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光伏技术面临的挑战与机遇沈辉 shenhui1956163.com 中山大学太阳能系统研究所顺德中山大学太阳能研究院主要内容光伏技术研究课题光伏产业技术发展光伏技术综合评价光伏技术的环境问题光伏技术经济问题光伏技术社会效益光伏技术前景展望光伏技术研究课题新型太阳电池技术背景 1954年贝尔实验室研制出实用化晶体硅太阳电池以来，经过近 60年的研究发展，光伏技术作为一种全新的发电方式越来越引起世界各国的高度关注。美国、日本、德国等都投入巨资加大研发力度和产业化推进进程。从以硅片为衬底的第一类晶体硅电池，到以薄膜技术为主的第二类薄膜太阳电池，人们不断追求的目标主要是高的光电转换效率与低的生产成本，最终能够将这种技术作为一种最实用发电技术推向规模化应用，以有效应对全球日益严重的能源短缺与环境污染。现状就原理、技术与材料而言，晶体硅电池，还是薄膜电池都属于同一代，它们将长期共同发展，相辅相成，互相促进，两者之间不存在势不两立的矛盾。事实上，各种太阳电池各有特点，各有特定适合的市场，每种都有发展的空间。在太阳电池技术的发展过程中，世界各国多个研究机构一直在追求最高的转换效率，对多种材料、多种技术都进行了探索。表 1 展示了至今为止的各类电池的实验室与商业化产品的世界记录。然而，决定太阳电池能否推广的指标不仅是效率，而且在某种情况下，生产成本显得更为重要。至今为止，市场主流以晶体硅电池为主，薄膜电池为辅，预计这种状况未来很长一段时间不会改变。这两种电池面临的共同问题是效率不是很高（特定市场使用的砷化镓电池除外），因此促使人们从根本的变革考虑，即基于原理、技术突破，开展新一代即新型太阳电池研究与开发。表 1a 展示了至今为止的各类电池的世界记录实验室 * 表 1b 展示了至今为止的各类电池的世界记录企业产品 ** 新型太阳电池技术新型电池的最大特点就是高的光电转换效率，其效率能够达到 30甚至更高。目前在现有硅电池或薄膜电池技术基础上，基于丰富的原料，在原理、技术上有所突破，先后出现多种太阳电池新概念与新技术，有可能成为新型太阳电池的主要有多结太阳电池（ multi-junction solar cells）晶体硅单结太阳电池的理论效率不超过 30。因此要获得更高的效率，由多个 p-n结堆叠构成的多结太阳电池就成为一个重要的研发方向。多结太阳电池，顾名思义，就是一片太阳电池包含 2个或者更多个半导体 p-n结，不同 p-n结吸收不同频率范围的光波，即光谱分割利用，使得太阳辐射在整个光谱范围内得到最大程度的利用，从而达到提高太阳电池的转换效率的目的。一般来说，具有 3-5个 p-n结的多结太阳电池的光电转换效率就可以达到 40-50甚至更高，但实际上不管是从材料选择、带隙匹配及制造工艺等方面来看，都存在很大的难度。而且 p-n结过多，不仅成本上升，也将会导致不同 p-n结之间的输出电流难以匹配，最后反而降低效率。新型太阳电池技术如果将晶体硅作为底部电池，在其上构建一个带隙为约 1.8 eV的上部电池，就可形成双结电池，效率可以达到 42；而将晶体硅作为底部电池，带隙为 2.0 eV和 1.5 eV的分别作为上部和中部电池，则效率可以就可达到 47。显然，如果 2到 3个 p-n结的太阳电池的效率能够达到 40-50，这对于高效太阳电池的产业化开发，不管是从技术上还是经济上都是极为有利的。在多结太阳电池中，不同 p-n结的排列顺序取决于半导体材料带隙的大小，简单地来说，对应于光谱的蓝、绿、黄、红及红外等波段，带隙最宽的一层要在最上面，用来吸收能量高的的波段，如蓝、绿波段，之后就按带隙减少的顺序排列，最下面的一层吸收能量低的波段，例如红及红外波段图 1。