【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-solarbe文库

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异质结太阳电池的发展趋势与薄片化策略E-mail hlshennuaa.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; gradη, the empirically probed values ρc; J0c, and their general influence at the cell level FF; Voc Nature Energy, 2019, 411, 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 11、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, 305 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 η26.7（ηmax29） 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. η29.15（ηmax43）Science, 2020, 369 1615-1620. η25.5（ηmax31）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, 511 851-859 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29.153、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, 3706522 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