光伏發電方法的進展探析論文
光伏發電方法的進展探析論文
矽基太陽電池技術
矽基太陽電池是目前商業化最成熟的太陽電池。根據矽的晶體結構,矽基太陽電池可以分為晶體矽和非晶矽電池。其中晶體矽又可以分為單晶矽和多晶矽兩種,單晶矽電池轉換效率高,穩定性好,但成本較高;多晶矽電池效率略低於單晶矽電池,但具有高性價比,已經取代單晶矽成為最主要的光伏材料。原料矽片的成本約佔晶矽電池元件總成本的50%以上,減少矽材料的用量有望有效降低生產成本,因此除了高效化,薄膜化也是晶矽太陽電池發展的方向,區別於傳統矽太陽電池的薄膜矽太陽電池得到了大家的關注。目前多晶矽薄膜電池效率達到10%,非晶矽薄膜電池製作的能耗低、工序簡單、成本低、適合工業化大面積生產。
1晶體矽太陽電池
晶體矽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,並表現在晶體矽電池製備過程中的各種技術的利用上。
(1)去除損傷層
矽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製造過程碎片增多,還會導致電池工作時表面複合機率增大,因此在電池製備前必須將切割損傷層去除,一般採用酸或鹼腐蝕,腐蝕的厚度一般約10μm。
(2)制絨
制絨就是把相對光滑的矽片表面透過酸或鹼腐蝕,使矽片表面變得凹凸不平增加受光面積並對光產生漫反射,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。單晶矽具有各向異性的鹼腐蝕特性,可以採用氫氧化鈉和乙醇的混合鹼溶液腐蝕單晶矽表面,形成無數的金字塔結構,利用制絨工藝通常能夠將單晶矽表面的反射率降到10%以下。對於多晶矽來說,由於材料缺乏各向異性,因此表面制絨比較複雜,目前有機械刻槽法、反應離子刻蝕、酸法腐蝕等,多晶矽的制絨工藝仍是國內外研究的熱點。
(3)擴散制結
擴散的目的在於形成PN接面。由於矽基太陽電池的原料矽片採用P型矽,擴散制結一般採取三氯氧磷氣體攜帶源方式用磷做N型摻雜,採用磷擴散可以實現高濃度摻雜,有利於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,有利於降低成本。大型的生產廠家一般用20.32cm(8英吋)擴散爐進行矽片的擴散、採用大口徑石英管恆溫區長,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270mm。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,這種技術採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複合損失。
(4)邊緣刻蝕
在擴散制結過程中矽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,由於任何微小的區域性短路都會使電池並聯電阻下降,因此必須乾淨地除去矽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矽片周邊表面的擴散層。
(5)沉積減反射膜
為了使矽基太陽電池更有效地獲得太陽光輻射,表面都要製備一層減反射膜,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減反射膜一般都採用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術製作,這種方法利用SiH4與NH3反應在矽片表面沉積一層厚約75nm的SiN,反射率可以降低到3%以下。由於沉積中生成的原子氫,可以很好的鈍化矽表面懸掛鍵,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緻密性,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採用大大提高了多晶矽電池的光電轉換效率,是多晶矽電池商業化生產的關鍵性技術,目前多晶矽電池的產量已經超過單晶矽電池。
(6)製備電極
電極的製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,因此是矽基太陽電池生產過程中的一個重要步驟。目前,矽基太陽電池的電極製備普遍採用絲網印刷法,所用的絲網細柵線為110~150μm,主柵為1.5~2.0mm,由於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。
透過攻關製備工藝流程中的某些環節,製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區域性擴散(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)電池等都是單晶矽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)目前保持著單晶矽電池效率的最高紀錄。PERL電池採用背面點接觸來代替PESC電池的整個背面鋁合金接觸,並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電池相比由於硼擴散層減小了有效表面複合,接觸點間距可以從2mm減小到250μm,接觸孔徑從200μm減小到10μm而不增加背表面的複合,從而大大減小了電池的串聯電阻。4cm2大小的PERL電池在AM1.5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,尤其對於弱吸收光有利。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%,HiPerforma單晶元件轉換效率超過16%[16]。PCC電池和LBSF電池結構與PERL電池類似,也採用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,這樣減小了背面複合,取得22.3%的轉換效率。LBSF電池採用區域性鋁擴散來製作表面接觸,2cm×2cm電池效率達到23.3%。
在高效多晶矽太陽電池的研究中,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,以及工藝過程中玷汙的過渡族金屬是電池轉換效率較低的'關鍵原因,因此研究鑄造多晶矽中缺陷和雜質規律,以及採用合適的吸雜、鈍化工藝是進一步提高多晶矽電池效率的關鍵,另外尋找合適的鑄造多晶矽表面織構化方法也是目前低成本製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製備的多晶矽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(Ωcm),厚度280μm多晶矽片製作電池,n+發射區的形成和磷吸雜結合,並加雙層減反射膜,1cm2電池的效率達到18.6%。新南威爾士大學採用類似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製備的蜂窩結構,在AM1.5條件下測試1cm2電池的效率達到了19.8%。日本Kysera公司採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,表面織構化採用反應性粒子刻邊技術,15cm×15cm大面積多晶矽電池效率達17.7%,目前日本正計劃實現這種電池的產業化。
