太阳能光伏发电技术的特点及其发展

吴福保,王湘艳

(国网电科院清洁能源发电研究所,南京 210003)

化石燃料日趋枯竭的危机局面正一步一步威胁人类的生存,传统化石能源使用过程中产生的环境污染和温室效应正在导致一系列生态灾难。在此背景下,太阳能作为一种清洁的、可再生能源引起能源界大量的技术研发投入。太阳能光伏发电具有安全可靠、能源质量高、无枯竭危险、无噪声、无污染、无需消耗燃料、无需架输电线路、可以方便地与建筑物相结合、维修保养简单、维护费用低等优点,是未来太阳能大规模利用的方式,成为太阳能利用的重点研究领域。本文将对太阳能光伏发电技术的特点及其发展进行详细的介绍与分析。

1 光伏发电技术的研究进展

太阳电池是太阳能光伏发电技术的核心器件,提高太阳电池的光电转换效率和降低其生产成本是现阶段实现光伏发电向替代能源甚至主力能源过渡的主要途径和主攻目标,太阳能光伏发电的发展历史就是太阳电池的发展史。1839年, Becquerel把两个涂敷卤化银的金属电极浸在稀酸溶液中,发现当光照电极时会产生额外的电势,此现象被他称为“光生伏打效应”。1877年W. G.Adam s研究了硒的光伏效应,并制作第一片硒太阳电池。1940年Russel Ohl发现了硅材料的光伏效应。1954年Chapin和Pearson首次制成了实用的单晶硅太阳电池,当时的效率为6%,成为光伏发展史上的一个里程碑,标志光伏发电的实际应用真正开始迈步。同年,韦克尔发现了GaAs亦有光伏效应,并在玻璃上沉积CdS薄膜,制成第一块薄膜太阳电池。1957年硅太阳电池的光电转换效率达到8%,1958年太阳电池首次在空间应用,装备在美国先锋1号卫星上。1995年,太阳电池的转换效率实现奇迹般飞跃,高效聚光GaAs太阳电池效率达到32%,高于以往任何水平。1996年以来,世界光伏发电高速发展,应用范围越来越广,尤其是各国有关太阳能光伏屋顶计划的提出,为光伏发电展现了无限光明的未来。据报道,迄今为止各类太阳电池的最高光电转换效率见表1。

2 硅基太阳电池技术

硅基太阳电池是目前商业化最成熟的太阳电池。根据硅的晶体结构,硅基太阳电池可以分为晶体硅和非晶硅电池。其中晶体硅又可以分为单晶硅和多晶硅两种,单晶硅电池转换效率高,稳定性好,但成本较高;多晶硅电池效率略低于单晶硅电池,但具有高性价比,已经取代单晶硅成为最主要的光伏材料。原料硅片的成本约占晶硅电池组件总成本的50%以上,减少硅材料的用量有望有效降低生产成本,因此除了高效化,薄膜化也是晶硅太阳电池发展的方向,区别于传统硅太阳电池的薄膜硅太阳电池得到了大家的关注。目前多晶硅薄膜电池效率达到10%,非晶硅薄膜电池制作的能耗低、工序简单、成本低、适合工业化大面积生产。

2.1 晶体硅太阳电池

晶体硅电池的结构设计和工艺技术的发展都是围绕着提高电子的收集率和增大入射光的利用率来展开的,并表现在晶体硅电池制备过程中的各种技术的利用上。

(1)去除损伤层 硅片在切割过程中会产生大量的表面缺陷,导致表面的质量较差和电池制造过程碎片增多,还会导致电池工作时表面复合几率增大,因此在电池制备前必须将切割损伤层去除,一般采用酸或碱腐蚀,腐蚀的厚度一般约10μm。

