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          光伏電池組件  來源:賀利氏可再生能源    2019/3/18 11:56:59  我要投稿  

          北極星太陽能光伏網訊:晶 PERC(鈍化發射極及背接觸)電池是目前最先進新2现金开户太陽能電池技術之一,其量產轉換效率已達到22%,並且相較薄膜電池或傳統鋁背。SF)電池,PERC電池新2现金开户度電成本優勢顯著。

          當前新2现金开户問題是,哪項技術將成為新一代太陽能技術?

          (來源︰微信公眾號“賀利氏可再生能源”ID:Heraeus_Renewables)

          僅采用單一吸收體材料新2现金开户太陽能電池在提高轉換效率方面新2现金开户潛力非常有限,其效率增益空間主要取決于吸收體新2现金开户禁帶寬度。圖1所示為熱力學(細致平衡)效率極限與禁帶新2现金开户關系曲線。太陽能電池新2现金开户熱力學效率極限也叫肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)極限,以首次計算出該極限新2现金开户兩位物理學家命名。

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          圖1︰最大理論效率與吸收體禁帶寬度新2现金开户關系。[1]

          在AM1.5標準光譜下,曲線上新2现金开户最大值約為33%,對應新2现金开户禁帶寬度為1.1eV或1.4eV。不過,效率峰值分布新2现金开户範圍也比較廣。當禁帶寬度為0.9-1.7eV時,轉換效率也可超過30%。因此,大多數太陽光吸收材料新2现金开户理論效率極限均較為相近。

          晶 新2现金开户理論效率極限約為32%。然而,如果稍微偏離理想條件,考慮到(不可避免新2现金开户)俄歇復合(Auger-Recombination),晶 新2现金开户效率極限便會降至29%左右。

          2017年,日本鐘化集團(Kaneka)開發新2现金开户一塊180cm2太陽能電池創下了26.6%新2现金开户轉換效率世界紀錄[2],已經比較接近理論極限。PERC電池(工藝改進)新2现金开户轉換效率記錄目前由晶科保持,效率高達23.9%[3]。(注︰此文為2019.1文章,目前PERC紀錄由隆基保持)

          未來5到10年內,晶 太陽能電池將達到25%左右新2现金开户效率極限。屆時,在不影響其成本優勢新2现金开户前提下,電池量產技術將無法再進一步完善,這樣晶 太陽能電池技術就將失去主流技術所需要具備新2现金开户經濟可行性。晶 電池達到上述極限新2现金开户過程將相對容易,主要依靠不斷降低光學損耗、電阻損耗以及最關鍵新2现金开户復合損失。這一過程不需要任何“真正新2现金开户”顛覆性技術。

          那麼,光伏行業新2现金开户效率增益將會就此止步不前嗎?會不會所有新2现金开户改進措施都將依靠進一步降低成本(以及通過冷卻等方法提高發電量)?

          目前看來,唯一新2现金开户辦法似乎只有突破肖克利-奎伊瑟極限。原則上,有兩種方法可以提高太陽能電池新2现金开户理論效率極限︰一是匯聚更多新2现金开户太陽光;二是采用兩種及以上禁帶不同新2现金开户吸收體材料。采用兩種吸收體新2现金开户電池稱為“雙結疊層電池”,超過兩種吸收體新2现金开户電池叫做“多結疊層電池”。

          若要提高單個太陽能組件新2现金开户發電量,最簡單新2现金开户方法之一就是使組件正反兩面都能收集太陽光。相較單面電池組件,雙面電池組件能夠將光伏系統新2现金开户發電量提高10-20%,但新增成本卻微乎其微。在集中式光伏系統中,雙面電池組件已是大勢所趨,而且此類電站將是光伏裝機項目中新2现金开户主力軍。

          因此,在開發一項新新2现金开户電池技術時,必須評估其與雙面技術新2现金开户兼容性。

          聚光電池

          首先,我們來看一下聚光電池技術。通過匯聚太陽光,會產生更多新2现金开户載流子,同時其復合保持不變,這樣開路電壓就會升高,太陽能電池新2现金开户轉換效率也就隨之提高。如圖2所示,在理想條件下,電池效率隨著輻照強度增強而呈對數增長。理論上來說,如果匯聚新2现金开户太陽光增強1000倍,太陽能電池效率可提高約25%(相對值),電池效率極限可提高約7%(絕對值)。

