太阳电池物理与新型太阳电池技术发展20110424.ppt
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1、浅谈太阳电池物理与 新型太阳电池技术发展,沈 辉 中山大学太阳能系统研究所 顺德中山大学太阳能研究院,主要内容,国内外能源市场分析 国内光伏发展现状 回答两个焦点问题 太阳电池物理基础问题 太阳电池成本分析 新型太阳电池发展 关于光电转换效率 商业化的薄膜电池简介 化合物多能带叠层太阳电池 全硅叠层太阳电池 热载流子太阳电池 多电子-空穴对太阳电池 光谱转换技术 结束语,国内外能源市场分析,Solarbuzz发布2010年统计数据 全球安装18.2GW,其中: 德国占比例42%(7.2 GW)、 意大利21% (3.822 GW) 欧洲其他18% 美国5% 日本5% 全球其他9%,2010年度
2、中国光伏行业十大风云人物 (排名不分先后),国内光伏发展现状,2010年度中国光伏行业十大创新产品 (排名不分先后),2010年度中国光伏行业十佳应用案例 (排名不分先后),回答两个焦点问题,问题由来: 对光伏发电的怀疑和批评,主要来自政府有关部门与专家 - 多晶硅高耗能、高污染? 水泥、钢铁、玻璃等高耗能、高污染?与行业没有关系,行业没有高贵与低贱之分,没有水泥、钢铁和玻璃可以吗? 高耗能、高污染应该是对企业来划分,不是对行业! 黄金1盎司:矿石3.3吨,水5400升,电力370度,高耗能高污染?! - 晶体硅电池与薄膜电池之争? 本是同根生,相煎何太急!晶体硅与薄膜是一家,共同发展没有矛盾
3、! 当前和未来10年晶体硅就是主流,薄膜还有待技术突破! 高效电池离不开薄膜技术,硅片与薄膜技术可以兼容,如HIT电池!,太阳电池物理问题,太阳光谱 - 光谱高效利用,全光谱,高转换率 材料来源 - 丰富、无毒、易于加工等 光学问题 - 材料、结构、原理,硅片厚度100微米 电学问题 材料、结构、原理,电极材料 成本问题 - 与化石能源相比,实现大规模应用 环境问题 环保、回收利用 、可持续发展,太阳电池制造成本:材料-电池-组件 (特别说明:以下按照河北工业大学任丙炎教授数据整理),多晶硅材料按50/kg计算(未来3-5年可以达到30): 50/kg70片/kg=0.71/片;(尺寸125,
4、厚度180) 0.71/片2.5W/片=0.29/W(效率17%,硅材料每瓦成本) 长晶 + 切片: 75(长晶切片含利润总成本)70片/kg = 1.07/片 1.07/片2.5 =0.43/W (硅片每瓦成本) 电池生产统计每瓦成本:(125125)=0.25/W(20) 组件生产统计每瓦成本(含电池外的其它材料):0.4/W(30) 由材料到电池组件的总成本: 0.29/W+0.43/W+0.25/W+0.4/W=1.37/W 折合人民币:1.37¥6.83=¥9.3571/W 最新发展:材料到组件成本1.2美元每瓦以下,太阳电池制造成本:组件-系统安装-并网发电,并网光伏电站安装每瓦价
5、格按组件1倍价格计算: ¥9.3571/W2 ¥19, 1kW = ¥ 19000 1 kWh = 1度电,在广州晶体硅太阳电池每瓦平均年发电1.1度, 在青海可以发电1.5度 1kW电池20年发电量: 1kW1500h/每年20年 = 30000 度电(西宁) 1kW1100h/每年20年 = 22000 度电(广州) (青海:1500小时,广东1100小时) 每度电安装总成本 / 20年的发电量: ¥ 19000 30000 度 = 0.63元/度 (西宁) ¥ 19000 22000 度 = 0.86元/度 (广州),太阳电池制造成本:发展预测与趋势,如多晶硅的价格降为$35/Kg,硅片
6、的厚度实现160m,则: 多晶硅按35/kg79片/kg=0.443/片2.5W/片=0.177/W 由材料到电池组件的总成本: 0.177/W+0.43/W+0.25/W+0.4/W=1.257/W 折合人民币:1.257¥6.83=¥8.585/瓦 每安装工程瓦按组件1倍价格计算:(¥8.585/瓦)2¥17.17 完成电池并网工程后每度电的成本: ¥17.17元/瓦(装机)1000瓦小时=¥17170/度(每度电) 每度电安装总成本/20年的发电量 ¥ 17170 /度(每度电)30,000 度= 0.572元/度电(西宁) 随着科技的不断进步,各个工艺环节的成本还会继续下降。成本还会继
7、续下降。届时,光伏发电将成为真正的替代能源。,新型太阳电池发展,三代太阳电池的概念和论述来自国际著名的太阳电池的研究专家Martin A. Green教授。上世纪七十年代初,Martin A. Green及其研究团队在澳洲新南威尔士大学开始了晶体硅太阳电池的研究,此后一直到今天,新南威尔士大学研究团队一直保持着单晶硅太阳电池最高转换效率的世界纪录。 Martin A. Green在研究中发现了晶体硅(第一代)电池的问题:虽然转换效率可以达到很高,甚至接近单结电池极限,但是需要高质量低缺陷的昂贵晶体材料和复杂耗时的工艺。鉴于此,新南威尔士团队在八十年代后期开始对薄膜太阳电池(第二代)进行研究,九
