英利集團(tuán)首席技術(shù)官 宋登元

太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)代正在到來(lái)

隨著石油可開(kāi)采量逐漸見(jiàn)底和生態(tài)環(huán)境日益惡化，人們?cè)絹?lái)越企盼太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)代的到來(lái)。

太陽(yáng)能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的電子器件。所謂光伏效應(yīng)(photovoltaic effect)是指當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。1839年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾(Becquerel)首次在液體中發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，他觀察到浸入電解液中的兩電極間電壓隨光照強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象。1883年，科學(xué)家們又在半導(dǎo)體硒和金屬接觸界面發(fā)現(xiàn)了固體光伏效應(yīng)。在此后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，由于這些光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率太低，實(shí)際上不可能用來(lái)發(fā)電，因此對(duì)光伏效應(yīng)的研究?jī)H僅停留在純科學(xué)研究的興趣上。

第一個(gè)實(shí)用的半導(dǎo)體單晶硅太陽(yáng)能電池出現(xiàn)在1954年。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Chapin等人使用晶體硅P-N擴(kuò)散結(jié)制成了世界上第一個(gè)光電轉(zhuǎn)換效率為6%單晶硅太陽(yáng)能電池。兩年后的1956年，單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到約10%。由于晶體硅太陽(yáng)能電池具有效率高、壽命長(zhǎng)、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，使利用太陽(yáng)能電池發(fā)電有了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)和可能性。1958年美國(guó)海軍發(fā)射了第一個(gè)以太陽(yáng)能電池供電的人造地球衛(wèi)星，這標(biāo)志著太陽(yáng)能電池應(yīng)用開(kāi)始走向?qū)嵱没哪且院螅?yáng)能電池成為外層空間產(chǎn)生電力的標(biāo)準(zhǔn)方法，被廣泛地應(yīng)用到人造衛(wèi)星、宇宙飛船和星際空間站上。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在石油可開(kāi)采量逐漸見(jiàn)底和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機(jī)的嚴(yán)重沖擊下，人們?cè)絹?lái)越企盼太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)代的到來(lái)。各國(guó)政府日益重視太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展，在新能源政策的大力扶持下，從2004年開(kāi)始光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期。目前全球光伏市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的分別為德國(guó)、中國(guó)和美國(guó)。中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量均以100%以上的年增長(zhǎng)率快速發(fā)展，2012年光伏組件的產(chǎn)能為37GW，產(chǎn)量為21.1GW，占全球的54%，其中99%都是晶體硅電池。中國(guó)從2007年連續(xù)7年成為全球最大的太陽(yáng)能電池制造國(guó)。

晶體硅太陽(yáng)能電池相對(duì)成熟

單晶硅電池具有轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好等特性，但是成本較高。

晶體硅太陽(yáng)能電池通常是指利用200微米左右厚的硅片制成的太陽(yáng)能電池。硅是地殼上最豐富的元素半導(dǎo)體，它的能隙寬度為1.12 eV。從能量轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，能隙為1.1eV～2.0 eV的半導(dǎo)體材料較適于制作太陽(yáng)能電池。因此硅是一種較理想的太陽(yáng)能電池材料。晶體硅太陽(yáng)能電池主要優(yōu)點(diǎn)是：一是高的電池轉(zhuǎn)換效率，二是優(yōu)秀的工作穩(wěn)定性，三是高于25年的工作壽命，四是來(lái)自微電子工業(yè)技術(shù)的支持，五是電池制備技術(shù)發(fā)展成熟。由于這些優(yōu)異特性，2012年晶體硅電池已占全球光伏市場(chǎng)約90%的份額。

晶體硅又分為單晶硅和多晶硅。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高。目前單晶硅電池效率的實(shí)驗(yàn)室世界記錄是25%，這是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)在1998年創(chuàng)造的。多晶硅電池成本低，轉(zhuǎn)換效率也略低于單晶硅太陽(yáng)能電池，目前多晶硅電池實(shí)驗(yàn)室效率世界記錄是20.4%。多晶硅中的各種結(jié)晶缺陷和金屬雜質(zhì)是造成電池光電轉(zhuǎn)換率降低的原因。目前，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約在18.5%～19.5%之間，而多晶體硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約在17%～18%之間。

提高光電轉(zhuǎn)換率是降本關(guān)鍵

目前研發(fā)的高效率晶體硅太陽(yáng)能電池的種類較多，具有代表性的是IBC、HIT、PANDA。

降低光伏發(fā)電成本的核心技術(shù)是提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)測(cè)算，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，將使太陽(yáng)能電池組件的成本降低7%左右。晶體硅太陽(yáng)能電池效率與電池的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，同時(shí)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)也決定著電池的制造成本。目前研發(fā)的高效率晶體硅Si太陽(yáng)能電池的種類較多，有代表性的三種高效率太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是：交指式背接觸(IBC)太陽(yáng)能電池，非晶Si/N-Si異質(zhì)結(jié)(HIT)太陽(yáng)能電池，普通電池結(jié)構(gòu)“PANDA”太陽(yáng)能電池。