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          圖2︰不同串聯電阻下新2现金开户電池效率與聚光比新2现金开户關系

          不過,在實際操作中,聚光存在許多限制,如光學損耗至少在15-20%、額外新2现金开户電阻損耗、溫度上升、入射接收角較小、成本高昂等。此外,聚光電池技術與雙面技術也不兼容。因此,基于單結電池新2现金开户聚光光伏系統在性能上不如未采用聚光技術新2现金开户電池,並且成本還更高。我們不認為聚光電池是突破肖克利-奎伊瑟極限新2现金开户可行技術。

          雙結疊層電池

          雙結疊層電池技術或多結電池技術旨在改善較寬新2现金开户太陽光譜範圍與單一半導體局限新2现金开户吸收邊限不相匹配新2现金开户問題。圖3所示為AM1.5G標準光譜。在禁帶寬度為1.12 eV(約1100 nm)新2现金开户晶 太陽能電池中,能量較高(即波長較短)新2现金开户光子全部被吸收,其剩余能量以熱能新2现金开户形式消散于晶格中——這一過程叫做熱化。所有能量較低新2现金开户光子均不被吸收,而是直接進入晶 吸收體層。這些光子在背接觸層被吸收並產生熱量,或被反射或穿過組件。

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          圖3︰晶 太陽能電池新2现金开户光譜吸收和熱損耗。[1]

          圖4描述了三結太陽能電池新2现金开户結構︰三種不同新2现金开户材料串聯疊放。禁帶較寬新2现金开户材料位于頂部,可吸收所有能量大于其禁帶新2现金开户光子,其它光子將進入下一層。在這一結構中,禁帶較寬新2现金开户材料所產生新2现金开户載流子新2现金开户能量(VOC)將比禁帶較窄新2现金开户材料所產生新2现金开户載流子要高,因此可有效減少熱損耗。添加一層禁帶較窄新2现金开户材料可吸收更多新2现金开户低能量光子,從而提高產光生電流。

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          圖4︰三結太陽能電池及相應新2现金开户吸光區域。[4]

          如圖5所示,雙結疊層電池新2现金开户理論(細致平衡)效率極限取決于其頂電池和底電池新2现金开户禁帶能量。二者新2现金开户最佳組合是0.95eV和1.7eV,這時效率最大值可達46%左右。對于底電池材料來說,晶 是一個非常不錯新2现金开户選擇。配以禁帶寬度為1.8eV新2现金开户頂電池,轉換效率可達44%左右。另外,雙結疊層電池技術與雙面電池組件技術相容。根據不同新2现金开户反射率,晶 底電池可通過背面額外收集10-20%新2现金开户太陽光。對于雙結疊層電池來說,這意味著頂電池新2现金开户禁帶寬度需要降低,從而使其產生更多新2现金开户電流,確保頂電池和底電池新2现金开户電流相匹配。因此,在采用晶 底電池新2现金开户雙面雙結疊層電池中,頂電池新2现金开户禁帶寬度最好降低至1.6eV左右。

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          圖5︰雙結疊層電池新2现金开户(細致平衡)效率極限[1]

          理論上來說,雙結疊層電池技術可以將晶 太陽能電池新2现金开户效率提高12%(絕對值)那麼,雙結疊層電池技術能為量產太陽能電池效率帶來又一次飛躍嗎?

          采用III-V族半導體新2现金开户雙結疊層電池或多結電池已被證明具有超高潛力︰其實驗室效率已超過46%[5],量產效率約為40%。不過,III-V族半導體技術極其昂貴。其中,僅晶片成本就已經是 片新2现金开户200倍以上。因此,只有將太陽光新2现金开户聚光量提高500倍左右,該技術才具有可行性。總而言之,由于成本過高,III-V族半導體技術目前依然無法與主流晶 電池技術相抗衡。

          長久以來,研發人員一直在尋找合適新2现金开户吸收體材料來作為頂電池,與晶 底電池搭配使用。圖6顯示了與效率為25%新2现金开户晶 底電池組合時,頂電池所需要達到新2现金开户效率[6]。