(2)制绒 制绒就是把相对光滑的硅片表面通过酸或碱腐蚀,使硅片表面变得凹凸不平增加受光面积并对光产生漫反射,这样可以减少直射损失提高太阳光的利用效率。计算表明金字塔形角锥体的受光面积可比光滑平板增加1.732倍。单晶硅具有各向异性的碱腐蚀特性,可以采用氢氧化钠和乙醇的混合碱溶液腐蚀单晶硅表面,形成无数的金字塔结构,利用制绒工艺通常能够将单晶硅表面的反射率降到10%以下。对于多晶硅来说,由于材料缺乏各向异性,因此表面制绒比较复杂,目前有机械刻槽法、反应离子刻蚀、酸法腐蚀等,多晶硅的制绒工艺仍是国内外研究的热点。

(3)扩散制结 扩散的目的在于形成PN结。由于硅基太阳电池的原料硅片采用P型硅,扩散制结一般采取三氯氧磷气体携带源方式用磷做N型掺杂,采用磷扩散可以实现高浓度掺杂,有利于降低电池的串联电阻从而提高其填充因子,这个工艺的特点是生产效率高,有利于降低成本。大型的生产厂家一般用20.32 cm(8英吋)扩散炉进行硅片的扩散、采用大口径石英管恒温区长,可以提高扩散薄层电阻均匀性。目前扩散炉的石英管口径达270 mm。除了均匀扩散制结工艺外,选择性扩散制结工艺也是一种重要的产业化生产技术,这种技术采用在栅线下进行扩散的方式,不仅能保证低的接触电阻和好的填充因子,而且能够减小接触造成的前表面复合损失。

表1 各类太阳电池的最高光电转换效率汇总

(4)边缘刻蚀 在扩散制结过程中硅片的周边表面也会形成了扩散层,这种扩散层将导致上下电极短路,由于任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降,因此必须干净地除去硅片周边表面的扩散层,目前工业化生产常用等离子刻蚀去除硅片周边表面的扩散层。

(5)沉积减反射膜 为了使硅基太阳电池更有效地获得太阳光辐射,表面都要制备一层减反射膜,减少表面的反射损失。目前常用的减反射膜有TiO2,SiO2和SiN及其组合,在商业化生产中SiN减反射膜一般都采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术制作,这种方法利用SiH4与NH 3反应在硅片表面沉积一层厚约75 nm的SiN,反射率可以降低到3%以下。由于沉积中生成的原子氢,可以很好的钝化硅表面悬挂键,因此PECVD还能起到很好的钝化效果从而可以提高载流子迁移率,而且SiN层具有良好的绝缘性和致密性,可以阻止杂质原子,特别是Na原子渗透进入电池基体。PECVD沉积减反射膜技术的采用大大提高了多晶硅电池的光电转换效率,是多晶硅电池商业化生产的关键性技术,目前多晶硅电池的产量已经超过单晶硅电池。

(6)制备电极电极的制备不仅决定了发射区的结构,而且也决定了电池的串联电阻和电池表面被金属覆盖的面积,因此是硅基太阳电池生产过程中的一个重要步骤。目前,硅基太阳电池的电极制备普遍采用丝网印刷法,所用的丝网细栅线为110～150μm,主栅为1.5～2.0 mm,由于电极的存在有遮光的效果导致太阳电池效率降低的损失在8%左右,因此如何进一步减小电极宽度是当前研究的热点。

通过攻关制备工艺流程中的某些环节,制备出许多高效的太阳电池。例如新南威尔士大学的钝化发射区背局部扩散(PERL)电池[1],斯坦福大学的背面点接触(PCC)电池以及弗朗霍夫研究所的局域化背表面场(LBSF)电池等都是单晶硅高效电池的典型代表。在钝化发射区(PESC)电池和钝化发射区背表面(PERC)电池基础上研发出来的PERL电池(结构如图1)目前保持着单晶硅电池效率的最高纪录。

