太陽能光伏發電技術的特點及其發展

吳福保,王湘艷

(國網電科院清潔能源發電研究所,南京 210003)

化石燃料日趨枯竭的危機局面正一步一步威脅人類的生存,傳統化石能源使用過程中產生的環境污染和溫室效應正在導致一系列生態災難。在此背景下,太陽能作為一種清潔的、可再生能源引起能源界大量的技術研發投入。太陽能光伏發電具有安全可靠、能源質量高、無枯竭危險、無噪聲、無污染、無需消耗燃料、無需架輸電線路、可以方便地與建筑物相結合、維修保養簡單、維護費用低等優點,是未來太陽能大規模利用的方式,成為太陽能利用的重點研究領域。本文將對太陽能光伏發電技術的特點及其發展進行詳細的介紹與分析。

1 光伏發電技術的研究進展

太陽電池是太陽能光伏發電技術的核心器件,提高太陽電池的光電轉換效率和降低其生產成本是現階段實現光伏發電向替代能源甚至主力能源過渡的主要途徑和主攻目標,太陽能光伏發電的發展歷史就是太陽電池的發展史。1839年, Becquerel把兩個涂敷鹵化銀的金屬電極浸在稀酸溶液中,發現當光照電極時會產生額外的電勢,此現象被他稱為“光生伏打效應”。1877年W. G.Adam s研究了硒的光伏效應,并制作第一片硒太陽電池。1940年Russel Ohl發現了硅材料的光伏效應。1954年Chapin和Pearson首次制成了實用的單晶硅太陽電池,當時的效率為6%,成為光伏發展史上的一個里程碑,標志光伏發電的實際應用真正開始邁步。同年,韋克爾發現了GaAs亦有光伏效應,并在玻璃上沉積CdS薄膜,制成第一塊薄膜太陽電池。1957年硅太陽電池的光電轉換效率達到8%,1958年太陽電池首次在空間應用,裝備在美國先鋒1號衛星上。1995年,太陽電池的轉換效率實現奇跡般飛躍,高效聚光GaAs太陽電池效率達到32%,高于以往任何水平。1996年以來,世界光伏發電高速發展,應用范圍越來越廣,尤其是各國有關太陽能光伏屋頂計劃的提出,為光伏發電展現了無限光明的未來。據報道,迄今為止各類太陽電池的最高光電轉換效率見表1。

2 硅基太陽電池技術

硅基太陽電池是目前商業化最成熟的太陽電池。根據硅的晶體結構,硅基太陽電池可以分為晶體硅和非晶硅電池。其中晶體硅又可以分為單晶硅和多晶硅兩種,單晶硅電池轉換效率高,穩定性好,但成本較高;多晶硅電池效率略低于單晶硅電池,但具有高性價比,已經取代單晶硅成為最主要的光伏材料。原料硅片的成本約占晶硅電池組件總成本的50%以上,減少硅材料的用量有望有效降低生產成本,因此除了高效化,薄膜化也是晶硅太陽電池發展的方向,區別于傳統硅太陽電池的薄膜硅太陽電池得到了大家的關注。目前多晶硅薄膜電池效率達到10%,非晶硅薄膜電池制作的能耗低、工序簡單、成本低、適合工業化大面積生產。

2.1 晶體硅太陽電池

晶體硅電池的結構設計和工藝技術的發展都是圍繞著提高電子的收集率和增大入射光的利用率來展開的,并表現在晶體硅電池制備過程中的各種技術的利用上。

(1)去除損傷層 硅片在切割過程中會產生大量的表面缺陷,導致表面的質量較差和電池制造過程碎片增多,還會導致電池工作時表面復合幾率增大,因此在電池制備前必須將切割損傷層去除,一般采用酸或堿腐蝕,腐蝕的厚度一般約10μm。

