沈文忠教授:晶硅准全向太阳能电池技术有非常好的应用前景

来源:能豆子 发布时间:2019-01-15 10:51 阅读数:3717

1月9日下午,由亚洲光伏产业协会、保利协鑫能源控股有限公司联合主办的第四届光伏产业链创新合作高峰论坛在苏州举行。上海市太阳能学会理事长、上海交通大学沈文忠教授应邀在会上作《晶硅准全向太阳能电池技术》主旨报告。


沈文忠教授主要观点认为:

·电池组件性能对入射光角度的变化依赖性更小是探索的方向。

·多晶的全向性比单晶要好很多。

·同质结和异质结都可以实现此项工艺,有1.5%左右的发电量提升,在户用的分布式上有非常好的应用前景。

·薄片化是下一步晶硅电池的发展趋势。单晶如果不用异质结,薄片化的优势就很难体现。

 

以下为现场速记内容:

非常高兴有这个机会跟大家作交流。这是我第三次参与光伏产业链创新合作高峰论坛,今年又不一样。


我说一点我小小的体会,光伏已经这么强了,我们中国应该要有点声音。所以我一年多来整理一下这个工作,我想给大家讲一下非常小的技术,主要是我们的一些工作。


我们科技组早期做黑硅,后面做PERC,那个时候的PERC跟现在还是有区别的。这两块大家可以看到,国内已经产业化,我们也在做产业化的工作。第三、四、五都是和N型相关的,异质结这块我们和协鑫集成“超级太阳”863项目顺利完成,现在也在推进产业化的工作,等一下会介绍。后面的两块我们正在做,一个是超薄,我们想单晶硅的优势和特点没有体现出来,就是薄片化。我们指的薄片化第一阶段是100微米,我们知道现在都是160、170、180,我们能不能做100的异质结,下一步能否做50以下,更薄的硅片。还有高效方面能否更高效,刚才朱董事长提到钙钛矿,我觉得一定是站在晶硅的基础以上,做一些叠层电池,效率做到30%以上目标是完全可以实现的。所以我们想梳理这样一些技术和过程中,这是另外一个角度纵向的,我们提出这样一个话题。


去年第三届的论坛上,我讲了双面电池,也讲了很多双面电池发展的历史。短短一年时间以来,双面电池的市占率非常大了,特别是在领跑者当中,有超过50%了,所以未来我们讲准全向电池,不排除单面、双面都可以用。所以未来双面电池是市场的主流,2015年到现在这一阶段,特别是PERC的双面出来以后,谁也不能否认双面是没用的。再过10年,到2030年的时候,是不是单面电池是一个小众的市场,晶硅电池等都是双面电池,我想这用不了十年,未来五年就见分晓。


围绕这一话题我们今天讲以下五个话题,提一下背景,为什么要提出这样一个准全向电池的概念。第二个我们怎样做?第三个我们怎样在黑硅、PERC和异质结上做?最后给出薄片化上的总结。


大家知道光伏的发展,特别是我们国家应用发展迅猛,早期都是规模化的电站,它的要求是低成本、高效的组件。但是近年来所有的大型电站都集中在领跑者计划当中,领跑者当中双面电池50%以上的份额,大概52%左右,双面加跟踪是一个标配。但是从一个电池的组件不到2块钱,一个跟踪系统可能要7毛钱到8毛钱,这个成本完全不对,而且占地空间用了跟踪以后空间要求更大。这是大家要看到的,虽然增加了7%—10%的发电输出,但是增加的成本也是非常可观的,土地的利用也是非常多的,再加上我们更主要的是在东部地区,是在东部市场的应用,这在屋顶分布式做跟踪几乎是不可能的。

有没有可能做一种电池,这种电池不用跟踪但是起到类似跟踪的作用,也就是入射光角度的变化对电池组件性能的依赖性比较小,这是我们探索的方向。第二个是铺在一定的角度上,也能一天当中起到很好的作用,这就是跟光向依赖性很小的准全向的一个电池结构。这个工作很早,2011年我们发表了这样一个工作,当时黑硅的概念还没有,现在很多的黑硅。我在很多场合说不要叫黑硅,叫灰硅。为什么?


大家可以看到这里给出5微米的纳米结构,来做电池。2011年的时候电池很黑,但是电池的性能是很差的,这上面没有额外的能力,就是这一根纳米线就能起到很好的减缓性,这个是1%以下。我们知道做黑硅电池反射没有做钝化膜的话,也要10%以上,这完全可以做到。但是钝化性能很差,电机性能很差,所以整个的电池性能是很差的。但是我们又另外发现一个现象,随着入射角度AY的变化,它的反射性减少是很弱的,这给我们很大的启发,所谓的准全向的概念,当时就有这样一个概念,但是没有深入研究。


这里面提到表面增强,为什么光学性能好,电学性能不好。250纳米的纳米线,表面增强3.4倍,如果做1微米的纳米线增加5倍,增加5倍的表面钝化是很糟糕的,后来我们提出一个方案,这是2015年提出的方案,一定要是绒面和纳米线的结合,这样我这个纳米线能做到100纳米以下。


所以现在大家说黑硅电池,其实并不太黑的,是灰的。它是采用了这样的方案来做,纳米线可以做到很整,增加表面积很小。回过头来看这样一个结构,不管是金字塔、倒金字塔,还是纳米的凹坑,我们看表面。单晶的金字塔和单晶的倒金字塔的话,如果这个绒面是纳米结构的话,红色的要比黑色的小很多。但是有一点大家可以看到,多晶不管是微米还是纳米它的依赖性是差不多。所以多晶的全向性比单晶要好很多,这是我们理论计算的结果,后面的实验都会加以验证。