这样排列的依据是，能量高的光子穿透能力差，而能量低的光子穿透能力强。图 1 3个 p-n结太阳电池的光谱分割利用原理图新型太阳电池技术目前多结太阳电池的造价比较昂贵，除去材料因素，其最大的原因是目前的制备手段仅限于分子束外延（ MBE）和金属有机化合物化学气相沉积（ MOCVD），对设备的要求高，而且生产效率低。但随着研究不断深入与技术不断进步，相信其生产成本会有较大的下降。现在的多结太阳电池基本上是以化合物半导体为主，所用原料极为稀少，不可能支撑大规模生产与应用，这类电池主要应用于地面聚光光伏系统。因此，从推广应用来看，必须加强开发以硅为主或者能够大规模应用的某些新材料为主的多结太阳电池技术，才是我们所面临的问题与挑战。目前来看，采用 III－ V族化合物如砷化镓为基础制备多叠层电池可以达到很高的效率，但是这类半导体原料不足，而且造价太高，主要用于太空技术或地面高倍聚光，不适合地面规模化推广。新型太阳电池技术量子点（ quantum dot）技术量子点技术是基于一种在纳米尺寸下的材料的特殊性能。由于电子和空穴被量子限域，因此量子点拥有大块材料所缺少的光量子性质。量子点技术的特点就是可以实现材料的能带结构可调，即太阳电池所吸收的的波段是可以调节的。一般来说，半导体的带隙宽，所吸收的光子的截止能量就高，对应的输出电压也高。如果带隙窄，所吸收的光子截止能量就小，对应的输出电压就低。因此，把不同尺寸的量子点组合在一起，就可能组合最佳的带隙匹配，以使电池获得最大的转换效率图 2。与传统的结晶态半导体相比，量子点可以被制成各种各样的形式，如平面的、三维的。此外，量子点技术比较容易和有机聚合物、染料或者多孔薄膜材料结合。通过溶胶 -凝胶的方法，还可以把量子点材料沉积在塑料、玻璃、金属之类的廉价衬底上而形成 p-n结。新型太阳电池技术图 2 不同尺寸量子点构成的高效太阳电池新型太阳电池技术热载流子太阳电池 hot carrier solar cells 一般来说， 1个光子激发 1对电子 -空穴之后，光子的多余能量将赋予载流子较高的热能。这些载流子发生碰撞并不造成能量损失，而是导致能量在载流子（电子、空穴）之间重新分配。此后载流子才与晶格发生碰撞，将把能量传给晶格。但在光照之后，如果电子和空穴不能被有效分离到正、负极，它们就会重新复合。对于热载流子电池，必须在电子和空穴冷却之前，将它们收集到正、负极。为此，采用超晶格结构作为吸收层可以延缓载流子冷却，这样就可以增加光的吸收层的厚度，从而提高对光的吸收。从理论上看，热载流子电池可以达到多层堆叠的电池相同的转换效率，但目前在材料的制备方法上还是存在一些问题。热载流子还有另外一种应用方法。要提高太阳电池的转换效率，必须将光能尽可能多的激发电子 -空穴对，而避免其转化成热能白白浪费掉。如果一个高能量光子电离出一对电子 -空穴对并使它们成为具有多余能量的 “ 热载流子 ” ，而这个热载流子具有的多余能量仍高于激发一对电子 -空穴对所需要的能量，那么这个热载流子就完全有可能通过声子把多余的能量用来产生第二对甚至第三对电子 -空穴对，这样对提高太阳电池效率无疑是具有重要作用的。新型太阳电池技术多年来，以上 3种太阳电池的研究相对比较广泛和深入，澳大利亚新南威尔士大学对这类新型太阳电池做过较多的创造性的发展。此外，美国、德国及日本等多个研发机构始终将新型太阳电池的研发作为重要的发展目标。我国在最近几年多个大学和中科院的多个研究所，都开始将新一代太阳电池的发展作为重要的科研项目在推进。当然，新一代太阳电池的研究的成果还有很多种，如中间带隙太阳电池、光谱频率转换技术以及高效有机聚合物太阳电池，但由于这些仅处于理论阶段，离实际应用还有很长的路要走。