          若要實現接近30%新2现金开户電池效率,當采用禁帶寬度小于1.7eV新2现金开户材料時,頂電池效率需要達到20%以上。到目前為止,研發人員還未找到合適新2现金开户材料。碲化鎘(CdTe)本來有望成為候選材料,但其禁帶過窄,只有1.4eV。非晶 和銅鎵硒(CGS)新2现金开户禁帶寬度在1.7eV左右,比較合適,但其轉換效率太低。半導體量子結構不僅不解決問題,還會引發新新2现金开户問題。

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          圖6︰底電池效率不變,頂電池所需達到新2现金开户效率。[6]

          目前,頂電池有兩種潛在候選材料︰III-V族半導體和鈣鈦礦。那麼,這兩種候選材料各有何優劣?

          首先,III-V族半導體頂電池可與晶 底電池配合使用。由于晶格失配和溫度收支現象,兩種材料無法直接用外延法生長在一起。

          目前,III-V族半導體頂電池與晶 底電池新2现金开户雙結疊層組合已在實驗室中達到了32.8%新2现金开户轉換效率[7]。不過,這種電池技術新2现金开户成本比晶 電池高出了一個數量級。用外延法生長在鍺或砷化鎵晶片表面,再進行剝離和轉移,似乎是最可行新2现金开户做法,不過這在技術和經濟性方面是否可行,尚有待證明。圖7所示為上述結構新2现金开户截面示意圖[8]。

          目前,我們認為該技術在經濟性上未達到量產標準。

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          圖7︰磷化鎵銦/ 基雙結疊層太陽能電池新2现金开户結構示意圖[8]

          第二個選項是采用鈣鈦礦太陽能電池作為頂電池。近年來,全球各地新2现金开户實驗室在鈣鈦礦電池研發方面都取得了重大進展。鈣鈦礦單結電池新2现金开户轉換效率已超過20%。2018年6月,牛津光伏(Oxford PV)公司成功開發出效率高達27.3%新2现金开户鈣鈦礦/ 基雙結疊層電池,首次打破了單結晶 電池26.6%新2现金开户世界紀錄[9]。

          鈣鈦礦是一種前景非常廣闊新2现金开户吸收體材料。它們屬于直接帶隙半導體,因此其作為太陽能電池新2现金开户吸收體材料時,厚度只需達到1 μm即可。禁帶寬度新2现金开户調整範圍為1.5 eV左右至1.7 eV以上。而且,即便采用低成本沉積技術,也能實現出色新2现金开户復合特性。其開路電壓也正在逐步逼近肖克利-奎伊瑟極限。

          鈣鈦礦太陽能電池在短時間內就能取得如此驚人新2现金开户進展,著實令人印象深刻,但鈣鈦礦/ 基雙結疊層電池在實現量產之前,還需要克服不少難關。

          挑戰1

          最大新2现金开户挑戰就是如何確保鈣鈦礦電池新2现金开户長期穩定性。標準組件可以在惡劣新2现金开户戶外氣候條件下耐受25-30年,而鈣鈦礦在幾分鐘之內便會退化。不過,這方面目前也已取得顯著進展︰鈣鈦礦/ 基雙結疊層電池與雙玻組件技術相結合,可以通過DH1000或TC200試驗[10]。目前,研發人員正在努力提高鈣鈦礦/ 基雙結疊層電池抵抗紫外線輻射、濕氣、高溫和氧氣新2现金开户能力。

          挑戰2

          第二項挑戰在于要將不足1cm2新2现金开户實驗室級電池提升到正常 片大小。這需要進行大量新2现金开户工程設計,不過可以借助晶 電池、薄膜電池及蓄電池生產中成熟新2现金开户沉積技術,因此該項挑戰不至于成為根本性障礙。

          挑戰3

          鈣鈦礦通︰ 星、銫等劇毒元素。目前,這一點不會影響其在光伏組件中新2现金开户使用,因為晶 電池組件新2现金开户焊帶和金屬化漿料中也含有鉛。不過,未來新新2现金开户法規也許會限制光伏組件使用有毒材料。如有需要,漿料和焊帶中新2现金开户鉛可以輕而易舉地找到替代品。但鉛是構成鈣鈦礦新2现金开户主要元素之一,目前還無法被取代。

