半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

半導體太陽能光伏電池研發(fā)現狀與趨勢王占國（中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室）摘要1、序言：世界能源發(fā)展的走勢2、半導體光伏電池的研究現狀和發(fā)展趨勢3、半導體太陽能光伏電池產業(yè)發(fā)展現狀與前景預測4、我國太陽能光伏電池產業(yè)發(fā)展存在的問題與建議5、太陽能光伏發(fā)電應用例舉6、致謝

2/4/20231半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

人口、資源和環(huán)境已成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。對于人口眾多、資源相對貧乏和生態(tài)環(huán)境嚴重惡化的我國，所遇到的挑戰(zhàn)則更加嚴峻。

針對我國化石能源緊缺、和生態(tài)環(huán)境脆弱的國情，要實現2020年國民經濟GDP翻兩番和在2050年達到中等發(fā)達國家生活水平的戰(zhàn)略目標，必須在提倡節(jié)能和提高能源利用效率、降低能耗與控制污染的同時，大力發(fā)展清潔、可再生能源及其應用技術。一、序言：世界能源發(fā)展走勢2/4/20232半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢(PVNET-EuropeanRoadmapforPVR&D,JRC-EUR21087EN,2004)未來世界能源發(fā)展的總趨勢預測2/4/20233半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢未來世界化石和可再生能源走勢預測2/4/20234半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

風能：我國風能僅次于美、前蘇聯，世界第三，已探明風能儲量為：32.26億KW,其中陸地可利用的風能2.53億KW；近?？捎蔑L能7.5億KW，同比約為水能的2.5倍。

生物質能：如沼氣、甲醇和乙醇等液體燃料等。

太陽能：光伏電池、熱伏電池和熱能發(fā)電等。太陽輻射到地球的太陽能為：1KW/m2,是目前人類能源消耗的數萬倍?？稍偕茉矗猴L能、生物質和太陽能等2/4/20235半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢GaAs與硅在空氣質量為0和空氣質量為1.5的太陽光普輻照度與截止波長的關系

太陽內部的熱核反應，每秒產生的能量多達41020

焦耳；恒定輸出壽命將大于100億年！

太陽輻射到地球的太陽能，超出目前人類能源消耗的數萬倍。2/4/20236半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢我國于2004年2月28日，已通過再生能源法，并將于2006年元月1日實施。

在可再生能源技術中，光伏發(fā)電是一種干凈、可持續(xù)發(fā)展的能源技術。平均每kW光伏系統每年減排16kg氮氧化物、9kg氧化硫、0.6kg固體粉塵以及0.6-2.3噸二氧化碳。

利用半導體光生伏特效應實現太陽能的轉換是一種重要途經。

實現高效轉換的途經是人們長期追求的目標，近年來已取得長足進步。2/4/20237半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢美國：1997年百萬屋頂計劃（2010年完成）。印度：1997年150萬套屋頂計劃，2002年完成。德國：1998年的10萬屋頂計劃，世界最大光伏系統安裝在慕尼黑展覽中心。澳大利亞：2000年悉尼運動會，665套1KW屋頂光伏系統。日本：2000年“新陽光計劃”；目前，太陽能電池生產世界第一。意大利：2000年全國太陽能屋頂計劃。蒙古：1萬套屋頂計劃，2010年安裝10MW。韓國和馬來西亞等國也有相應的發(fā)展計劃。各國政府大力扶持2/4/20238半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢二、半導體光伏電池的研究現狀和發(fā)展趨勢半導體PN結光伏電池的工作原理示意圖熱損耗pn結損耗電極接觸損耗復合損耗無光照時PN結內建電場的形成（左上），左下和右上為光照下光生載流子的運動示意圖。2/4/20239半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢半導體太陽能光伏電池的轉換效率2/4/202310半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢2.1第一代單晶體太陽能電池1941年，在硅區(qū)熔生長的PN結電池里觀察到光伏效應。1954年BellLab實現第一只擴散PN結電池，光電轉換效率6％我國58年開始硅太陽電池研究，65年效率15％，71年上星1985年澳大利亞采用表面微溝槽、鈍化發(fā)射極和背場結構，單晶硅電池效率超過20%。鈍化發(fā)射極和背電極電池，鈍化發(fā)射極和局部擴散背電極電池，效率達到百分之二十四點七（澳大利亞)