事实上，与许多新技术发展类似，太阳电池进步的最核心、最主要的难题还是新材料研制或材料制备新工艺开发等，许多技术进步都直接与新材料有关。相信通过新概念、新原理的发展和相关技术的发展与突破，各类适应市场需求的太阳电池技术都有发展空间 ,如选择性发射极电池、双面受光太阳电池、 EWT、 MWT、背面电极、 HIT太阳电池及彩色太阳电池等。不久将来，能在地面上规模化应用的 30左右的转换效率的高效电池有可能会问世。光伏产业技术发展目前规模化晶体硅太阳电池的生产的最高水平已经实现的转换效率在 20以上，而规模化生产的薄膜太阳电池效率的最高水平达到了 10以上。从光伏技术近期需要和发展来看，就目前太阳电池的技术水平还有许多值得提升与改善的空间。太阳电池的技术进步所涉及的面很广，从相关材料、生产工艺到装备，都有需要进一步解决或提升的若干问题。但从规模化生产与推广应用考虑，除了效率与成本问题，也要适应市场的各种需求，以下就光伏技术值得关注的重点发展方向和领域进行简单说明晶体生长和切片技术进展多晶硅材料生产厂家大多数采用西门子工艺制备 75, 2013,采用流化床反应器 FBR, Fluidized bed reactor方法呈上升趋势 15, 2013，预计两年内流化床反应器方法将上升到 20[10]。硅材料铸锭技术也在持续发展，目前主流多晶硅锭重量为 600 kg左右，随着铸锭技术的发展， 1000 kg以及超过 1000 kg将可能在 5-10年内成为主流产品。光伏产业技术发展在切片技术方面，采用砂浆 slurry 切割是目前的主流技术，切割损失约为 150 µm/每硅片，但是金刚线切割技术将由于成本优势在未来数年内迅速推广切割损失目前为 140 µm，特别是对单晶硅电池。根据预测，到 2015年采用金刚线切割的硅片成本约为 2012年成本的 55，产能也比砂浆法高出 30以上。伴随着切片技术的发展，硅片厚度也将继续下降，目前太阳电池的厚度约为 170 µm，预计 2年内主流产品厚度将下降 10 µm。在硅片类型方面，目前主流的产品为 p型硼掺杂单晶硅片与 p型硼掺杂多晶硅片。类单晶硅 quasi-mono c-Si 多晶硅片技术还存在争议，但目前看来在整个硅锭上良率存在问题。值得注意的是高效多晶硅片 HP, high performance 在近年内发展迅猛，很有可能在未来占领主流市场。而对于单晶硅片，光致衰减效应 light-induced degradation 将对高效电池造成重大的影响，这对超过 20高效电池而言将是巨大的挑战，目前业界前景较为明朗的是采用 n型磷掺杂硅片，但是也不排除采用低成本的 p 型 FZ硅片的可能。光伏产业技术发展效率 20的高效晶体硅电池目前常规工艺单晶硅电池效率可以达到 19左右，多晶硅电池效率达到 17 左右。通过选择性发射极一般可以将电池效率提高 0.3-0.5左右、采用均匀高方阻发射极约可将效率提高 0.2-0.3左右；金属贯孔的 MWT电池具有减少前表面遮光的优势，目前在量产上德国厂商 Bosch、中国阿特斯以及英利均达到 19.4-19.8水平。超过 20效率采用背面钝化技术是必需的，目前国内外众多研究所与光伏厂商均投入巨大在背面钝化技术上，目前背面钝化电池效率约为 19.8-20之间，其中德国的 Schott Solar公司遥遥领先，在试验线上达到了 21.3以及 306 W的 60片电池组件世界纪录。光伏产业技术发展背钝化技术也可与多种其他结构，如与 MWT技术结合，德国 Fraunhofer-ISE 达到了 20.2-20.3。而采用全背电极（ IBC）、晶体硅 -非晶硅异质结（ HIT）两种技术，可以实现 22-24的转换效率。但这两类电池对硅片有特殊要求，主要要求必须是 n型硅片，而且对硅片的少子寿命要求很高（ 1000 µs甚至更高）。