所以我们研发出一个非常简单的方法,跟黑硅工艺是类似的,比黑硅工艺还要简单,大致分为两个步骤,一是沉积银,第二步骤是在碱当中的腐蚀。大家可以看到纳米绒面,纳米的绒面一定范围内是可控的,500纳米到800纳米是可控的。我们做这种电池,大家可以看到光学性红色的微米绒面,红色的纳米绒面肯定要差一些,反射高一些,但是会看到对应的寿命要明显好。


大家可以看看下面的这个三角的角,微米绒面是51.25度,纳米绒面是48.2度,这个度数减小,说明表面增加减小,这是非常有利于动画性能的完善。


所以我们可以看出两种电池,不管是同质结还是异质结,大家可以看到开压,纳米绒面的开压明显比微米绒面要高,在异质结上面720变成729,同质结上636变成641,但是电流下降了,因为表面反射增加。整个性能差不了太多,差一点。都是在线上做的,所以没有优化相关的性能。


如果这样的电池大家从表面上来看,从垂直图像可以看到,微米绒面黑一些,但是如果侧过来看B图,一个是黑,但是微米绒面就不是很黑了,对光的反射性增强了。先看光的耦合,微米绒面、纳米绒面非常不错,但是到70度,就相当于垂直是0度,一直到70度,这样对早晨和傍晚的角度依赖性都是比较好的。所以我们可以计算发电量的增加,一天当中发电量。


在上海地区分了春夏秋冬4个典型的时间,虽然电池效率性能下降,但是发电量提升1.5—2.5%,这个非常明显。


所以有了这样一个例子,我们在产线上做了一些实验,比如说在金刚线切割的多晶上面,这个顺便介绍一下我们的工作,这个是早期2015年开始做的工作,不详细展开。大家可以看到我们后面的图,包括性能的提升,我们可以看到确实是和理论依据一样,整个的性能,在多晶上面随角度的依赖性是较小的,不管是微米还是纳米,也就是多晶组件的发电量和一年当中比同功率量是有所提升,这里有一些证据,但我们希望作进一步证明。这个结构也非常好,我们还可以在单晶上面做倒金字塔,这是非常成熟的技术,只是我们增加了一步,就可以把倒金字塔用非常简单的跟黑硅工艺类似的工艺做出来。我们可以看到全向性,角度也是70度左右才开始下降,这让一天当中的发电量有所保证。


在异质结当中也是可以实现的,异质结有很好的好处我们在这里就不展开了。这是我们和协鑫集成的博士站所做的工作,我们在发表了相关的文章,说明了技术的可行性,包括以铜栅线来替代银栅线的工作。


但是这个电池的双面率是95%左右,是三种双面电峰最高效率的一组,这个我们是在泰兴的中试在做产业化推进。


大家可以看3月份的数据是22.6%,12月份的数据平均是22.9%,我想这基本上是达到异质结非常高的23%左右的量产水平,甚至是160兆瓦可以满产。


在这种电池上也可以做微米的全向性电池。大家可以看到我们红颜色的是纳米的,它的反射没有优化,稍微差一些,但是整个电池的性能是非常相当的,这是由我们实验得出来的结果。


但是如果比较一天当中的发电量,我们计算了三个地方,不同的春夏秋冬,包括海南、上海和内蒙三个不同的纬度地区,它都可以提高1%以上,一般的可以提高1.5%左右,这也是全向性能的体现。


简单给出一个总结,这是一个非常简便的工艺,所有的电池不管是同质结还是异质结都可以实现,有1.5%左右的提升,在户用的分布式上有非常好的应用前景,当然还可以用在薄片化上面,我想这是下一步晶硅电池的发展趋势。能否做到小于50微米,为什么这样说?我们可以看到异质结电池,现在PERC电池做100微米是非常困难的,几乎是不可能实现的,所以和多晶相比而言,单晶如果不用异质结,薄片化的优势就无法体现。但是单晶做异质结一百微米,一百微米的数据还是能够保证100%的份额,但能否做得更薄?


我们做了探索,用纳米绒面的工艺,我们把硅片减薄到30微米左右,30微米所做的绒面。我们加了纳米绒面以后,吸收已经可以达到极限,可以达到40毫安每平方米左右,这就是30微米的硅片已经足够吸收所有的太阳光。


这是大家可以看到的,把硅片减到100、减到20微米过程中,只要保持一定好的钝化效果,表面负荷数降到10以下的话,所有的异质结表面都是1—10之间,我们做下来的结果是9左右,还是非常不错的。


所以我们把电池用到上面去,最近我们做了一个37微米的硅片上面的电池,大家可以看到我们做了微米和纳米的绒面,它的性能体现出非常好的全向性,对角度的依赖性是非常小的,当然这是结合了铜金属化的工艺一起来做,异质结是非常好的下一阶段薄片化的趋势。


这里面点出阿特斯的一个例子,这个不直接证明,阿特斯给出的户外实际证明是多发了1—1.5%,但是它还是跟多晶比,跟单晶比可以更好,希望下一步给出更好的证明。我觉得全向性在多晶上应该是有1—2%以上的发电量的提升。

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