(2)制絨 制絨就是把相對光滑的硅片表面通過酸或堿腐蝕,使硅片表面變得凹凸不平增加受光面積并對光產生漫反射,這樣可以減少直射損失提高太陽光的利用效率。計算表明金字塔形角錐體的受光面積可比光滑平板增加1.732倍。單晶硅具有各向異性的堿腐蝕特性,可以采用氫氧化鈉和乙醇的混合堿溶液腐蝕單晶硅表面,形成無數的金字塔結構,利用制絨工藝通常能夠將單晶硅表面的反射率降到10%以下。對于多晶硅來說,由于材料缺乏各向異性,因此表面制絨比較復雜,目前有機械刻槽法、反應離子刻蝕、酸法腐蝕等,多晶硅的制絨工藝仍是國內外研究的熱點。

(3)擴散制結 擴散的目的在于形成PN結。由于硅基太陽電池的原料硅片采用P型硅,擴散制結一般采取三氯氧磷氣體攜帶源方式用磷做N型摻雜,采用磷擴散可以實現高濃度摻雜,有利于降低電池的串聯電阻從而提高其填充因子,這個工藝的特點是生產效率高,有利于降低成本。大型的生產廠家一般用20.32 cm(8英吋)擴散爐進行硅片的擴散、采用大口徑石英管恒溫區長,可以提高擴散薄層電阻均勻性。目前擴散爐的石英管口徑達270 mm。除了均勻擴散制結工藝外,選擇性擴散制結工藝也是一種重要的產業化生產技術,這種技術采用在柵線下進行擴散的方式,不僅能保證低的接觸電阻和好的填充因子,而且能夠減小接觸造成的前表面復合損失。

表1 各類太陽電池的最高光電轉換效率匯總

(4)邊緣刻蝕 在擴散制結過程中硅片的周邊表面也會形成了擴散層,這種擴散層將導致上下電極短路,由于任何微小的局部短路都會使電池并聯電阻下降,因此必須干凈地除去硅片周邊表面的擴散層,目前工業化生產常用等離子刻蝕去除硅片周邊表面的擴散層。

(5)沉積減反射膜 為了使硅基太陽電池更有效地獲得太陽光輻射,表面都要制備一層減反射膜,減少表面的反射損失。目前常用的減反射膜有TiO2,SiO2和SiN及其組合,在商業化生產中SiN減反射膜一般都采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術制作,這種方法利用SiH4與NH 3反應在硅片表面沉積一層厚約75 nm的SiN,反射率可以降低到3%以下。由于沉積中生成的原子氫,可以很好的鈍化硅表面懸掛鍵,因此PECVD還能起到很好的鈍化效果從而可以提高載流子遷移率,而且SiN層具有良好的絕緣性和致密性,可以阻止雜質原子,特別是Na原子滲透進入電池基體。PECVD沉積減反射膜技術的采用大大提高了多晶硅電池的光電轉換效率,是多晶硅電池商業化生產的關鍵性技術,目前多晶硅電池的產量已經超過單晶硅電池。

(6)制備電極電極的制備不僅決定了發射區的結構,而且也決定了電池的串聯電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積,因此是硅基太陽電池生產過程中的一個重要步驟。目前,硅基太陽電池的電極制備普遍采用絲網印刷法,所用的絲網細柵線為110～150μm,主柵為1.5～2.0 mm,由于電極的存在有遮光的效果導致太陽電池效率降低的損失在8%左右,因此如何進一步減小電極寬度是當前研究的熱點。

通過攻關制備工藝流程中的某些環節,制備出許多高效的太陽電池。例如新南威爾士大學的鈍化發射區背局部擴散(PERL)電池[1],斯坦福大學的背面點接觸(PCC)電池以及弗朗霍夫研究所的局域化背表面場(LBSF)電池等都是單晶硅高效電池的典型代表。在鈍化發射區(PESC)電池和鈍化發射區背表面(PERC)電池基礎上研發出來的PERL電池(結構如圖1)目前保持著單晶硅電池效率的最高紀錄。