2薄膜矽太陽電池
薄膜矽太陽電池的特徵是相對薄(厚度小於100μm)的活性層沉積或附在無活性的支援襯底上,與傳統的300μm厚矽片或矽帶構成的矽太陽電池相比,薄膜矽太陽電池製作的能耗低成本低,也是很有發展前景的太陽電池之一。多晶矽薄膜太陽電池的製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,製備過程中溫度高於600℃,襯底材料要求高,但製備工藝簡單;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技術沉積多晶矽薄膜,矽膜經過區熔再結晶後製備電池,兩種襯底上製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於600℃,可用廉價玻璃作襯底因此適合大面積製作,但製備工藝較複雜;日本Kaneka公司採用PECVD技術在550℃以下和玻璃襯底上製備出具有PIN結構的多晶矽薄膜電池,效率達到10%。
非晶矽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,而且溫度係數小,受溫度的影響比晶體矽太陽電池要小得多。典型的非晶矽電池採用PIN和NIP異質結結構,市場上的非晶矽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,非晶矽太陽電池的技術進步主要表現在材料效能和新制備技術的改進上,例如為了提高非晶矽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、脈衝氖燈光照法、氫稀釋法、交替澱積與氫處理法、摻氟、本徵層摻痕量硼法等在材料效能的改進中發揮了很重要作用。非晶矽薄膜電池製備需要沉積的a-Si,早期都採用射頻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OerlikenSolar研製的非晶矽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矽光伏技術發展的里程碑。
化合物太陽電池技術
與元素半導體矽相比,化合物半導體的種類更多,以CdTe和CuInGaSe2(簡稱CIGS)為代表的一些化合物半導體能隙寬度易在較大範圍內調節,可實現與太陽光譜很好的匹配,擴充套件光譜響應範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]。
1CdTe電池
CdTe電池的光電轉換效率理論上可達30%,採用CdTe電池發電裝置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,但後來的有關研究結果表明,與晶體矽電池以及煤、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實驗室用窄間隔昇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矽玻璃上沉積CdTe,使效率達到了15.8%;2001年美國NREL透過預先在硼矽玻璃上沉積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BPSolar,FirstSolar和德國ANTECSolar都在積極進行組織CdTe電池元件的工業化生產,其中FirstSolar上目前全球最大的CdTe太陽電池製造商,2009年FirstSolar的CdTe太陽電池的產能已超過1GW。
2CIGS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中由於CuySe(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CuInSe2裡的In,吸收層的能隙可以從1.04eV增加到1.1~1.2eV,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50nm厚緩衝層與高電導ZnO視窗層組成。由於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緩衝層生產線的開發,是CIGS技術發展的一個主要目標[18]。目前,In2S3,ZnS和Zn1-xMgxO及其衍生物,可以透過化學浴沉積(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衝層材料,並且CBD-ZnS,CBD-In2S3和IL-GAR-In2S3已進入工業化生產。CIGS的另一個研究方向是發展柔性襯底,如不鏽鋼和聚合物等,在小面積聚合物襯底上製備的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範生產階段。在產業化上,面積為20~90cm2的小型CIGS元件已經取得14%~15%的效率,其工藝可以為大面積商業型元件生產所使用。目前全球有30多家公司置身於CIGS產業,但真正進入市場開發的有德國Wuerth、Surlfulcell,美國GlobalSolarEnergy,日本Honda、ShowaSolarShell。
其他太陽電池技術
染料敏化太陽電池(DSSC)是基於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並組裝成三明治結構。1991年Gratzel用奈米多孔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%,接近商業化的非晶矽太陽電池,而製作成本僅為矽太陽電池的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STI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,研製大面積電池是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200m2DSSC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示範電站。今後DSSC技術發展的課題,是透過新型非釕染料、穩定電解質、最佳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、普通矽太陽電池相比更輕薄靈活,而且成本低廉,但是目前研製的器件轉化效率不高,使用壽命偏短,尚處於實驗室研發攻關階段,還不能滿足市場化的要求。
太陽能光伏發電的利用
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併網發電,把光伏發電發展成為電力生產的組成部分。併網光伏發電可以採用光伏建築一體化的技術方案,也可以在荒漠建設大規模的併網光伏電站。光伏建築一體化將電池方陣安裝在建築的屋頂或者圍護結構的其他外表上,電池方陣可以提供使用者建築用電,減少電網供電的壓力;大規模荒漠併網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併網光伏電站,可以作為一種主力電源。
未來20年,我國的併網光伏系統仍然將以矽基太陽電池為主,目標是發展高效矽基太陽電池,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模化。