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哪种太阳能电池转化率最高?

时间:2014-11-26 10:18 来源:中国环保网 分享到:

    太阳能光伏发电在世界能源消费的席位愈发重要,在不远的将来不但要替代部分常规能源,更可能成为世界能源供应的主体。

    太阳能电池是一种将光能转换为电能的元件。低成本高效率的太阳能电池是光伏技术长期追逐的目标,更是各个企业拼命争夺的技术领地。

    中国的太阳能电池研究虽比国外晚了20年,但这并不妨碍中国成为全球主要的太阳能电池生产国。2013年全球电池片生产规模保持增长势头,产能超过63GW(不含薄膜电池),产量达到40.3GW。与2012年相比,增长7.5%,多晶硅电池和单晶硅电池的比例约为3∶1。太阳能电池呈逐年增长发展态势,但近几年发展趋于平缓。从发展区域看,中国大陆以25.1GW的产量位居全球第一,产量约占全球总产量的63%。


太阳能电池板


    中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月,国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划,发改委“光明工程”将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。当下,第三次工业革命的核心是新能源革命,高效太阳能电池技术作为提高太阳能利用率的关键,代表了先进的技术发展方向,对我国光伏产业的结构调整和可持续发展具有重要影响,属于当前应该发展的重大技术之一。例如,CIGS薄膜太阳能技术就已被列为了国家节能减碳的绿色环保型鼓励型项目,成为国家重点扶持的项目之一。

    太阳能光伏市场应用越发宽领域、多样化,适应各种需求的光伏产品也不断问世,除了大型并网光伏电站外,与建筑相结合的光伏发电系统、小型光伏系统、离网光伏系统等也快速兴起。太阳能电池及光伏系统的成本持续下降并逼近常规发电成本,仍是光伏产业发展的主题,而太阳能电池也将继续走在高效率、低成本的道路上。

    我们熟知的晶硅电池分为单晶和多晶,区别在于所用硅片。单晶硅片由多晶硅原料经拉晶炉拉成单晶棒后再切片制成,多晶硅片是由多晶硅料经铸锭炉铸成多晶硅锭后再切片制成。不过,目前光伏市场上占优势的还是多晶硅电池。

    太阳能电池的基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。对其而言,最重要的参数是光电转换效率。在单晶电池中,目前所研发的N型单晶电池的产业化水平大概在21%-24%左右,P型单晶电池的国内产业化水平在18.7%-19.2%左右,海外在19.2%-20%左右。多晶电池的产业化水平则在17%-17.5%左右。下面是编辑分别从N型单晶电池、P型单晶电池、多晶电池三类对比,列出的经过认证的技术前沿代表。

【N型单晶电池】

    以N型半导体为底板的太阳能电池,杂质的抵抗性更大,在理论上更易提高能量转换效率,衰减率也比较低,但加工工艺较复杂,成本较高。在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷、砷、锑等),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。

    目前,已达到规模化生产的N型单晶硅太阳电池有三种,分别是日本松下的N-SiHITN型硅太阳电池,美国SunpowerIBC结构N型硅太阳电池,以及英利的熊猫N型硅电池。在市场份额上,国际光伏技术路线图(ITRPV)预期N型单晶硅太阳电池将从2014年的18%左右提高到2020年的50%左右。


硅太阳电池


    N型单晶电池产业化水平:21%-24%

    技术前沿代表:

    三洋电机Sanyo-HIT电池-(24.7%)2013年2月11日,日本产业技术综合研究所证实,Sanyo(三洋电机)成功开发出转换效率达24.7%的太阳能电池。Sanyo此次HIT电池CE=24.7%,采HIT技术,Size<100cm2,厚度98um,Voc=0.75V,Jsc=39.5mA/cm?,FF=83.2%。新HIT电池不但效率更高,同时厚度仅为98μm,这展示HIT在降低成本方面潜能。

    2010年6月17日,三洋宣布扩大HIT太阳电池组件生产规模,其滋贺工厂的产能将由100MW提高至250MW,表明高效太阳电池具有广阔的前景。2010年6月21日,日本三洋电机公司宣布,他们研发出世界上光电转换效率最高的太阳电池组件HIT-N230,采用HIT异质结电池制造,转换效率高达20.7%。2010年12月6日,三洋宣布量产目前光电转换效率达到21.6%的高效HIT太阳电池,基于该电池的HITN系列240W太阳电池组件转换效率可达19%。2012年初,松下宣布在马来西亚建设300MW项目,年底完成,重点采用三洋技术生产HIT(异质结)太阳能组件。2012年4月1日,松下正式收购三洋HIT光伏组件业务。

    松下的研究目标是用厚度为100μm的硅片实现24.5%的转换效率,2013年2月已达到24.7%(750mV),超过SunPower2010年达成的24.2%记录(大面积),计划2015年效率达到25%,这基本是采用晶硅的极限。

    SunPower-IBC-(24.2%)

    2010年6月,美国太阳能电池制造商SunPowerCorp.宣布公司位于菲律宾的厂房已生产出一款转换效率高达24.2%的太阳能电池,创下当时全球新高纪录。根据新闻稿,这项纪录已经过美国能源部再生性能源实验室(NationalRenewableEnergyLab,简称NREL)验证。通过在每块太阳能电池上提高能源产量,SunPower利用专有、专利的高效率太阳能电池技术降低太阳能的生产成本。

    赛昂Silevo-Triex-(22%)