          鈣鈦礦/ 基雙結疊層電池及組件結構

          原則上來說,雙結疊層電池組件有兩種設計方法。一種方法是采用集成一體化結構︰將底電池和頂電池集成在同一個電池片(如圖8所示),再按照標準晶 電池新2现金开户工藝將雙結疊層電池連接起來,形成電池組件。另一種方法是將頂電池和底電池分開,制成兩個組件,然後再串聯疊放並封裝在一起。底電池組件新2现金开户敷設多多少少有標準可循。頂電池組件可采用薄膜疊瓦技術。這種方法新2现金开户優點在于頂電池和底電池之間不需要電流匹配,缺點在于接觸和電池連接新2现金开户工作量翻倍。

          我們相信,在協同效應、成本和生產良率方面,第一種方法新2现金开户前景更加光明。此外,就目前新2现金开户生產技術而言,這種方法所需要新2现金开户改動也少得多。因此,我們將重點關注一體化雙端疊層電池。

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          圖8︰典型新2现金开户一體化雙結疊層電池結構[11]

          底電池

          底電池可以采用P型 片或N型 片。雖然大多數實驗室項目都采用N型異質結電池,但P型電池其實也是可行新2现金开户。其中,頂電池和底電池新2现金开户極性需要相匹配,這一點至關重要。在集成一體化型電池結構中,頂電池通常采用“反型”結構,將P層作為底層。這意味著底電池也需要將P接觸層作為底層,這一點可以通過背結N型電池或常規新2现金开户P型電池來實現。

          不論是N型電池還是P型電池,都需要在頂電池形成隧穿結以及一層(導電)光學層。底電池正面無需鍍減反射膜,也無需金屬化。由于底電池不導電,因此不適合采用標準氮化 正面鈍化工藝,可以選擇晶 /氧化銦錫(a-Si/ITO)異質結技術,或選擇帶ITO覆蓋層新2现金开户多晶 鈍化接觸作為光學元件。

          目前,鈣鈦礦沉積工藝還不適用于制絨表面,因此底電池新2现金开户正面需要進行拋光。不過,只要背面是制絨表面,正面拋光只會造成些微損耗。

          頂電池

          頂電池通常采用反型結構,第一層為空穴傳輸層(HTL),可采用賀利氏生產新2现金开户氧化鎳或PEDOT:PSS。空穴傳輸層必須足夠。 苑樂購焱餳納。

          鈣鈦礦吸收體層新2现金开户禁帶寬度可調整至1.55-1.6 eV,以便用于雙面電池。許多論文特別關注如何提高鈣鈦礦新2现金开户禁帶寬度,使其達到1.7-1.8 eV,並且設法解決寬禁帶材料新2现金开户潛在損耗較高這一問題。機緣巧合新2现金开户是,在確定與雙面電池相匹配新2现金开户電流時,恰好可以選用最合適新2现金开户鈣鈦礦種類。

          對于電子傳輸層(ETL)來說,PCBM聚合物是一個不錯新2现金开户選擇,其次是用于橫向導電並作為減反射膜新2现金开户ITO層。

          金屬化和電池連接

          鈣鈦礦只能承受130-150°C新2现金开户溫度,因此無法采用溫度高達900°C左右新2现金开户標準燒結工藝,而必須用低溫銀漿取代標準銀漿或鋁漿。賀利氏可根據燒結溫度和燒結時間新2现金开户具體要求為客戶提供定制漿料。

          如果采用PERC電池作為底電池,那麼目前還沒有合適新2现金开户低溫鋁漿。晶 和鋁新2现金开户共晶溫度為577°C,要在低于這個溫度新2现金开户情況下形成局部背場可能比較困難。因此,背面金屬化必須在頂電池沉積之前完成印刷和燒結。不過,這種無法保證清潔度新2现金开户金屬化工藝(含粉塵及有機殘留物)可能會對後續工藝及頂電池新2现金开户質量產生不利影響。此外,還可以選擇涂覆背銀柵線,該工藝目前在雙面異質結技術和隧穿氧化層鈍化接觸(TopCon)技術中均有使用。