1.交指式背接觸的太陽(yáng)能電池

美國(guó)Sunpower公司研發(fā)了交指式背接觸的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)(Interdigitated Back Contact，稱為IBC結(jié)構(gòu))。IBC太陽(yáng)能電池顯著的特點(diǎn)是前表面沒(méi)有銀柵線電極，PN結(jié)及電極均位于電池背面，極大降低了柵線對(duì)太陽(yáng)光遮擋損失。目前IBC電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到了24.2%，產(chǎn)業(yè)化電池效率在22%左右。由于電池發(fā)電的P-N結(jié)位于電池背面，IBC電池需要Si材料的少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于Si片厚度。高質(zhì)量Si襯底要求及復(fù)雜制備工藝，使產(chǎn)業(yè)化的IBC電池的制備成本很高。

2.非晶硅Si/N-Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

日本三洋公司研發(fā)了非晶Si/N-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電池。由于在異質(zhì)結(jié)界面插入一層本征非晶Si薄層，所以這類太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)也稱為“具有本征Si層的異質(zhì)結(jié)”電池，簡(jiǎn)稱HIT電池。通過(guò)插入薄本征非晶硅層，降低了太陽(yáng)能電池的界面態(tài)密度，從而減少了復(fù)合電流，提高電池轉(zhuǎn)換效率。HIT太陽(yáng)能電池具有低的制備溫度，高的轉(zhuǎn)換效率以及前面和背面都可以吸收太陽(yáng)光的雙面電池設(shè)計(jì)。2013年初HIT電池實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到了24.7%，規(guī)模化生產(chǎn)效率在21%左右。由于HIT電池制備工藝及設(shè)備與普通的P-型Si太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)不相兼容，處理工藝過(guò)程復(fù)雜，與IBC電池一樣具有高的制備成本。

3.高效率PANDA(熊貓)電池

中國(guó)英利集團(tuán)研發(fā)的高效率PANDA(熊貓)電池兼顧了低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)。與規(guī)模化生產(chǎn)的IBC、HIT電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)相比，這種電池與普通的P型硅電池結(jié)構(gòu)相同，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備成本低、工藝流程短、與現(xiàn)有生產(chǎn)線相兼容和容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)。PANDA電池主要技術(shù)特點(diǎn)包括：1.太陽(yáng)能電池采用雙面發(fā)電設(shè)計(jì)，能夠接收從正面和背面進(jìn)入電池的光線從而實(shí)現(xiàn)雙面發(fā)電，比同類電池能產(chǎn)生更多的電能；2.采用細(xì)密柵線設(shè)計(jì)，減小柵線的遮擋光面積，提高電池的短路電流；3.前表面和背面柵線的分別優(yōu)化燒結(jié)工藝，高的電池填充因子。目前在6英寸(156mm×156mm)的大面積Si片上，實(shí)驗(yàn)室電池的效率已達(dá)到20.1%，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化平均電池效率達(dá)到了19.5%，是全球單片面積最大的高效晶體硅太陽(yáng)能電池，使英利成為全球三個(gè)能夠大規(guī)模生產(chǎn)高效率N-Si太陽(yáng)能電池的公司之一。

7大途徑提升光電轉(zhuǎn)換率

晶體硅電池占據(jù)了太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，其制備技術(shù)代表著整個(gè)光伏電池工業(yè)的制備技術(shù)水平。

今后，晶體硅電池的研發(fā)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)低成本下的高效率。提高硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑包括：1.減少電池表面柵線遮光率，以增加電池的有效受光面積；2.制備良好的絨面和減反射膜以降低電池表面光反射損失；3.在電池背面形成良好的背電場(chǎng)，以降低背表面的復(fù)合速率；4.采用高的發(fā)射極方塊電阻，以提高電池的短波長(zhǎng)光譜響應(yīng)；5.采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)(既在電極柵線下及其附近形成高摻雜深擴(kuò)散區(qū)，而在其它區(qū)域形成低摻雜淺擴(kuò)散區(qū))，降低內(nèi)部和表面復(fù)合損失和接觸電阻；6.采用背面金屬點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步降低背表面的復(fù)合損失，提高電池的長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜響應(yīng)；7.使用N型硅襯底代替P型硅襯底，由于N型硅有高的少數(shù)載流子壽命和對(duì)某些金屬雜質(zhì)的不敏感性，使N型硅電池有高的穩(wěn)定性和效率。

總之，晶體硅電池已占據(jù)了太陽(yáng)能電池發(fā)展和市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，其制備技術(shù)代表著整個(gè)光伏電池工業(yè)的制備技術(shù)水平，至少在未來(lái)15～20年內(nèi)將持續(xù)這種優(yōu)勢(shì)地位。