（1）硅單晶太陽能光伏電池2/4/202311半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

砷化鎵具有直接能帶隙（Eg＝1.42eV），具有很高的光發(fā)射和光吸收系數

，轉換效率高達近30％。1986年蘇聯和平號軌道空間站，裝備了10KWAlGaAs/GaAs

異質結電池，單位面積比功率達到180W/m2。

美國在上世紀80年代初發(fā)展了MOCVD技術，80年代中期開始批量生產GaAs/GaAs太陽能電池（18％）。

我國在上世紀與國際同期也開展了GaAs基電池研究，1999年,2×2cm2電池的轉換效率達22％。（2）砷化鎵基太陽能電池理論最大轉換效率與半導體能隙關系。2/4/202312半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

2005年世界光伏工業(yè)產量為1800MW，其中約85%源自晶體硅電池,晶體硅電池效率高、壽命長、投資風險小。提高效率、降低成本仍然是晶體硅電池組件研發(fā)的重要課題。

薄膜電池不用硅片（200-250微米厚），而是在玻璃等廉價襯底上沉積薄膜半導體（≈1微米）有源層，可望大幅度降低材料消耗和成本。薄膜光伏電池主要包括:

非晶硅（a-Si）碲化鎘（CdS/CdTe）銅銦（鎵）硒（CI(G)Se）等。

2.2第二代薄膜太陽能電池2/4/202313半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

上世紀60年代末，英國標準通訊實驗室研制成功氫鈍化非晶硅薄膜，75年丹迪大學制備出非晶硅pn結。

1976年RCA做出非晶硅太陽能光伏電池，掀起了研究非晶態(tài)半導體的熱潮。82年,氫鈍化非晶硅電池的轉換效率突破了10%。

2001年日本Kaneka公司生產的非晶/微晶硅疊層電池效率10.5%，10年之內保證效率不低于9.8%。并預計2010年,非晶/微晶硅疊層組件效率達16%，系統價格60萬日元/3kWp。a-Si/n-Si二結2/4/202314半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢UnitedSolarOvonic

的不銹鋼襯底三結非晶硅太陽能電池生產線2/4/202315半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢UnitedSolarOvonicCAPACITYEXPANSIONATUNITEDSOLAROVONIC19860.6MW19912MWSamegapTandem19965MWTriple-gap,Triple-junction200225MW200625MW2/4/202316半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池

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碲化鎘是直接能帶隙半導體材料（Eg約1.5eV），具有光照穩(wěn)定性好、成本低、容易實現大面積組件集成等優(yōu)點。2001年美國NREL通過改進透明導電薄膜和窗口層材料，使CdS/CdTe電池效率提高到16.5%。

?

2005年CdTe電池組件的產量已達到50MW，預計2006年將達到75MW。Cd的毒性問題已得到妥善解決2/4/202317半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢?

Cu(InGa)Se2太陽電池是另一種多晶薄膜電池，具有穩(wěn)定性好、抗輻照性能好、成本低、效率高等優(yōu)點。目前，Cu(InGa)Se2/CdS電池實驗室小面積效率已達到19.5％。?

CIGS電池為多元化合物，產業(yè)化生產難度大，但近年來，大面積電池組件的效率已達到10－13％，進展很大。2005年CIGS電池組件的產量已達到8MW，2006年將激增為44MW。?Cu(InGa)Se2

電池需要大量使用In（約占CIGS總重量的1/4），In是地球上比較稀有的一種元素，當CIGS電池的產量達到G瓦量級后，In的供應可能會成為瓶頸。

銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池2/4/202318半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢?

DSSC是一種光電化學太陽電池，由光電極、氧化還原對電解液和對電極構成。它具有成本低、高效率、材料來源豐富、無毒性等特點，是一種很具發(fā)展前景的薄膜電池。?DSSC研究始于上世紀60年代，1991年以來，瑞士的一個小組采用納米多孔TiO2薄膜作為光電極、Ru三吡啶絡合物作為染料敏化劑和含碘氧化還原對的電解液，改善了DSSC的性能。最近通過改進TiO2層次結構和提高了TiO2的織構度，降低器件的串連電阻，將DSSC的效率提高到11.1%。大面積（100cm2）染料敏化電池組件的效率已達到8.4％。?DSSC研究的一個重要方向是用固態(tài)或準固態(tài)電解質取代液態(tài)電解質，以避免電解液的揮發(fā)和滲漏；用有機染料取代含貴金屬Ru的絡合物和它的長期穩(wěn)定性都是倍受關注的問題。染料敏化太陽電池（DSSC）2/4/202319半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢單PN結太陽電池理論轉換效率（在標準光照情況下）與半導體材料的禁帶寬度的關系2/4/202320半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢2.3第三代高效薄膜太陽能電池

