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高效太阳能电池技术:国家竞争高地

2014-7-16 09:57| 发布者: echo| 查看: 11469| 评论: 0|来自: 国家发改委产业所

摘要: 当今世界,能源问题已成为国际争端的触发点。寻找安全、清洁、经济的新能源,已成为人们通过科技手段,摆脱能源困境的必然选择。这已经不是技术问题,而是国家间战略竞争的高地。比如,高效太阳能电池技术就是这样一 ...
  目前,全球光伏产业尚处在导入期,有关高效太阳能电池的多种相关技术路线都在并行发展。其中,晶硅高效太阳能电池因具有高光电转换率、低污染、性能稳定不易衰减、大规模制造技术成熟等方面的优点。因此,世界范围内以晶体硅太阳能电池为主的高效太阳能电池结构,既是过去几年的真实写照,而且还将会在未来十几年持续占据主导地位。

  但是,就现在的规模化生产而言,要达到上述的效率要求,可能需要我们实现从常规P型晶体硅技术,到P型晶体硅的PREC/PERT技术以及N型电池技术(含N型双面、异质结、背接触、异质结背接触电池)的转变。同时,薄膜电池与晶硅电池相比,在光电转换效率、成本和稳定性等方面可以进行的改善空间较大,薄膜技术领域的突破有望使其成为未来高效太阳能电池发展的热点。

  这里,我们对三大类高效太阳能电池作简要说明。

  (1)晶硅高效太阳能电池

  晶硅太阳能电池主要包括单晶硅(mono-Si)电池和多晶硅(poly-Si)电池。其制造流程比较复杂,其产业链包括从硅质原料(石英岩、石英砂岩等)——多晶硅——硅锭(棒)——硅片——光伏电池——光伏系统的产业链。从技术上考虑,晶体硅并非最佳材料,但因其易于获取、冶炼技术与化工、电子相契合;所以,晶硅太阳能电池成为目前光伏电池市场的主流技术。

  其中,晶体硅电池的理论光电转换效率达31%,但存在着晶硅冶炼和提纯过程复杂、能耗大的缺点。且多晶硅电池与单晶硅电池的转换效率差距正逐渐缩小,多晶硅具有制造成本较低与单位产出量较大等优势。因此多晶硅(以及类单晶/多晶硅,mono-like poly-Si)电池市场份额逐渐超过单晶硅电池而成为市场主流产品,未来可能还将继续扮演主流角色。同时,由于电池成本在系统成本比重的逐渐下降,高效率电池组件在终端系统上仍然比较有优势。

  总体而言,晶硅高效太阳能电池的技术发展方向是低成本、高效率、高稳定性,主要包括效率的提高、成本的下降及组件寿命的提升等方面。其中,效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进;成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发;组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因此,晶硅高效太阳能电池的研发和产业化,除了依赖产业规模的扩大外,电池效率的提升可能不仅要依靠工艺水平的改进,更有赖于产业技术(包括设备和原材料)的改进,特别是新结构、新工艺的建立。

  (2)薄膜高效太阳能电池

  薄膜太阳能电池是在玻璃、塑料、不锈钢等基板上沉积形成很薄的感光材料以实现光电转换,主要包括非/微晶硅薄膜电池、碲化镉(CdTe)薄膜电池、砷化镓(GaAs)薄膜电池和铜铟硒/铜铟镓硒(CIS/CIGS)薄膜电池四种。

  其中,非/微晶硅薄膜电池的光电转换效率最低,一般为6%-9%,原材料为硅烷,最易获取。CdTe薄膜电池的光电转换效率次之,约为8%-11%。CIS/GIGS薄膜电池的光电转换效率相对较高,约为10%-12%,原材料中含稀有元素化合物铟、镓、硒,储量小且不易获取。另外,如何确保多元素的严格均匀配比,依然是大面积电池制备应用中的一大挑战。

  GaAs薄膜电池的光电转换效率最高,约为20%-30%,原材料中含稀有元素化合物镓,储量小且不易获取,砷有毒,会对环境造成污染。相较而言,CIS/GIGS薄膜电池成本低、性能稳定、抗辐射能力强,有可能成为未来最有前途的光伏电池之一。

  总体而言,薄膜高效太阳能电池的技术发展方向也是低成本、高效率、高稳定性,未来发展前景巨大,其中,生产工艺的不断成熟改进以实现成本的降低可能将是未来发展的关键。因此,薄膜高效太阳能电池的研发和产业化,更依赖于各类技术之间的竞争和技术积累,以实现不断缩小与国际先进水平的差距。

  (3)新型太阳能电池

>900℃)扩散制结工艺限制了生产效率的提高和能耗的进一步降低,因此,不断探索新的电池材料和制造工艺技术以实现低成本、高效率成为业界的努力方向。
  目前,既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点,具有高效低成本的异质结太阳能电池、高性能硅基柔性薄膜电池等特别受到各国研究人员的普遍重视并迅猛发展。
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