【太阳谷】南航沈鸿烈 异质结太阳电池的发展趋势与薄片化策略

异质结太阳电池的发展趋势与薄片化策略E-mail: hlshen@nuaa.edu.cn Mobile: 18913854729沈 鸿 烈南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏省能量转换材料与技术重点实验室第二届中国泰兴“太阳谷”异质结产业项目推介暨国际论坛 --2021.5.21 1、单晶硅太阳电池的发展历程2、异质结太阳电池的现状3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池4、异质结太阳能电池的薄片化策略5、总结与展望报告目录 2 BSF电池1、单晶硅太阳电池的发展历程PERC电池 HJT电池TOPCon电池 3 单晶组件价格趋势1、单晶硅太阳电池的发展历程 4 单晶硅片尺寸趋势1、单晶硅太阳电池的发展历程 5 接触钝化对于p-PERC效率提升有限，PERC+升级受限 IEEE J. Photovoltaics, 2020, 10, 335 1、单晶硅太阳电池的发展历程 6 高效率太阳电池的必然选择 ——载流子选择性传输允许一种载流子（空穴或电子） 自由通过界面， 同时阻隔另外一种载 流子， 通过拉开两种载流子在界面的浓度差值而大幅抑制界面复合。The electronselective virtual surface summarizing the physical mechanisms that drive carrier selectivity (σ; grad(η)), the empirically probed values (ρc; J0c), and their general influence at the cell level (FF; Voc) Nature Energy, 2019, 4(11), 914-928 1、单晶硅太阳电池的发展历程 7 高效率太阳电池的必然选择 ——载流子选择性传输重掺杂 诱导电场 能带匹配限制了J 0带来了俄歇复合 界面固定电荷诱发的电场弱不能够限制J0 低的J0和ρcIEEE J. Photovoltaics, 2020, 8, 2 1、单晶硅太阳电池的发展历程 8 开路电压的提升是高效太阳电池的发展方向Voc＞745 mVη ＞25% = ln( + 1)1、单晶硅太阳电池的发展历程 9 1、晶硅太阳电池的发展历程2、异质结太阳电池的现状3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池4、异质结太阳能电池的薄片化策略5、总结与展望报告提纲 10 2、异质结太阳电池的现状HIT： Heterojunction with Intrinsic Thin-layer 具 有 本 征 薄 层 的 异 质 结异 质 结 太 阳 电 池HJT： Heterojunction Technology 异 质 结 技 术SHJ： Silicon Heterojunction 硅 异 质 结HAC: Heterojunction of Amorphous-silicon and Crystalline-silicon 非 晶 硅 /晶 体 硅 异 质 结 11 2、异质结太阳电池的现状 12 异质结电池生产工艺2、异质结太阳电池的现状 13 异质结电池技术大规模产业化的制约因素工艺问题 工序少良率高？产品合格率？大硅片趋势？设备问题 投资成本？(1GW PERC 1.5-2.0亿，TOPCon 2.0-2.5亿，HJT 4.5亿）辅材价格 未形成规模效应价格偏高 (TCO靶材和低温银浆等)市场需求 电池片价格偏高？2、异质结太阳电池的现状 14 我国异质结电池技术发展五个重要阶段自由探索期： 2010年以前，中科院电工所王文静教授团队、中科院研究生院刘丰珍团队、南京航空航天大学沈鸿烈团队等，解决异质结电池的基本科学问题。政府推动期： 2010-2015年，王文静教授、刘正新教授牵头承担2个中试规模的863项目。杭州赛昂公司、宜兴上澎等公司开始20-30MW级异质结电池的研发与小规模量产，解决能不能做出产品的问题。产业形成期： 2016-2019年，福建钧石，国电光伏，泰州中智和山西晋能等企业开始对异质结电池进行量产工艺的验证，并形成50-100MW级的异质结电池产能，解决能不能规模生产的问题。快速发展期： 2020-2023年，国产设备逐渐成型并使得整线设备投入降低、原辅材料逐渐形成一定规模使得价格下降、工艺逐步掌握与成熟，产线规模提升至GW级别，解决良品率和稳定生产的问题。成熟爆发期： 2023年及以后，在设备厂商的协作下，设备国产化并使得整线投入大幅下降；辅材(低温银浆、 靶材等)国产化并形成规模效应，可使非硅成本较大幅度下降。解决继续降本增效的问题。 2、异质结太阳电池的现状 15 TOPCon VS HJT1.可在PERC工艺上升级；2.国产化设备性价比高；3.光致衰减低；4.扩散的硼杂质激活率较低；5.隧穿层存在被烧穿的可能性；6.技术发展期相对较短。 1.世界纪录的单晶硅太阳电池；2.工艺步骤少；3.低温工艺，适合超薄电池发展；4.国产化设备正在起步；5.TCO靶材和低温银浆价格偏高；6.低温烧结栅线结合力待优化。2、异质结太阳电池的现状 16 两种高效太阳电池的特点 2、异质结太阳电池的现状 17 两种非晶硅沉积技术对比PECVD HWCVD反 应 原 理 等 离 子 体 震 荡 激 发 基 团 碰 撞 ， 产 生 带 电 SiHx等 基 团 ， 遇 到固 体 表 面 成 膜 。易 于 实 现 非 晶 化 。 高 温 的 金 属 丝 催 化 裂 解 碰 撞 到 的 气 体 分 子 ， 产 生 中 性SiHx等 基 团 ， 遇 到 固 体 表 面 成 膜 ；易 于 实 现 纳 晶 微 晶 化 。颗 粒 污 染 镀 膜 气 压 几 百 Pa， 易 形 成 粉 尘 ； 需 每 天 CF4等 离 子 清 洗 镀 膜 气 压 几 Pa， 不 易 形 成 粉 尘 ； 几 乎 可 忽 略 该 问 题 。