PERL電池采用背面點接觸來代替PESC電池的整個背面鋁合金接觸,并在背面接觸點下增加了一個濃硼擴散層,可以減小金屬接觸電阻,與PERC電池相比由于硼擴散層減小了有效表面復合,接觸點間距可以從2 mm減小到250μm,接觸孔徑從200μm減小到10μm而不增加背表面的復合,從而大大減小了電池的串聯電阻。4 cm2大小的PERL電池在AM 1.5光照條件下,轉換效率達到25%[1]。PERL電池的另一個特點是具有極好的陷光效應:PERL電池具有一種倒金字塔和背反射器(鋁層覆蓋的背SiO2層)組合而成的陷光結構,光在電池內部往返多次大大增加了傳輸路徑,尤其對于弱吸收光有利。2009年無錫尚德的PERL電池已經實現了量產,開發的PlutoTM(冥王星)太陽電池片效率突破性地提高到了19%,HiPerform a單晶組件轉換效率超過16%[16]。

圖1 鈍化發射區背局部擴散(PERL)電池

PCC電池和 LBSF電池結構與PERL電池類似,也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔結構,不過5μm接觸孔徑的金屬電極成點狀設計在電池的背面,基區也做成同樣的形狀,這樣減小了背面復合,取得22.3%的轉換效率。LBSF電池采用局部鋁擴散來制作表面接觸,2 cm×2 cm電池效率達到23.3%。

在高效多晶硅太陽電池的研究中,一般認為材料中的各種缺陷,如晶界、位錯、微缺陷,和材料中的雜質碳和氧,以及工藝過程中玷污的過渡族金屬是電池轉換效率較低的關鍵原因,因此研究鑄造多晶硅中缺陷和雜質規律,以及采用合適的吸雜、鈍化工藝是進一步提高多晶硅電池效率的關鍵,另外尋找合適的鑄造多晶硅表面織構化方法也是目前低成本制備高效率電池的重要工藝。在這些方面,弗朗霍夫研究所、喬治亞理工學院、新南威爾士大學以及Kysera公司的工作具有一定的代表性。弗朗霍夫研究所實驗室制備的多晶硅太陽電池的轉換效率保持最高紀錄20.4%[3]。喬治亞理工學院使用電阻率0.65(Ω·cm),厚度280μm多晶硅片制作電池,n+發射區的形成和磷吸雜結合,并加雙層減反射膜,1 cm2電池的效率達到18.6%。新南威爾士大學采用類似PERL電池的工藝,但是前表面織構化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結構,在AM 1.5條件下測試1cm2電池的效率達到了19.8%。日本Kysera公司采用體鈍化和表面鈍化技術,PECVD/SiN膜既作減反射膜,又作為體鈍化措施,表面織構化采用反應性粒子刻邊技術, 15 cm×15 cm大面積多晶硅電池效率達17.7%,目前日本正計劃實現這種電池的產業化。

2.2 薄膜硅太陽電池

薄膜硅太陽電池的特征是相對薄(厚度小于100μm)的活性層沉積或附在無活性的支持襯底上,與傳統的300μm厚硅片或硅帶構成的硅太陽電池相比,薄膜硅太陽電池制作的能耗低成本低,也是很有發展前景的太陽電池之一。

多晶硅薄膜太陽電池的制備工藝可分為高溫技術路線和低溫技術路線。其中高溫技術路線以快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)為代表,制備過程中溫度高于600℃,襯底材料要求高,但制備工藝簡單;弗朗霍夫研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用RTCVD技術沉積多晶硅薄膜,硅膜經過區熔再結晶后制備電池,兩種襯底上制得的電池效率分別達到9.3%和11%。低溫技術路線以PECVD為代表,整個加工工藝溫度低于600℃,可用廉價玻璃作襯底因此適合大面積制作,但制備工藝較復雜;日本 Kaneka公司采用PECVD技術在550℃以下和玻璃襯底上制備出具有 PIN結構的多晶硅薄膜電池,效率達到10%。