PERL电池采用背面点接触来代替PESC电池的整个背面铝合金接触,并在背面接触点下增加了一个浓硼扩散层,可以减小金属接触电阻,与PERC电池相比由于硼扩散层减小了有效表面复合,接触点间距可以从2 mm减小到250μm,接触孔径从200μm减小到10μm而不增加背表面的复合,从而大大减小了电池的串联电阻。4 cm2大小的PERL电池在AM 1.5光照条件下,转换效率达到25%[1]。PERL电池的另一个特点是具有极好的陷光效应:PERL电池具有一种倒金字塔和背反射器(铝层覆盖的背SiO2层)组合而成的陷光结构,光在电池内部往返多次大大增加了传输路径,尤其对于弱吸收光有利。2009年无锡尚德的PERL电池已经实现了量产,开发的PlutoTM(冥王星)太阳电池片效率突破性地提高到了19%,HiPerform a单晶组件转换效率超过16%[16]。

图1 钝化发射区背局部扩散(PERL)电池

PCC电池和 LBSF电池结构与PERL电池类似,也采用TCA氧化层钝化和倒金字塔结构,不过5μm接触孔径的金属电极成点状设计在电池的背面,基区也做成同样的形状,这样减小了背面复合,取得22.3%的转换效率。LBSF电池采用局部铝扩散来制作表面接触,2 cm×2 cm电池效率达到23.3%。

在高效多晶硅太阳电池的研究中,一般认为材料中的各种缺陷,如晶界、位错、微缺陷,和材料中的杂质碳和氧,以及工艺过程中玷污的过渡族金属是电池转换效率较低的关键原因,因此研究铸造多晶硅中缺陷和杂质规律,以及采用合适的吸杂、钝化工艺是进一步提高多晶硅电池效率的关键,另外寻找合适的铸造多晶硅表面织构化方法也是目前低成本制备高效率电池的重要工艺。在这些方面,弗朗霍夫研究所、乔治亚理工学院、新南威尔士大学以及Kysera公司的工作具有一定的代表性。弗朗霍夫研究所实验室制备的多晶硅太阳电池的转换效率保持最高纪录20.4%[3]。乔治亚理工学院使用电阻率0.65(Ω·cm),厚度280μm多晶硅片制作电池,n+发射区的形成和磷吸杂结合,并加双层减反射膜,1 cm2电池的效率达到18.6%。新南威尔士大学采用类似PERL电池的工艺,但是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构,在AM 1.5条件下测试1cm2电池的效率达到了19.8%。日本Kysera公司采用体钝化和表面钝化技术,PECVD/SiN膜既作减反射膜,又作为体钝化措施,表面织构化采用反应性粒子刻边技术, 15 cm×15 cm大面积多晶硅电池效率达17.7%,目前日本正计划实现这种电池的产业化。

2.2 薄膜硅太阳电池

薄膜硅太阳电池的特征是相对薄(厚度小于100μm)的活性层沉积或附在无活性的支持衬底上,与传统的300μm厚硅片或硅带构成的硅太阳电池相比,薄膜硅太阳电池制作的能耗低成本低,也是很有发展前景的太阳电池之一。

多晶硅薄膜太阳电池的制备工艺可分为高温技术路线和低温技术路线。其中高温技术路线以快速热化学气相沉积(RTCVD)、常压化学气相沉积(APCVD)为代表,制备过程中温度高于600℃,衬底材料要求高,但制备工艺简单;弗朗霍夫研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,用RTCVD技术沉积多晶硅薄膜,硅膜经过区熔再结晶后制备电池,两种衬底上制得的电池效率分别达到9.3%和11%。低温技术路线以PECVD为代表,整个加工工艺温度低于600℃,可用廉价玻璃作衬底因此适合大面积制作,但制备工艺较复杂;日本 Kaneka公司采用PECVD技术在550℃以下和玻璃衬底上制备出具有 PIN结构的多晶硅薄膜电池,效率达到10%。