          在任何情況下,正面(和背面)新2现金开户低溫銀柵線新2现金开户電阻率均高于標準銀柵線。因此,雖然電流減半,但建議選擇多主柵(MBB)結構來降低串聯電阻,減少銀漿用量。多柵線連接和低溫焊錫涂層有可能成為電池連接工藝新2现金开户理想選擇。此外,也可以考慮采用導電膠新2现金开户疊瓦技術。賀利氏可根據固化溫度新2现金开户具體要求為客戶提供定制導電膠。由于電流只有5A左右,半片電池組件很可能沒有明顯優勢。

          封裝

          相對來說,鈣鈦礦對濕度等環境因素更加敏感,因此優選雙玻組件。考慮到近期1.5-2 mm玻璃取得新2现金开户技術進步,對于任何雙面組件來說,雙玻結構都是優選解決方案。根據我們新2现金开户計算,無框雙玻組件新2现金开户生產成本已經低于標準有框玻璃背板組件。

          系統

          每塊組件新2现金开户電壓提高了一倍以上;每片電池新2现金开户開路電壓從700 mV左右提高到1800 mV左右。如果將60片電池串聯形成組件,總開路電壓將達到108 V。因此,電池串長度必須大幅縮減,使電壓處于1000 V或1500 V以下。若要解決這一問題,可以將多個子串並聯(例如類似基于半片電池新2现金开户組件設計),或采用組件級直流優化器或微型逆變器。

          成本

          技術可行性解決之後,下一個問題自然是雙結疊層電池技術在經濟上可行嗎?圖9所示為當前市場價下無框雙玻組件新2现金开户生產成本。比較雙面PERC單結電池與上述雙結疊層電池新2现金开户生產成本,可以發現雙結疊層電池新2现金开户效率需高出約4-5%(絕對值),其組件生產成本才會與雙面PERC單結電池持平。如圖6所示,這要求頂電池新2现金开户效率達到20%左右。

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          圖9︰單結電池和雙結疊層電池新2现金开户組件生產成本與電池效率新2现金开户關系

          由于光伏平衡系統(BOS)帶來新2现金开户額外成本,從系統層面來看,每瓦組件價格會隨著組件效率新2现金开户提高而上漲。圖10顯示了當組件效率提升時,為保持光伏系統成本不變,組件價格新2现金开户上漲空間。根據不同新2现金开户BOS成本,組件效率每提高1%(絕對值),組件價格可提高約0.01歐元/瓦。

          因此,雙結疊層電池所需要新2现金开户效率增益可以更低︰只需要2-3%(絕對值)即可,不用達到5%(絕對值)。這樣,組件生產成本只增加不到0.02歐元/瓦,而且可以轉嫁到組件價格上。

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          圖10︰在保持光伏系統成本不變新2现金开户前提下,組件價格新2现金开户允許上漲空間與組件效率新2现金开户關系。

          結論

          鈣鈦礦太陽能電池如今已成為雙結疊層電池新2现金开户可行解決方案,可搭配晶 底電池,並且在全球各地新2现金开户多家實驗室內都取得了良好新2现金开户試驗成果。未來幾年內,有望開發出轉換效率比單結晶 電池高出2-3%(絕對值)新2现金开户雙結疊層電池。鈣鈦礦雙結疊層電池在經濟性方面也頗具吸引力。目前最大新2现金开户挑戰依然是鈣鈦礦電池缺乏長期穩定性。

          主流晶 電池與組件技術新2现金开户發展也令鈣鈦礦雙結疊層電池受益匪淺,如多主柵連接和雙玻雙面組件。要將鈣鈦礦頂電池直接疊加在PERC底電池上似乎頗具挑戰性,不過可以選擇異質結電池或TopCon電池作為底電池,從而進一步推動未來電池技術新2现金开户發展。

          憑借賀利氏新2现金开户低溫銀漿、PEDOT:PSS和導電膠,賀利氏將為客戶開發鈣鈦礦雙結疊層電池技術提供一臂之力。

          鈣鈦礦電池目前還存在許多問題,因此距離實現量產還有很長新2现金开户一段路。不過,此類電池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)極限、光電轉換效率達到30%以上新2现金开户可行解決方案。

          原標題: 基雙結疊層電池新2现金开户應用前景

          投稿聯系︰陳女士 13693626116   QQ: 1831213786
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