非晶硅薄膜太陽電池在弱光照射條件下,如早晨、傍晚或者陽光受到一些遮擋,也能有一定的穩定電力輸出,而且溫度系數小,受溫度的影響比晶體硅太陽電池要小得多。典型的非晶硅電池采用PIN和NIP異質結結構,市場上的非晶硅電池大部分是轉換效率比較高的多結電池。在最近幾十年中,非晶硅太陽電池的技術進步主要表現在材料性能和新制備技術的改進上,例如為了提高非晶硅太陽電池的初始效率和光照條件下的穩定性,新工藝如化學退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等在材料性能的改進中發揮了很重要作用。非晶硅薄膜電池制備需要沉積的a-Si,早期都采用射頻PECVD,但是優質的a-Si合金可用甚高頻PECVD技術和微波PECVD技術沉積,在a-Si:H的最佳分解條件下大面積低溫沉積的商業生產技術研究受到了關注。目前,瑞士Oerliken Solar研制的非晶硅單結光伏電池穩定轉換效率已經突破10%[5],這個最新的紀錄可以說是非晶硅光伏技術發展的里程碑。

3 化合物太陽電池技術

與元素半導體硅相比,化合物半導體的種類更多,以CdTe和Cu InGaSe2(簡稱CIGS)為代表的一些化合物半導體能隙寬度易在較大范圍內調節,可實現與太陽光譜很好的匹配,擴展光譜響應范圍獲得更高轉換效率。圖2是一些化合物太陽電池的理論轉換效率[17]。

圖2 一些化合物太陽電池的理論轉換效率

3.1 CdTe電池

CdTe電池的光電轉換效率理論上可達30%,采用CdTe電池發電設備投資成本可實現每峰瓦0.87美元,在價格、穩定性和效率等幾個方面都有不少優勢。不過Cd是一種重金屬,有一定的毒性,曾被認為是大規模發展CdTe光伏技術的一大障礙,但后來的有關研究結果表明,與晶體硅電池以及煤、石油相比,在產生同樣多電量的情況下,CdTe電池排放的Cd和其他重金屬量是最低的。CdTe電池的研發工作主要圍繞電池的關鍵區域如CdTe/CdS接點處、背接觸層的改進。1982年,Kodak實驗室用窄間隔升華法制備出效率超過10%的CdTe電池;1993年南佛羅里達大學在硼硅玻璃上沉積CdTe,使效率達到了15.8%;2001年美國NREL通過預先在硼硅玻璃上沉積CdSnO4層,使效率達到16.5%,這是當前CdTe電池的最高效率紀錄[12]。目前,美國BP Solar,First Solar和德國ANTEC Solar都在積極進行組織 CdTe電池組件的工業化生產,其中First Solar上目前全球最大的CdTe太陽電池制造商,2009年First Solar的CdTe太陽電池的產能已超過1 GW。

3.2 CIGS電池

CIGS電池也是一種很有發展前景的化合物半導體光伏元件。在CIGS中由于Cu y Se(y＜2)的存在而引起的晶化機制大大改善了CIGS薄膜的質量;工藝中從玻璃襯底或含鈉預置層摻入鈉,可以大大提高電池的轉換效率和可靠性,也增加了工藝的包容度;用Ga部分取代早期純Cu InSe2里的In,吸收層的能隙可以從1.04 eV增加到1.1～1.2 eV,這樣可以更好地與太陽光譜匹配,同時電學性質也更優;另外CIGS的背電極改由化學浴沉積的50 nm厚緩沖層與高電導ZnO窗口層組成。由于這些技術的成功應用,CIGS的轉換效率不斷提高,2010年4月德國ZSW生產的CIGS的轉換效率達到了20.1%,突破了NREL保持了16年的紀錄,同年 8月又達到20.3%[10],再次創造了CIGS轉換效率的最新效率紀錄。