對于單帶隙太陽電池材料，限制電池效率的因素主要是：

能量低于帶隙的光子不能被有效吸收；

能量遠高于帶隙的光子一般也只能激發(fā)出一個電子空穴對。

提高電池效率就是要把不能被有效吸收的低能光子和能量遠高于帶隙的高能光子的能量充分利用起來。目前已有和潛在的半導體光伏技術有：疊層電池技術，多光譜太陽電池技術

雙光子吸收太陽電池技術

多能級、多帶和熱光伏太陽電池等。2/4/202321半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢用不同帶隙寬度Eg的材料，按Eg大小從上而下迭合起制成。選擇性地吸收太陽光譜的不同子域，可大幅度提高電池的轉換效率。計算表明，兩結疊層電池的極限效率為50％；三結電池的極限效率為56％；36結效率為72％；無限多結效率為86.6%。1990年，GaInP/GaAs雙結疊層電池，AM1.5效率達27.3％。1994年，0.25cm2面積的GaInP/GaAs雙結疊層電池，其AM1.5效率到29.5％。我國三結電池效率26.8%.（1）疊層電池2/4/202322半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

Ⅲ族氮化物光學窗口從遠紫外至近紅外波長范圍（1.8μm—200nm）。組分連續(xù)變化的InxGa1-xN合金（3.4-0.7eV），與太陽光譜分布（4.0-0.4ev）較好相匹配，為探索全太陽光譜的新一代、高轉換效率太陽電池開辟新途徑。

理論預測，InxGa1-xN組分緩變多結太陽能電池的極限轉換效率可高達72%！而且InxGa1-xN還具有抗輻照能力，可提高太陽能電池的可靠性。

開發(fā)Ⅲ族氮化物太陽能電池在國際上受到高度重視,期望能打破現有太陽能電池轉換效率的極限,開創(chuàng)太陽能利用新局面。2/4/202323半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢（2）多光譜太陽能電池將太陽光的多光譜變?yōu)橄鄬φ摹⑦m應單結電池的光譜，而不用多結，降低成本（左上圖）。利用熱激發(fā)LED產生窄帶光譜；通過熱光和光電轉換，理論效率可達50％（左下圖）。右下是太陽光的下轉換示意圖，吸收一個光子可以產生兩個電子空穴對，從而提高轉換效率。2/4/202324半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢（3）雙光子吸收太陽電池技術通過雙光子吸收、碰撞電離和俄歇過程，內量子轉換效率可大于100%，盡管對目前已知的材料，這種吸收系數仍然很小。2/4/202325半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢（4）多能級太陽電池下圖左可是不同的耦合多量子阱或量子點（形成子帶），可充分利用太陽光譜，提高轉換效率；右下圖是具有激發(fā)態(tài)的量子阱結構，也可用來充分利用太陽光譜的紅外部分。2/4/202326半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

在帶隙中引入N個帶會擴大吸收長波光子的能量范圍(2,3)?？稍趯拵栋雽w中引入的稀土雜質帶，或某些多量子阱結構。N個帶電池的極限效率為86.8%。值得指出，N帶的引入不應帶來額外的復合損失。

熱光伏是利用一個熱源作為光源，又稱為熱光子技術。這種技術特別適用于燃料電池和廢熱利用。在轉換太陽光時，與一個吸熱體相結合，其極限效率可達85.4%。（5）多能帶和熱光伏太陽電池2/4/202327半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢太陽能熱電、光電及熱電/光電復合發(fā)電系統(a)熱電發(fā)電(b)光電發(fā)電(c)熱電·光電復合發(fā)電(a)(b)(c)2/4/202328半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢太陽能光伏電池的追尾裝置2/4/202329半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

（6）高效、低成本有機/無機復合納米半導體柔性太陽能電池：目前國際前沿研發(fā)熱點之一可折疊、卷曲、易安裝、移動性好;2.非真空生長,成本低；3.無襯底、重量輕、抗輻照，有利于空間使用;4.輕質、比功率高，理論預期能量轉換效率>66%。2/4/202330半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢無機半導體納米顆粒是優(yōu)異的受主中心，有機聚合物則是好的施主，二者復合可以提高電荷傳輸效率，從而提高太陽電池的能量轉換效率。有機/無機復合納米太陽能電池2/4/202331半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢三、半導體光伏電池產業(yè)發(fā)展現狀和前景預測