从近期发展来看，发展高效低成本（ 20以上效率，组件价格 3-4元每瓦）晶体硅太阳电池是最重要、最迫切的课题，可以加快实现光伏发电平价上网的目标，这对于大规模推广光伏技术是非常关键和具有重要价值的。光伏产业技术发展双面受光晶体硅电池随着硅片厚度变小，常规全铝背场导致的电池翘曲将越来越严重，只有通过局部背场 LBSF, local back surface field, 或者全硼背场才能解决。因此建立先进的硼扩散工艺尤为重要，同时通过硼背场可以实现太阳电池两面受光，提高太阳电池单位面积的发电量，也可以给太阳电池的安装朝向带来更多的选择，这尤其利于 BIPV的推广。目前这类产品只有在日本实现小规模产业化。我国是建筑业迅速发展的大国，发展 BIPV技术对于我国节能建筑、绿色建筑发展具有很好的促进作用。光伏产业技术发展具有装饰效果的彩色电池在过去，晶体硅太阳电池一般是黑色，而现在由于多采用氮化硅作为减反射、钝化薄膜，晶体硅电池多为深蓝色，这对于与光伏建筑集成（ BIPV）显得有些单调，通过采用氧化硅、氮化硅、氧化铝等多种薄膜组合，可以实现彩色电池。中山大学在这方面具有自主知识产权，可以通过磁控溅射、真空蒸镀等技术，在不影响效率的情况下，研制了多种彩色电池（紫、黄、绿加上原有的蓝色）生产（图 3），这可以加强太阳电池的装饰性功能，同时也拓展太阳电池的应用范围和提升应用品位。图 3 156 mm 156 mm 多晶硅彩色电池图 4 光伏建筑组件可以作为窗户，既可透光又可以发电光伏产业技术发展高效光伏组件光伏组件的封装技术对充分利用太阳电池的效率起着关键性作用。研究课题主要围绕着降低组件的电阻损失，增强组件的陷光性能和组件内部电池匹配性等问题。由于封装技术的差异，目前，主流的多晶硅组件功率介于 250 W 至 270 W 含 60片电池之间。封装材料包括玻璃、 EVA，背板，接线盒，边框，灌封胶等。选择高性能的材料可以有效提高传统光伏组件的功率，同时降低 PID potential induced degradation 的影响。此外，新型的封装方式也引起行业的关注。如加拿大 Day4TM 提出的采用其独特的 Day4TM 电极来连接组件中的各太阳电池单元，可以降低组件的串阻损失。同时，用于 Day4TM 技术的太阳电池无需前表面主栅线，故可降低遮光损失，提高开路电压。光伏产业技术发展美国 Emanuel M. Sachs 的团队介绍了具有陷光性能的焊带。借助 EVA，玻璃之间的反射，照射到焊带上 80的光线可以重新被太阳电池利用，组件功率可相对提高 2。德国 Konstanz 大学介绍了多主栅太阳电池的封装技术，太阳电池前表面采用 15根主栅，通过协调光学和电学性能，使得组件的绝对效率提高 0.33。随着组件封装技术的进步，可以更高效地利用太阳电池产生电能。光伏产业技术发展建筑型光伏组件太阳电池与建筑材料如砖瓦、玻璃结合，可以作为发电器件，即具有建筑功能的太阳电池组件可以作为新型建筑构件（图 4），既具有发电功能，同时也可作为功能性建筑构建使用。日本、德国等国家最早推动建筑构件光伏组件的发展，如光伏瓦、光伏幕墙以至于整个光伏集成屋顶，但是西方建筑业发展停滞不前，我国建筑行业在未来 20年仍有高速发展态势，因此我国可以结合节能减排、绿色建筑发展需求，有计划发展光伏建筑构件设计、产品研发、高档光伏建筑，及在装潢类光伏建筑材料方面有所布局，这会提升建筑材料产业，并衍生出多种功能性建筑构件产品，以至于直接推动太阳能建筑、零能建筑在我国的兴起与发展。光伏产业技术发展先进薄膜电池材料与装备最近几年， CIGS、 CdTe薄膜太阳电池也是世界各国重点开发的光伏技术。