诱导生长（半熔、全熔）l 大尺寸（G7、G8）铸造多晶硅的技术现状 诱导形核坩埚 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangØ 利用现有G5晶体炉，实现八边形，提升现有产能70%以上 Ø 八边形铸造多晶硅（LDK）新技术（1）：八边形铸造多晶硅 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang Ø 铸造单晶：l 准单晶（quasi-single crystalline Si）l 类单晶（mono-like Si）Ø 方法：利用籽晶，通过铸造（定向凝固）生长单晶硅Ø 目的：兼具直拉硅单晶和铸造多晶硅的优点未来发展：铸造单晶硅 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 籽 晶 成 本高 密 度 位 错材 料 利 用 率单 晶 率关键问题挑战： Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangB. Gao et al, Cryst. Growth Des. 2012, 12, 6144−6150 新技术（2）：单籽晶铸造技术 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangGuy Chichignoud et al, 10CSSC，Sendai，Japan，Apr.11-13,2018 新技术（2）：泡生法 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangK. Kutsukake et al, IEEE Journal of Photovoltaics. 4(2014) 84-87 新技术（4）：功能晶界技术 K. Kutsukake,et al Applied Physics Express, 6 (2013) 025505 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 引入功能晶界对孪晶侵入的影响引入功能晶界前后硅片照片功能晶界功能晶界：边缘多晶控制 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang单晶硅锭底部（左）和顶部（右）拼图Solar Energy Materials and Solar Cells 171, 2017, P.131–135 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang17.50%18.00% 18.50%19.00%19.50%20.00%酸制绒碱制绒改进前四周区域改进后四周区域高效多晶对比样中心区类单晶单晶对比样 效率Uoc (mV) Isc (A) FF (%)原边部含多晶区域（酸制绒）17.94% 624.6 8.941 78.89改进后边部区多晶硅（酸制绒）18.53% 635.1 8.996 79.70高效多晶对比样（酸制绒）18.57% 636.1 9.001 79.70单晶对比样 （碱制绒）19.55% 636.5 9.337 80.84中心区类单晶（碱制绒）19.50% 635.7 9.329 80.82 l 边缘硅锭制备电池的平均效率绝对值提高了0.59%l 中心区铸造单晶与直拉单晶效率相差0.05%，达到了直拉单晶的水平 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren YangK. Nakajima et al, Journal of Electronic Materials, 2016, Doi: 10.1007/S11664-016-4463-z 新技术（5）：非接触坩埚技术 Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang 籽 晶 成 本高 密 度 位 错材 料 利 用 率单 晶 率关键问题挑战： Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang SeedSeed Seed SeedSeedØ 位错网络、次晶界晶体缺陷：位错团（次晶界） Zhejiang University 2020年1月2日 Deren Yang (a) (b) (c)Solar Energy Material and Solar Cell, 140, 2015, P.121-125)l G5 (100)-硅 锭l 尺 寸 870× 870× 300 mm, 重 量 ： 500 kg晶界工程技术