硅基光伏电池技术发展方向分析,贾锐( “百人计划” 研究员，副主任) Rui Jia(Dr. Prof, deputy director ),Research Center of Solar Cell, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所光伏实验室 2010.11.30,2010中国经济和信息化论坛，北京,前言 硅基高效电池的主要发展方向 结论,提 纲,未来可再生能源发展趋势,(数据来源 EU JRC PV Roadmap 2004),未来主要能源供应：光伏能源,1. 美国First Solar：1100MW 2. 中国无锡尚德：704MW-2010年产能达1.8GW 3. 日本夏普：595MW 4. 德国Q-Cells：586MW 5. 中国英利绿色能源：525.3MW -2010年产能达1.3GW 6. 中国晶澳太阳能：520MW -2010年产能达1GW 7. 日本京瓷(Kyocera)400MW 8. 中国天合光能：399MW -2010年产能达0.7GW 9. 美国SunPower：397MW 10. 中国台湾昱晶368MW。,我国已成为世界第一大光伏电池生产大国,2009年，95%以上的产品出口国外，国内利用率不到5% 2010年，中国各大厂商纷纷扩大产能，总产能达以12GW, 晶硅电池： 多晶硅，单晶硅等； 薄膜电池： a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，GaAs，poly-Si等； 新型电池及新概念电池： 染料敏化电池光电化学电池（Grtzel电池）， 有机电池， 多结(带隙递变)电池， 中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池， 上转换器（低能光子合并成高能光子）电池， 下转换器（高能光子分解成低能光子）， 热载流子电池等。,太阳电池分类（依照产业规模）,光的充分吸收和利用 表面钝化 N型晶体硅电池 (MWT/EWT、HIT、背接触、OECO、LFC),晶体硅(多晶和单晶)占据主流市场地位，未来10-15年仍然以晶体硅为主,前言 硅基高效电池的主要发展方向 结论,提 纲,光的充分吸收和利用,平均介电常数,超小绒面：米氏散射理论的计算,散射与入射光对之比,光的有效路径长度,路径增强因子,折射率渐变表面的反射率和减反膜的对比,折射率渐变表面有着极低的反射率，与减反膜形成鲜明的对比,Nano Lett. 2009, Vol.9, No.4, p1549-1554, Silicon Nanowire-Based Solar Cells on Glass: Synthesis, Optical Properties, and Cell Parameters,传统减反和超小绒面结构减反表面对比,常规单晶硅电池,我们的结果,低成本 大面积 方法简单位 可产业化,最高反射率3.7% (中国计量院测试结果)红外波段有着很好的响应(quasi-black silicon)。,表面钝化,表面钝化对电池的影响,日本Sanyo HIT电池, 23% (100cm2),新南威尔士大学, PERL电池 5%（25）,Yevgeniya Larionova, Verena Mertens,Appl. Phys. Lett. 96, 032105 (2010), Surface passivation of n-type Czochralski silicon substrates by thermal-SiO2/plasma-enhanced chemical vapor deposition SiN stacks,SiO2/SiNx叠层钝化效果非常明显,高温处理及长时间放置，可靠性及稳定性非常好,SiO2/SiNx叠层表面钝化：干氧&平板式PECVD实现,Koichi Koyama et al, Appl. Phys. Lett., 97, 082108 (2010), Extremely low surface recombination velocities on crystalline silicon wafers realized by catalytic chemical vapor deposited SiNx /a-Si stacked passivation layers,少子寿命与非晶硅薄膜的关系,N型衬底少子寿命变化,p型衬底少子寿命变化,a-Si/SiNx叠层表面钝化,Al2O3和SiO2钝化后，在紫外光照下的少子寿命变化,Al2O3钝化后，不同制备方式表面速率的影响,Florian Werner, Boris Veith, et al, Appl. Phys. Lett., 97, 1621114(2010),N型电池的Al2O3/SiNx叠层表面钝化,Jan Schmidt, et al “PROGRESS IN THE SURFACE PASSIVATION OF SILICON SOLAR CELLS”, 2DP.2.4, pp.974-981, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia, Spain,PECVD沉积Al2O3，28nm厚，所获得的表面复合速率达到10cm/S,300-600nm很高的内量子效率表面很好的表面钝化效果,效率达到23.2%，Voc达到0.7036V。,Jan Benick, et al, Appl. Phys. Lett., 92, 253504 (2010), High efficiency n-type Si solar cells on Al2O3-passivated boron emitters,利用微电子成熟工艺，采取六钟叠层钝化方式，最好的一种少子寿命提高了5倍 钝化方式，兼顾了规模化生产的可实现性、钝化的有效性 同时在降低反射率上有着优异的表现。,中国科学院微电子研究所的有关钝化研究,N型晶体硅电池,N型硅衬底的优点,N型硅（n-Si）相对于P型硅来说，由于对金属杂质和许多非金属缺陷不敏感，或者说具有很好的忍耐性能，故其少数载流子具有较长而且稳定的扩散长度。 目前只有Sunpower和sanyo两家企业N型Si衬底生产高效太阳能电池做得较好。,如何在N型硅衬底上实现PN结,硼扩散制结、非晶硅/晶硅异质结以及Al扩散制结三种基本方法。 硼扩散制结需要高温，高温是太阳能电池制备工艺最忌讳的！ HIT电池只有Sanyo做得较好，没有推广。 Al推进制结目前受到普遍关注，因其价格低廉而又容易实现。,Al推进形成PN结,R.Bock, IEEE TED, vol.57, No.8, 2010，The ALU+ Concept: N-Type Silicon Solar Cells With Surface-Passivated Screen-Printed Aluminum-Alloyed Rear Emitter,退火处理及方式对开路电压等有着重要影响,实验室类型,大面积类型,Christian Schmiga et al, 24th EPSEC 21-25 Sep.2009, Hamburg, Germany, Large-area N-type Silicon solar cells with printed contacts and Aluminium-alloyed rear emitter,Al推进形成背发射极PN结,表面钝化效果非常好,中国科学院微电子研究所的Al推进背接触电池,面积：4cm4cm，n型CZ-Si，光刻+丝网印刷，前期已获得良好结果,Al浆选择 电池结构设计 处理工艺 钝化 表面织构化,前言 硅基高效电池的主要发展方向 结论,提 纲,光的充分吸收和利用、表面钝化、N型晶体硅电池是目前对产业界或者即将产业化光伏非常关键的技术，是产业界和科研究共同关心的话题。这些技术的不断进步将会使晶体硅效率技术不断地提高。,结论,谢谢！,