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高效太陽能電池技術深解(一)

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月12日  

光伏產業低迷,腹背受敵。怎么樣能挺過寒冬?有技術實力而且能將技術變成生產力的公司,將最終勝出。高效電池就是光伏的突圍之匙。

1.高效電池-光伏的突圍之匙


光伏當前產業低迷,腹背受敵。外有金融危機,市場萎靡,歐美雙反,貿易壁壘;內有并網受限,政策滯后,產量過剩,產品同質化,高資產負債率。很多人都喜歡問一個問題,“你認為光伏何時才能復蘇?”,我覺得這個問題的意義不太大,因為即使能預測出這個時間點,可是你確信自己能挺到復蘇之時嗎?行業的復蘇不等于你的復活,也許那時你已經成為一名過客了。那怎么樣的公司才能挺過這次寒潮呢?有技術實力,而且能將技術變成生產力的公司,將最終勝出,迎來光伏的下一個高潮。


有核心技術,自然能得到資本的青睞,解決資金的短缺。自然能夠突破價格戰和產量過剩的困局,獲得更高的利潤。據計算,太陽能光伏電池轉換效率每提高一個百分點,將使太陽能電池組件的發電成本降低7%左右。目前國際市場的行情是:同樣是p型硅片制造,轉換效率高低成為定價的標準。下游客戶使用高效太陽電池做的組件,可以在安裝成本不變的情況下提高太陽能光伏發電系統的年發電。高效電池就是光伏的突圍之匙。


光伏暴利的時代已經過去。我國光伏行業在洗牌整合,在等待政策和貿易環境的改善,在積蓄內力提高效率,等待一個真正輝弘的高潮的到來---光伏平價上網:光伏發電以平等的價格和傳統能源展開發電市場競爭,走入尋常百姓家。


2.什么是高效光伏電池


目前普通的太陽能電池產業化水平轉換效率:單晶15%~17%、多晶12%~15%,非晶硅薄膜8%~9%。高效電池是指電池產業化水平轉換效率:單晶》18%、多晶》16.5%、非晶硅薄膜》10%。要強調一點的是我們說的是產業化的電池轉換效率,是指能夠量產制造的,不是實驗室精雕細刻出來的。實驗室里面有很多電池效率很高,但或者工藝太復雜、或者技術不成熟,只具有研發意義,無法量產,無法降低生產成本,還不具有商業推廣價值。


大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產將是光伏硅電池工業的發展趨勢。通過降低電池的硅材料成本,提升光電轉換效率與延長其使用壽命來降低單位電池的發電成本。通過集約化生產節約人力資源降低單位電池制造成本。通過合理的機制建立優秀的技術團隊、充分保證技術上的持續創新是未來光伏公司發展的核心競爭力所在。


3.技術發展趨勢-薄片化


降低硅片厚度是減少硅材料消耗、降低晶硅太陽電池成本的有效技術措施,是光伏技術進步的重要方面。30多年來,太陽電池硅片厚度從70年的450~500μm降低到目前的150~180μm,降低了一半以上,硅材料用量大大減少,對太陽電池成本降低起到了重要用途,是技術進步促進成本降低的重要范例之一。


硅片厚度的降低如表1所示。


4.光伏技術發展戰略目標


典型商業組件的效率期望能從2010年的16%上升到2030年的25%,2050年上升到40%。隨著能源和材料在制造業的使用更加高效,光伏系統能源回收期的時間會不斷縮短的。預計能源回收期會從2010年的兩年降低到2030年的0.75年,到2050年會下降到0.5年。使用壽命期望從25年新增到40年。


戰略技術指標


5.光伏產業技術路線圖


晶體硅電池發展的趨勢是低成本高效率,這是光伏技術的發展方向。低成本的實現途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進、材料的改進及電池結構的改進。成本的下降依賴于現有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而,晶體硅電池發電的平價上網時間表除了與產業規模的擴大有關外,最重要的依賴于產業技術(包括設備和原材料)的改進。


僅靠工藝水平的改進對電池效率的提升空間已經越來越有限,電池效率的進一步提升將依賴新結構、新工藝的建立。具有產業化前景的新結構電池包括選擇性發射極電池、異質結電池、背面主柵電池及N型電池等。這些電池結構采用不同的技術途徑解決了電池的柵線細化、選擇性擴散、表面鈍化等問題,可以將電池產業化效率提升2~3個百分點。


為了進一步降低成本、提高效率,各國光伏研究機構和生產商不斷改善現有技術,開發新技術。他們根據自己的技術實力和科研回報的期望,選擇不同的研究方向和路徑,共同促進光伏技術的不斷進步。


如圖所示為不同光伏技術的發展狀況及前景


高效電池類型介紹


1.高效晶體硅太陽能電池-MWT電池


MWT電池是金屬穿孔卷繞(metallizationwrap-through,MWT)硅太陽能電池的簡稱。


MWT技術是荷蘭規模最大的太陽能電池生產商SollandSolar開發的用于其Sunweb電池的方法。該技術應用p型多晶硅,通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池轉移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%,再與電池組件相連接,所得的輸出效率能提高9%,如圖5所示。


在MWT器件中,工藝的難點包括:激光打孔和劃槽隔絕的對準及重復性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內金屬的填充等。一般MWT每塊硅片要鉆約200個通孔。


MWT電池的制作流程大致為:


硅片-》激光打孔-》清洗制絨-》發射極擴散-》去pSG-》沉積SIN-》印刷正面電極-》印刷背面電極-》印刷背電場-》燒結-》激光隔絕-》測試。


圖:MWT電池將發射極從正面“卷繞”至背面


2.高效晶體硅太陽能電池-EWT電池


EWT電池是發射極環繞穿通(emitter-wrap-through,EWT)硅太陽能電池的簡稱。


與MWT電池不同的是,在EWT電池中,傳遞功率的柵線也被轉移至背面。與MWT電池類似,EWT電池也是通過在電池上鉆微型孔來連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個通孔,EWT電池每塊硅片大約有2萬個這種通孔,故激光鉆孔成為唯一可滿足商業規模速度的工藝,如圖所示。


EWT電池由于正面沒有柵線和電極,使模組裝配更為簡便,同時由于防止了遮光損失且實現了雙面收集載流子,使光生電流有大幅度的提高。用于工業化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網印刷和激光技術,并對硅片質量具有一定的要求,這為EWT電池工藝技術提出諸多的要求,比如無損傷激光切割的實現、絲網印刷對電極形狀的限制、孔內金屬的填充深度以及發射極串聯電阻的優化等。利用這種新型幾何結構生產出來的早期電池獲得了超過17%的效率。


圖:采用背面分布式觸點的EWT電池


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