    Silevo是一家由两名出自应用材料公司(Applied Materials,Inc)的华人半导体专家于2007年在美国硅谷创立的高效晶硅光伏电池研发和生产企业,其核心技术和专利是一种名为“Triex”的基于N型单晶硅片的高效晶体硅光伏电池结构,这一技术的特点是能够以接近传统晶硅光伏电池/组件的成本,实现最高24%的光电转化率,同时具备薄膜组件特有的优良温度特性。

    Triex电池技术,既金属-绝缘体-半导体电池的衍生物,在20世纪七十年代,着名科学家,比如新南威尔士大学马丁格林教授曾从事于使用隧道氧化物层,反型层以及传统氮化硅钝化层增强PN结的研究。那时,金属-绝缘体-半导体电池创造了655毫伏开路电压和17.6%转换效率的世界纪录,并模拟推算出可创造23%转换效率的可能性。然而,这种电池片面临严重的商业挑战并未被市场广泛接受。

    Triex电池片是一种基于隧道异质结结构的器件,这种结构整合了半导体行业用的隧道氧化层和传统的薄膜钝化层的优点,从而得到了非常低的表面缺陷密度。这种混合型的电池神奇地整合了N型晶硅基体,薄膜钝化层和隧道氧化物层三种材料的优势。隧道氧化物层结合薄膜钝化层是获得高性能的PN结并提高开路电压,降低温度系数的关键所在。

    Silevo在2011年10月正式公开发布“Triex”技术以及使用这一技术生产的高效单晶电池和组件产品,除了在硅谷的一条试验生产线外,Silevo在杭州还拥有一条32MW的量产生产线(杭州赛昂电力,Silevo占65%股权比例),目前量产电池片效率21.4%。

    2012年9月,赛昂曾宣布公司旗下Triex太阳能电池杭州工厂生产线量产转换效率已达21%产线单片最高效率超过22%。根据赛昂的路线图宣称,公司可以在未来几年内生产效率达到24%的太阳能电池。正是在高效晶硅电池技术上的优异表现,赛昂电力一度被认为会成长为下一个SunPower。

    2014年6月18日,美国光伏巨头SolarCity宣布,该公司将斥资3.5亿美元收购太阳能组件制造商(赛昂)Silevo,计划于未来两年内在纽约州建造年产能超1GW的工厂,打造“全球最大”的太阳能组件制造厂。

【P型单晶电池】

    以P型半导体为底板的太阳能电池,成本较低,衰减率较高,25年后衰减率可达到15%至20%。在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成P型半导体。

    产业化水平——国内:18.7%-19.2% 海外:19.2%-20%

    技术前沿代表:

    LG(20.7%)

    韩国最大的科技公司LG电子近日对外宣布,公司已经成功开发出高效太阳能电池,堪称世界最高效的太阳能电池。

    据了解,LG研发的太阳能电池是利用单晶硅片材料,成功的将太阳能电池的效率提高至平均20.6%,最高可达20.7%.这远远超过了先前19%的太阳能电池效率。

    目前世界各国都意识到了太阳能电池业务的重要性。去年韩国知识经济部就对外宣布,政府和私营部门将为五个研发项目投资6.48亿美元。其中一个项目就是太阳能电池。由LG、三星等组成的团队将共同研发新一代太阳能电池。实际上LG和三星在太阳能电池研究方面有着不同的技术领域。LG则基于硅材料,而三星的技术基于铜等材料。

    晶澳(20.4%)

    今年6月20日,晶澳太阳能宣布博秀高效电池正式量产,量产电池平均转换效率达到20.4%,在业内率先实现P型电池量产转换效率超过20%。

    博秀60片电池装组件量产主流功率达到285W,预计年底主流功率将达到290W。从该新产品发布到量产,仅用时三个月。

    目前,晶澳已拥有1条博秀电池生产线,今年10月份将扩到4条生产线,规划2015年扩充为8条生产线。今年底产能将达到170MW,明年达到350MW。

    茂迪(19.5%)

    2012年,茂迪推出代号为“Leo”的太阳能电池系列产品,Leo系列的6寸单晶太阳能电池的平均转换效率可达19.3%,最高效率可达19.5%。

   【多晶电池】

    多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池,其转换效率一般为12%左右,稍低于单晶硅太阳电池,没有明显效率衰退问题,并且有可能在廉价衬底材料上制备,其成本远低于单晶硅电池,而效率高于非晶硅薄膜电池。

    产业化水平:

    17%-17.5%

    晶澳(18.1%)

    2013年4月23日晶澳太阳能对外宣布:自2013年第一季度开始,公司旗下MWT(MetallizationWrap-through)电池已正式投入量产。其多晶电池量产平均效率为18.1%,最高可达18.6%。

    MWT是金属穿孔卷绕硅太阳能电池技术的简称,这种技术主要是通过激光穿孔和灌孔印刷技术,将正面发射极的接触电极穿过硅片基体引导至硅片背面。由于电池正面没有主栅线,电池受光面积增大从而有效的提高了电池的光电转换效率。

    在组件端,电池片之间均通过背面接触电极与基板连接,减少了焊接环节,这样既降低了焊接碎片率又降低了焊接引起的电阻损耗,从而有效提高了组件输出效率。

    阿特斯(18%)

    阿特斯太阳能公司2011年表示使用最新的ELPS太阳能电池技术,公司已经可以制造效率高达19.5%的单晶硅太阳能电池和效率18%的多晶硅太阳能电池。

    公司称通过使用ELPS技术,进一步提高了发电效率,降低了电池的每瓦生产成本。公司的组件生产线可以方便地使用采用新技术的太阳能电池。



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