非晶硅薄膜太阳电池在弱光照射条件下,如早晨、傍晚或者阳光受到一些遮挡,也能有一定的稳定电力输出,而且温度系数小,受温度的影响比晶体硅太阳电池要小得多。典型的非晶硅电池采用PIN和NIP异质结结构,市场上的非晶硅电池大部分是转换效率比较高的多结电池。在最近几十年中,非晶硅太阳电池的技术进步主要表现在材料性能和新制备技术的改进上,例如为了提高非晶硅太阳电池的初始效率和光照条件下的稳定性,新工艺如化学退火法、脉冲氖灯光照法、氢稀释法、交替淀积与氢处理法、掺氟、本征层掺痕量硼法等在材料性能的改进中发挥了很重要作用。非晶硅薄膜电池制备需要沉积的a-Si,早期都采用射频PECVD,但是优质的a-Si合金可用甚高频PECVD技术和微波PECVD技术沉积,在a-Si:H的最佳分解条件下大面积低温沉积的商业生产技术研究受到了关注。目前,瑞士Oerliken Solar研制的非晶硅单结光伏电池稳定转换效率已经突破10%[5],这个最新的纪录可以说是非晶硅光伏技术发展的里程碑。

3 化合物太阳电池技术

与元素半导体硅相比,化合物半导体的种类更多,以CdTe和Cu InGaSe2(简称CIGS)为代表的一些化合物半导体能隙宽度易在较大范围内调节,可实现与太阳光谱很好的匹配,扩展光谱响应范围获得更高转换效率。图2是一些化合物太阳电池的理论转换效率[17]。

图2 一些化合物太阳电池的理论转换效率

3.1 CdTe电池

CdTe电池的光电转换效率理论上可达30%,采用CdTe电池发电设备投资成本可实现每峰瓦0.87美元,在价格、稳定性和效率等几个方面都有不少优势。不过Cd是一种重金属,有一定的毒性,曾被认为是大规模发展CdTe光伏技术的一大障碍,但后来的有关研究结果表明,与晶体硅电池以及煤、石油相比,在产生同样多电量的情况下,CdTe电池排放的Cd和其他重金属量是最低的。CdTe电池的研发工作主要围绕电池的关键区域如CdTe/CdS接点处、背接触层的改进。1982年,Kodak实验室用窄间隔升华法制备出效率超过10%的CdTe电池;1993年南佛罗里达大学在硼硅玻璃上沉积CdTe,使效率达到了15.8%;2001年美国NREL通过预先在硼硅玻璃上沉积CdSnO4层,使效率达到16.5%,这是当前CdTe电池的最高效率纪录[12]。目前,美国BP Solar,First Solar和德国ANTEC Solar都在积极进行组织 CdTe电池组件的工业化生产,其中First Solar上目前全球最大的CdTe太阳电池制造商,2009年First Solar的CdTe太阳电池的产能已超过1 GW。

3.2 CIGS电池

CIGS电池也是一种很有发展前景的化合物半导体光伏元件。在CIGS中由于Cu y Se(y＜2)的存在而引起的晶化机制大大改善了CIGS薄膜的质量;工艺中从玻璃衬底或含钠预置层掺入钠,可以大大提高电池的转换效率和可靠性,也增加了工艺的包容度;用Ga部分取代早期纯Cu InSe2里的In,吸收层的能隙可以从1.04 eV增加到1.1～1.2 eV,这样可以更好地与太阳光谱匹配,同时电学性质也更优;另外CIGS的背电极改由化学浴沉积的50 nm厚缓冲层与高电导ZnO窗口层组成。由于这些技术的成功应用,CIGS的转换效率不断提高,2010年4月德国ZSW生产的CIGS的转换效率达到了20.1%,突破了NREL保持了16年的纪录,同年 8月又达到20.3%[10],再次创造了CIGS转换效率的最新效率纪录。