世界太陽能光伏產業(yè)發(fā)展迅速。最近5年太陽電池/組件生產的年平均增長率達到43％，2005年世界光伏電池/組件產量達到1.8GW，比2004年增長了50％。

2005年世界光伏系統的總裝機容量超過5GW，其中并網發(fā)電在光伏市場中的份額逐年增加。

據預測，到2010年世界光伏系統累計裝機容量將達到14～15GW，電池組件的價格約2美元/Wp。2/4/202332半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

歐洲光伏協會對未來光伏產業(yè)和市場預測，2020年世界光伏系統總裝機容量將達195GW，發(fā)電量達到274TWh,相當于2020年全球發(fā)電量的1％。光伏組件成本低于1美元/Wp，光伏發(fā)電成本將降低到6美分/kWh以下。

預計到2040年，光伏發(fā)電量將達到7368TWh，等于當時全球發(fā)電量的21％。

近年來，我國光伏產業(yè)年生產能力增加很快，2005年生產能力達300MW（實際產量150MW）。據歐盟的報告預測，2007年中國的光伏工業(yè)將成為繼日、歐盟和美國之后的世界第四生產國，生產能力達1GW，約占世界市場的20％。2/4/202333半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢2000－2040年世界電力發(fā)展預測1%21%2/4/202334半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

并網發(fā)電在光伏市場中份額逐年增加并占主導地位2/4/202335半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢單晶硅（左）和其它幾種（右）太陽能電池轉換效率不斷提高。半導體太陽能電池（組件）制造技術發(fā)展迅速單晶硅2/4/202336半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

世界電池組件價格不斷下降，2004年下降到2.5美圓／Wp以下2/4/202337半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢世界年能耗和對應的太陽能光伏發(fā)電所需的面積2/4/202338半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢四、我國半導體太陽能光伏電池產業(yè)發(fā)展存在的問題和建議

上世紀70年代末到80年代中，為我國光伏工業(yè)的萌發(fā)時期，國內一些半導體器件廠開始單晶硅太陽電池的研發(fā)；80年代中后期，我國光伏電池/組件總生產能力達到4.5MW，我國光伏產業(yè)初步形成。

90年代初中期，我國光伏產業(yè)處于穩(wěn)定發(fā)展時期，生產量逐年穩(wěn)步增加。90年代末我國光伏產業(yè)發(fā)展較快。

進入21世紀以來，在《送電到鄉(xiāng)》工程及國際市場推動下，我國光伏產業(yè)進入全面快速發(fā)展時期。截止2004年底，我國光伏產業(yè)總的年生產能力：組件150MW，電池生產67MW，硅錠/硅片生產54MW。2/4/202339半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢我國研制的地面太陽電池效率達到的水平電池技術效率.(%)面積

(cm2)單晶硅電池(IPSE)(MGBC)(LGBC)倒金字塔織構化及選擇性發(fā)射區(qū)技術，機械刻槽埋柵技術激光刻槽埋柵技術19.792218.472218.655多晶硅電池常規(guī)＋吸雜14.511聚光(硅)電池密柵17.022多晶硅薄膜電池RTCVD(非活性硅襯底)14.811非晶硅電池非晶硅電池

PECVD(單結)PECVD(雙結)11.2毫米級11.4毫米級8.61010銅銦硒電池共蒸發(fā)12.111碲化鎘電池近空間升華13.380.5燃料敏化TiO2電池絲網印刷101

2/4/202340半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢

我國光伏發(fā)電與發(fā)達國家相比尚存較大差距，主要表現在技術水平、產業(yè)和市場發(fā)展方面。幾種典型太陽電池的實驗室最好效率(％)電池種類中國世界單晶硅19．824．7多晶硅16．519．8非晶硅13（三結）8（兩結）碲化鎘（CdTe）13.3816.4硒銦銅（CIS）12.119.22/4/202341半導體太陽能電池研發(fā)現狀與發(fā)展趨勢幾種商業(yè)化電池的效率對比(％)電池種類中國世界單晶硅14－1615－18多晶硅14－1514－16非晶硅(穩(wěn)定)-5－6(兩結)3－4(單結)8(三結)7(兩結)6(單結)碲