载 板 要 求 一 般 碳 基 （ 石 墨 为 主 ） ， 载 板 是 PE放 电 的 电 极 之 一 ， 参 与放 电 ， 所 以 对 其 导 电 性 等 要 求 很 高 。 一 般 金 属 载 板 。 载 板 不 参 与 气 体 分 子 的 裂 解 反 应 ， 导电 性 无 要 求 。绕 镀 问 题 原 理 性 问 题 ， 需 要 载 板 、 硅 片 的 平 整 度 和 贴 合 程 度 要 求 很高 才 能 避 免 。 可 忽 略 。 对 载 板 、 硅 片 的 平 整 度 、 贴 合 程 度 要 求 低 。 生 产 装 备 结 构 卧 式 ： 载 板 、 硅 片 水 平 放 置 ， 自 动 化 易 于 实 现 ； 粉 尘 颗 粒易 于 粘 附 与 硅 片 表 面 立 式 ： 载 板 、 硅 片 垂 直 放 置 ， 自 动 化 难 度 高 ； 粉 尘 不易 与 粘 在 硅 片 表 面 。镀 膜 均 匀 性 小 面 积 高 ； 但 面 积 增 大 难 度 高 （ 因 为 等 离 子 体 的 控 制 难 度高 ） 。 小 面 积 低 ； 但 面 积 增 大 容 易 （ 因 为 热 丝 周 期 性 排 布 ）镀 膜 速 度 /工 艺 稳 定 性 慢 /好 快 /弱 （ 需 随 热 丝 寿 命 周 期 变 化 调 整 工 艺 ）特 气 消 耗 量 /其 它 耗 材情 况 大 /CF4 小 /热 丝设 备 造 价 高 （ 射 频 电 源 、 碳 基 载 板 ， 匀 气 结 构 复 杂 ） 低 （ 直 流 电 源 、 金 属 载 板 、 匀 气 结 构 简 单 ）设 备 普 及 程 度 高 。 装 备 、 工 艺 技 术 人 员 充 足 丰 富 。 低 。 装 备 、 工 艺 人 员 少 。 通威 25.18%晋能集团 24.73%爱康科技 24.59%东方日升 24.55%安徽华晟 24.70%国内公司HJT太阳电池量产效率HJT电池效率提升增速！ 182、异质结太阳电池的现状 https://www.sohu.com/a/462580965_115863 HJT电池面临的两大问题掺杂非晶硅带隙相对较小 (Eg ~ 1.7eV)，导致严重的光学寄生吸收，限制了对电流密度的提升 非晶硅层掺杂效率低致使电池良率较低；过度依赖昂贵的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)导致成本升高2、异质结太阳电池的现状 19 非掺杂异质结太阳电池 简单的制备工艺、较大的材料选择、更宽的带隙（寄生吸收小）、易于同多种钝化膜结合实现高效钝化选择性接触等优点，不仅在解决常规HJT电池中掺杂非晶硅寄生吸收所引起的短路电流损失，而且在简化背接触HJT电池制备工艺等方面都显示巨大的潜能。Advanced Functional Materials, 2020, 30(5): 1907840 2、异质结太阳电池的现状 20 1、晶硅太阳电池的发展历程2、异质结太阳电池的现状3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池4、异质结太阳能电池的薄片化策略5、总结与展望报告提纲 21 η~26.7%（ηmax~29%） 3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池 21Science, 2020, 370: 1300-1309Nature Energy, 2017, 2: 17032. η~29.15%（ηmax~43%）Science, 2020, 369: 1615-1620. η~25.5%（ηmax~31%）异 质 结 与 钙 钛 矿 叠 层 电 池 钙 钛 矿 单 结 电 池异 质 结 单 结 电 池 高效率双面叠层电池 Nature Energy, 2020, 5(11): 851-859 3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池 23 叠层电池世界记录：29.15%3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池 潜在的未来高效电池结构！ Science, 2020, 370(6522): 1300-1309. 24 1、晶硅太阳电池的发展历程2、异质结太阳电池的现状3、异质结与钙钛矿叠层高效太阳电池4、异质结太阳能电池的薄片化策略5、总结与展望报告提纲 25 太阳能级硅片减薄历程1970年代 1980年代 1990年代 目前 2030年代硅片薄片化对于组件价格有立竿见影的作用， 硅片每减薄20 μm价格可下降10%， 对应组件价格降低5-6分/Wp。4、异质结太阳能电池的薄片化策略 26 HJT：最有利于薄片化的电池结构与工艺由于受到电池片效率影响以及破片率的限制， 目前薄片化的市占率仍然很低， 进展相对处于停滞状态。4、异质结太阳能电池的薄片化策略 27 HJT薄片化电池技术 Power Energy Solutions https://www.pes.eu.com/solar/heterojunction-solar-cells-go-big/ 4、异质结太阳能电池的薄片化策略 28-0.1% 4、异质结太阳能电池的薄片化策略 29最 后 在 35 µm 厚 度 单 晶 硅 薄膜 上 ， 大 面 积的 实 现 了21.2%的 转 换效 率 （ 硅 谷Solexel）20微 米 超 薄 晶 硅 太 阳 电 池 理 论 效率 大 于 28% 3µm 20µm 4、异质结太阳能电池的薄片化策略 30自 上 而 下 法 ， 既先 将 传 统 的 硅 片（ 180μm） 采 用化 学 溶 液 腐 蚀 减薄 至 50μm以 下 自 下 而 上 法 ， 即采 用 气 态 源 沉 积出 高 质 量 且50μm以 下 硅 薄层 再 转 移超薄单晶硅材料的常规制备方法