这类电池所需要的重要材料如铟、硒、碲、镉等资源在我国有比较丰富的资源储备，这类电池性能稳定，厚度小，理论效率高，适度发展这类电池能够满足一些特殊领域的需求。此外，柔性薄膜电池发展是这类电池发展的最重要特色之一，柔性太阳电池也一直是太阳电池研究的一个热点问题，可以利用塑料、金属等柔性片材作为电池的衬底材料，这也是薄膜太阳电池的发展优势，由于轻便、稳定、可折叠等一系列特点，这类电池在军事、航天、建筑、旅游等行业都有很好的市场发展空间。这类电池主要发展依赖于薄膜技术、纳米技术的进步。目前许多先进的薄膜材料，如 TCO、氧化铝薄膜都在太阳电池中有重要应用。但是薄膜电池的生产装备多涉及高真空设备与精密制造技术，因此，薄膜电池的生产成本很大一部分分摊在生产设备的折旧上。显而易见，我国发展薄膜光伏电池制造装备也非常重要，单纯依赖进口不利于我国薄膜电池的产业化发展。光伏产业技术发展太阳电池生产装备和测试仪器通过 10多年的快速发展，我国在晶体硅电池生产装备方面有了的很大进步与发展。我国已经拥有制造传统晶体硅太阳电池的整线设备的能力。在今后很长的一段时间，晶体硅电池将一直是作为光伏电站的主流产品。继续提高晶体硅电池效率与降低成本仍是不会停止的工作。因此，发展先进的生产装备，如激光扩散、激光烧结、喷墨打印电极技术、超薄硅片电池、太阳电池缺陷修复技术与装备等，都是需要高度关注与继续攻关的。光伏产业技术发展至今为止，在光伏器件，如硅片、电池、组件的电学、光学性能检测仪器、太阳电池缺陷快速检测技术以及光伏系统检测、监控与诊断手段与仪器等多方面，与德国、日本等先进国家相比，还有很大的差距。如太阳模拟器标准光源、太阳电池性能测试、光谱响应测试等，从测量精度、稳定性、可靠性等方面仍需要继续提高。尽管我国已经是晶体硅电池的世界第一制造大国，但是我们在标准电池，电池测试标准等方面还没有话语权，具有国际公认与权威的测试机构主要分布在美国、德国及日本等发达国家，在太阳电池世界记录测试与认定方面我们还没有发言权。光伏产业技术发展光伏逆变器与系统技术除了光伏组件之外，光伏逆变器也是光伏电站的核心部件之一。根据市场发展的实际需求，各种逆变器，如微型逆变器、家用小型光伏逆变器、中型 250 -500 kW 光伏逆变器、大型 MW级光伏逆变器都有很大的发展空间。目前我国在关键电力电子元器件（如 IGBT等）设计、制造等方面还有很大差距，一些重要器件还要赖于进口。此外，光伏电站离不开数据传输技术、系统快速诊断及实时监控技术等，这对于我国光伏技术健康、稳定发展非常重要，我国必须加快相关电力电子器件、智能电网以及微电网的研究与发展步伐，只有这样，我国的光伏电站才能真正在电力供应和二氧化碳减排方面发挥应有的作用。光伏技术综合评价太阳电池的生产成本光伏发电作为一种新型发电方式，应该要符合电力供应的基本要求，即安全、可靠、价廉、环保及可持续发展等。综合来说，对光伏发电技术的综合评价除了技术先进性和转换效率之外，生产成本，环境问题、经济问题和社会问题都是必须要考虑的。就太阳电池的效率与成本来说，这两者往往是矛盾的，互相牵制的。一般情况下，效率高，生产成本必然下不来。而对于光伏技术的关键问题是，由于是提供电力需求，那么社会对于光伏技术的最终要求，就是发电成本必须要与常规能源相仿甚至更低这是光伏技术最终能够发展必须要解决的问题。最早对晶体硅太阳电池的生产成本进行报道的是 Martin A.Green 教授，他在 1982年在一本太阳电池专著中从能源回收期来详细考察了晶体硅电池的整个制造过程，即从冶金硅到光伏组件的耗能。详细的分析结果汇总在以下表格里（表 2）。表 2 1982年晶体硅电池能量回收期估算（沈辉整理自 Martin A. Green 太阳能电池－工作原理、技术和系统应用 75－ 76页）