1.晶体硅太阳电池转换效率极限及路径探讨-高平奇-中山大学

OFweek 2021太阳能光伏产业大会 晶体硅太阳电池转换效率极限及路径探讨 报 告 人： 高平奇 联系方式： gaopq3@mail.sysu.edu.cn 单 位： 中山大学 材料学院 基 地： 中山大学太阳能系统研究所 广东省光伏技术重点实验室 光电材料与技术国家重点实验室 晶硅太阳电池现状 电池效率极限分析 免掺杂异质结电池 研究团队简单介绍 汇 报 提 纲 碳中和与光伏电力 3 一、碳中和与光伏电力 ◼ 到底谁在面临危险？ ----受全球气候变暖影响，每年约 300,000的人类和动物失去生命 ----全球变暖和空气污染归根结底都是能源问题  全球性的环境挑战 17-August-2016, Louisiana [RNS] 4 一、碳中和与光伏电力 ◼ 工业化伴随二氧化碳排放量的迅速增加，超过了环境的消纳能力 ◼ 2019年，二氧化碳浓度首次超过 415 ppm（作为对比， 1800年之前 CO2浓度基 本稳定在 280 ppm）  化石能源滥用导致温室气体排放超标 5  实现双碳目标是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革 1、加强目标引领力度 • 目标愿景纳入经济社会发展总体规划 • “ 十四五”和“十五五” 进一步强化碳强度下降目标 2、产业结构优化升级 • 传统产业高端化、智能化、绿色化发展 • 战略性新兴产业、现代服务业、数字经 济打造增长新引擎 3、能源体系全面转型 • 以煤为主的能源格局彻底改变 • 风能、太阳能、水能等非化石能源占比大幅提高 4、创新技术驱动低碳发展 • 能源、工业、交通等领域的长期深度脱碳需要 突破性技术支撑 • 数字化、智能化、高速化等新发展浪潮进一步 加速低碳发展步伐 5、引导资金涌入低碳领域 • 2020年 -2050年，需要 100万亿元以上投资 来支撑能源体系转型；工业、建筑、交通等能 源终端需求部门改造投资需求 也超过 30万亿元 一、碳中和与光伏电力 6 一、碳中和与光伏电力  光伏产业 发展是解决碳达峰、碳中和的有效途径之一 太阳能是可再生能源，光伏发电是零碳电力 7 二、晶体硅太阳电池发展现状 ◼ 传统技术的转换效率 趋近饱和 ， 最高效率 (26.7%)3年多未更新  发展趋势 ： 开路电压是太阳电池的物理驱动力  当前困境 ： 制造成本限制高效电池结构产业化 高效晶硅太阳电池结构发展趋势图 电池效率与组件成本对应关系图 ◼ 降低成本 愈发困难 ，高效电池 结构和技术难以大规模推广 c Si-BSF PERC TopCon 异质结 ~0.6%abs/yrs 晶科 @Qi Wang ◼ 限制因素： ➢ 掺杂层与接触复合 ➢ 窗口层寄生吸收 ➢ 硬件投入较大 ➢ TW规模 vs 材料短缺 ➢ 加工新技术缺乏 8 二、晶体硅太阳电池发展现状 ◼ 效率： 23~23.5%； 24% ◼ 开压： ~695 mV  三种高效晶体硅太阳电池技术的路径之争 PERC HJT TOPCon ◼ 效率： 24%； 25.5% ◼ 开压： ~740 mV ◼ 效率： 23.5%； 25.4% ◼ 开压： ~720 mV ◼ 实验室 1年之内达 26%， 再用 3-5年有望达到 27%，再 10年逐步逼近 其实际可达的极限 ~28.5% ◼ PERC+很快突破 24%， 逼近极限效率（ 2-3年） ◼ 实验室 1年之内达 26%， 3-5年有望达到 27%， 再 10年逐步逼近其实际 可达的极限 ~28.5% 9 不考虑表面复合和缺陷复合： 三、晶体硅太阳电池效率极限分析 10 接触电阻 (ρc) 复合电流密度 (J0c) 三、效率极限分析 --载流子选择性接触模型 高 电 荷 选 择 比 Brendel R, et, al. EUPVSEC, 447-451, 2016. Schmidt J, et, al. Sol. Energ. Sol. C. , 187: 39-54, 2018. Sol. Energ. Sol. C. 184 (2018) 38–47. ⚫ 少子与多子接触电阻比值： 𝜌m𝝆 𝐌 = 𝑉𝑞𝑅(𝑉)𝝆 𝒄 = 𝑉th 𝜌𝑐( 𝑞𝑅(𝑉) 𝑒𝑉/𝑉th−1 ) · 𝑉 𝑉th(𝑒 𝑉 𝑉th−1) = S(V)g(V) ⚫ 其中 𝑉 = (𝐸𝐹n−𝐸𝐹p)/𝑞 𝑅 𝑉 = 𝐽0𝑞 (𝑒 𝑉 𝑉th −1) ⚫ 定义选择比： 𝑆 𝑉 = 𝑉th𝝆 𝒄𝑱𝟎 或 𝑆10 𝑉 = log10(𝑉th𝝆 𝒄𝑱𝟎 ) 𝑆10 14 𝜂max 28% HJT solar cell PERC solar cell P-type TOPCon N-type TOPCon Bi-facial TOPCon 11 实际少子寿命曲线的组成分析不同模型的预测效率对比 三、晶体硅太阳电池效率极限分析  极限效率模型随着技术进步（钝化和硅片质量提升）在不断修正 衬底掺杂浓度为 3E15cm-3和 1E14cm-3  逼近极限效率的途径：低阻、高质量硅片；薄硅片；高质量钝化（含接触） 12 免掺杂 异质结电池的优点 宽带隙 化合物 极低掺 杂复合 极低寄 生吸收 更强电 场钝化 材料广 易调控 简易加 工设备 低温工 艺路线 在效率和成本方面均存在对现有技 术的潜在优势备选的空穴及电子传输层材料能带结构图 晶体硅免掺杂异质结电池能带示意图 空穴传输层 电子传输层 Nat. Energy, 4 (2019) 914-928 四、晶体硅免掺杂异质结电池 13 五、研究团队 高平奇 教授 郁建灿 副教授 周述 副教授 教授 1 位、副教授 5 位、博士后 8 位、研究生 24 位，共 38 名成员 谢江生 副教授 党志亚 副教授 林豪 何坚 副教授 徐杨兵蔡伦 王子磊 赵云星王乐滨 刘德备 14 与近 10家光伏领军企业常态合作，为企业培训技术人员 1000余人次 五、研究团队 ---社会服务 15 产业投资机会 光伏产业扩张投资额变化趋势 ◼ 值得关注的机会： ➢ 设备制造 （按照 20%的生产扩张速度，到 2030 年至少有 4000亿的设备投资需求） ➢ 铜电镀 /Ag&In-less or free （按照 TW级的生产规模， Ag浆用量 必须大幅降低，含 In导电膜也不考虑） ➢ 新型高效电池结构 ➢ 高质量硅片制造技术 ➢ 应用端势场份额 感谢聆听 致谢：国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部重点 研发、广东省杰青、深圳市基础研究重点、壳牌石油项目等