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-solarbe文库

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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 gaopq3mail.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 26.73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 0.6abs/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 2323.5； 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 𝑉𝑞𝑅𝑉𝝆 𝒄 𝑉th 𝜌𝑐 𝑞𝑅𝑉 𝑒𝑉/𝑉th−1 · 𝑉 𝑉th𝑒 𝑉 𝑉th−1 SVgV ⚫ 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 log10𝑉th𝝆 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 /AgIn-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