无Cd缓冲层生产线的开发,是CIGS技术发展的一个主要目标[18]。目前,In2 S3,ZnS和Zn1-x Mg x O及其衍生物,可以通过化学浴沉积(CBD),离子层气体反应(ILGAR)和超声喷雾热裂解(USP)等方法沉积得到,都被认为是最有潜力的缓冲层材料,并且CBD-ZnS,CBD-In2S3和ILGAR-In2 S3已进入工业化生产。CIGS的另一个研究方向是发展柔性衬底,如不锈钢和聚合物等,在小面积聚合物衬底上制备的CIGS电池最高效率达到12.8%,在金属箔和聚合物薄膜上卷对卷沉积技术已进入示范生产阶段。在产业化上,面积为20～90 cm2的小型CIGS组件已经取得14%～15%的效率,其工艺可以为大面积商业型组件生产所使用。目前全球有30多家公司置身于CIGS产业,但真正进入市场开发的有德国Wuerth、Surlfu lcell,美国Global Solar Energy,日本Honda、Show a Solar Shell。

4 其他太阳电池技术

染料敏化太阳电池(DSSC)是基于光电化学系统光电转换原理的一类薄膜太阳电池,通常由导电基底、半导体薄膜、染料敏化剂、电解质和对电极组成并组装成三明治结构。1991年Gratzel用纳米多孔 TiO2电极代替传统的平板电极, DSSC取得了突破性进展,DSSC电池的最高效率已达到11%,接近商业化的非晶硅太阳电池,而制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10,有望发展成为一种低成本高效率的太阳电池产品。目前已有包括ST I和Toyota/IMRA等在内的多家厂商取得了DSSC电池设计和生产的专利授权,研制大面积电池是DSSC主要的研究方向。澳大利亚STA公司在2001年建立了世界上第一个中试规模的DSSC工厂和200 m2DSSC显示屋顶;日本夏普、日立、富士等公司在产业化研究上取得了很好的成绩;中科院等离子体物理研究所建成了500W的DSSC示范电站。今后DSSC技术发展的课题,是通过新型非钌染料、稳定电解质、优化电池结构等各项关键技术的攻关,提升电池效率和寿命。

有机太阳电池是另一类新型太阳电池,与化合物电池、普通硅太阳电池相比更轻薄灵活,而且成本低廉,但是目前研制的器件转化效率不高,使用寿命偏短,尚处于实验室研发攻关阶段,还不能满足市场化的要求。

5 太阳能光伏发电的利用

太阳能光伏发电技术的利用形式多种多样,大体分为离网和并网两大类,如图3所示。

图3 太阳能光伏发电技术的主要利用形式

太阳能光伏发电的利用形式与太阳电池技术的发展有密切关系。早期的太阳电池效率低、成本昂贵,光伏发电主要用于微功率系统如光伏计算器、光伏玩具等。随着太阳电池技术的发展,独立集中光伏电站被应用在远离常规电网的无电地区和一些特殊处所,如村落独立光伏电站和光伏水泵等。目前光伏技术步入大规模发电阶段,光伏发电利用的重点是并网发电,把光伏发电发展成为电力生产的组成部分。并网光伏发电可以采用光伏建筑一体化的技术方案,也可以在荒漠建设大规模的并网光伏电站。光伏建筑一体化将电池方阵安装在建筑的屋顶或者围护结构的其他外表上,电池方阵可以提供用户建筑用电,减少电网供电的压力;大规模荒漠并网光伏电站就是在太阳能资源丰富的沙漠和戈壁地带建设兆瓦级甚至吉瓦级的并网光伏电站,可以作为一种主力电源。

在我国,根据核心组件太阳电池技术的发展分析,太阳能光伏发电技术发展路线如图4所示。

图4 我国太阳能光伏发电技术发展路线

未来20年,我国的并网光伏系统仍然将以硅基太阳电池为主,目标是发展高效硅基太阳电池,不断加强新型廉价太阳电池的开发,组织太阳电池的材料、结构、稳定性等方面的技术攻关,不断提高光伏发电的装机容量和系统的稳定性,以及薄膜太阳电池的产业化和商业应用规模化。

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