無Cd緩沖層生產線的開發,是CIGS技術發展的一個主要目標[18]。目前,In2 S3,ZnS和Zn1-x Mg x O及其衍生物,可以通過化學浴沉積(CBD),離子層氣體反應(ILGAR)和超聲噴霧熱裂解(USP)等方法沉積得到,都被認為是最有潛力的緩沖層材料,并且CBD-ZnS,CBD-In2S3和ILGAR-In2 S3已進入工業化生產。CIGS的另一個研究方向是發展柔性襯底,如不銹鋼和聚合物等,在小面積聚合物襯底上制備的CIGS電池最高效率達到12.8%,在金屬箔和聚合物薄膜上卷對卷沉積技術已進入示范生產階段。在產業化上,面積為20～90 cm2的小型CIGS組件已經取得14%～15%的效率,其工藝可以為大面積商業型組件生產所使用。目前全球有30多家公司置身于CIGS產業,但真正進入市場開發的有德國Wuerth、Surlfu lcell,美國Global Solar Energy,日本Honda、Show a Solar Shell。

4 其他太陽電池技術

染料敏化太陽電池(DSSC)是基于光電化學系統光電轉換原理的一類薄膜太陽電池,通常由導電基底、半導體薄膜、染料敏化劑、電解質和對電極組成并組裝成三明治結構。1991年Gratzel用納米多孔 TiO2電極代替傳統的平板電極, DSSC取得了突破性進展,DSSC電池的最高效率已達到11%,接近商業化的非晶硅太陽電池,而制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10,有望發展成為一種低成本高效率的太陽電池產品。目前已有包括ST I和Toyota/IMRA等在內的多家廠商取得了DSSC電池設計和生產的專利授權,研制大面積電池是DSSC主要的研究方向。澳大利亞STA公司在2001年建立了世界上第一個中試規模的DSSC工廠和200 m2DSSC顯示屋頂;日本夏普、日立、富士等公司在產業化研究上取得了很好的成績;中科院等離子體物理研究所建成了500W的DSSC示范電站。今后DSSC技術發展的課題,是通過新型非釕染料、穩定電解質、優化電池結構等各項關鍵技術的攻關,提升電池效率和壽命。

有機太陽電池是另一類新型太陽電池,與化合物電池、普通硅太陽電池相比更輕薄靈活,而且成本低廉,但是目前研制的器件轉化效率不高,使用壽命偏短,尚處于實驗室研發攻關階段,還不能滿足市場化的要求。

5 太陽能光伏發電的利用

太陽能光伏發電技術的利用形式多種多樣,大體分為離網和并網兩大類,如圖3所示。

圖3 太陽能光伏發電技術的主要利用形式

太陽能光伏發電的利用形式與太陽電池技術的發展有密切關系。早期的太陽電池效率低、成本昂貴,光伏發電主要用于微功率系統如光伏計算器、光伏玩具等。隨著太陽電池技術的發展,獨立集中光伏電站被應用在遠離常規電網的無電地區和一些特殊處所,如村落獨立光伏電站和光伏水泵等。目前光伏技術步入大規模發電階段,光伏發電利用的重點是并網發電,把光伏發電發展成為電力生產的組成部分。并網光伏發電可以采用光伏建筑一體化的技術方案,也可以在荒漠建設大規模的并網光伏電站。光伏建筑一體化將電池方陣安裝在建筑的屋頂或者圍護結構的其他外表上,電池方陣可以提供用戶建筑用電,減少電網供電的壓力;大規?；哪⒕W光伏電站就是在太陽能資源豐富的沙漠和戈壁地帶建設兆瓦級甚至吉瓦級的并網光伏電站,可以作為一種主力電源。

在我國,根據核心組件太陽電池技術的發展分析,太陽能光伏發電技術發展路線如圖4所示。

圖4 我國太陽能光伏發電技術發展路線

未來20年,我國的并網光伏系統仍然將以硅基太陽電池為主,目標是發展高效硅基太陽電池,不斷加強新型廉價太陽電池的開發,組織太陽電池的材料、結構、穩定性等方面的技術攻關,不斷提高光伏發電的裝機容量和系統的穩定性,以及薄膜太陽電池的產業化和商業應用規?；?/p>

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