8、十年代,他们开发出在玻璃上沉积硅工艺,并由Pacific Solar公司所验证。 与第一代太阳电池相比,第二代电池的好处是采用沉积技术,减少材料制备过程的有毒物质和降低了价格,代价是效率的降低和稳定性的问题。,第三代光伏技术旨在利用类似第二代的沉积技术制备高效电池,目标是实现生产成本低于0.5美元每瓦,甚至低于0.2美元每瓦,同时在生产过程中尽量使用无毒物质。 目前他们主要在全硅叠层电池和热载流子电池方面进行研究。,第三代光伏技术的核心理念是高效、长寿与低价。 第三代光伏技术包括: - 叠层太阳电池; - 热载流子电池; - 多电子空穴对电池; - 杂质能级以及多能带太阳电池; - 热光伏电池
9、和; - 运用新材料等制备的电池,如染料敏化电池。 其中大部分的电池还处于实验室试验阶段甚至理论阶段,如多能带太阳电池。但是具有冲击低价、高效这一目标的潜力。,在晶体硅电池迅猛发展的今天,也有学者对Martin A. Green三代电池的说法提出了异议,讨论的核心在于薄膜电池能否取代第一代电池。 按照Martin A. Green当初的设想,薄膜太阳电池将在2020年后成为市场的主流,2020后第三代电池将迅速发展。 有学者也称第三代光伏技术为新一代光伏技术,或者未来一代光伏技术。无论命名如何,学术界一直以来对这一领域都保持了巨大的热情和兴趣,特别是凭借迅猛发展的纳米技术和材料技术,科学家们有
10、机会应对Shockley-Queisser 极限效率的挑战。,晶体管之父 William Bradford Shockley 或许没有想到,他关于半导体的工作不仅引发了一次产业革命,在数十年后又为另外一个庞大行业提供了研究的基础。1961年,他与 Queisser 通过理论计算发现,半导体中光电转换的效率极限约为32%。效率极限与材料的带隙有关,具有最高理论转换效率的材料是GaAs,其极限效率接近32%,而Si的极限效率要低一些。 虽然Shockley预言了半导体太阳电池的极限效率,但是他的结果仅适用了单个p-n结的器件,随着 技术日益完善,采用新材料、具有复杂结构的新型光伏器件的制备技术已经
11、出现 。对于多个p-n结结构的多结叠层电池和采用纳米技术制备的新材料和新结构的电池而言,它们不受 Shockley 极限的限制,以至可获得超过40%甚至50%的效率。,William Bradford Shockley (February 13, 1910 August 12, 1989),W. Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys., 32 (1961) 510,关于光电转换效率,卡诺循环太阳电池的热力学效率极限 太阳辐射可以近似为温度为6000K(太阳光球的温度)的黑体辐射(黑体即为完美的吸收体和光发射体)。 Planck采用公式描述了黑体辐
12、射的能量分布。在Shockley和Queisser的研究中,认为太阳电池也是黑体模型,温度采用地表温度300K。 则温度为6000K(Tsource)和300K(Tsink)的两个热库之间的能量转换效率受卡诺循环限制(1- Tsource/ Tsink)为95%。,这个数值没有考虑电池的光子发射损失,因为模型假设这些损失能量又回到了太阳,使太阳保持自身的温度。修正模型考虑了光子发射损失,并假设过程是可逆的,满足卡诺循环的条件,由此得到的转换效率是93.3%,这个数值是实际太阳电池的效率极限。 UNSW研究中心对转换效率为93.3%的器件的结构设计以及发展前途作了全面研究。指出达到这一极限效率的
13、电池器件是有可能实现的,其结构为在无限层Tandem电池中采用一系列光循环装置达到通道带阻辐射。否则,太阳光转换为有用功(包括电能)的热力学极限效率计算结果为86.8%,与无限层Tandem电池的理论效率相同。 另一个研究结果是,理论上Tandem电池不是获得86.8%转换效率的唯一途径。其它一些模型,例如热载流子和能量级联电池的极限效率也是这一数值。,标准太阳电池的效率损失 标准单结太阳电池能量损失来自如图2- 1所示的几种过程,图2- 1 标准太阳电池能量损失过程。(1)晶格热振动损失;(2)、(3)p-n结和接触电压损失;(4)复合损失。,标准太阳电池的结构,主要损失是过程(1):光激发
14、电子空穴对迅速失去多于禁带宽度的多余能量。能量较低的红光光子与能量较高的蓝光光子在激发电子空穴对产生输出时是等效的。仅这一项损失就使标准电池的转换效率局限至44%左右。 另一个重要损失是过程(4):光激发电子空穴对的复合。采用光生载流子寿命长的材料,亦即材料缺陷更少以消除载流子复合通道,可以将复合损失降至最低。此时,载流子寿命取决于电池内部的辐射复合,即光激发过程的逆过程。 光吸收和发射过程的对称性可用于太阳电池性能的理论极限的推导。推导引用了“黑体辐射”理论,这一理论为量子力学的诞生奠定了基础。在一个太阳下,假设带隙宽度1.3 eV,理想标准电池的转换效率极限计算结果为31.0%。 W.Sh
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