太阳电池物理与新型太阳电池技术发展0424

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-2-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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-3-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26国内外能源市场分析-4-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-5-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-6-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-7-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-8-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-9-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-10-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-11-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26Solarbuzz发布2010年统计数据全球安装18.2GW，其中：德国占比例42%（7.2GW）、意大利21%（3.822GW）欧洲其他18%美国5%日本5%全球其他9%-12-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/262010年度中国光伏行业十大风云人物（排名不分先后）尚德电力控股有限公司董事长兼CEO施正荣晶澳太阳能控股有限公司CEO方朋常州天合光能有限公司董事长兼CEO高纪凡浙江正泰太阳能科技有限公司总裁杨立友保利协鑫能源控股有限公司董事局主席朱共山中电电气集团董事长陆廷秀江西赛维LDK太阳能高科技有限公司CEO彭小峰韩华新能源有限公司CEO谢平常州亿晶光电科技有限公司董事长荀建华中盛光电集团董事长王兴华国内光伏发展现状-13-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/262010年度中国光伏行业十大创新产品（排名不分先后）英利绿色能源控股有限公司：熊猫N型单晶硅高效电池尚德电力控股有限公司：Pluto晶体硅太阳能电池阳光电源股份有限公司：SunAccess系列光伏并网逆变器常州天合光能有限公司：高迈-高效高功率电池组件杜邦光伏解决方案：杜邦TMSolamet©光伏电极金属浆料友达光电股份有限公司：SunFortePM318B00高效单晶硅太阳能光伏组件台湾禧通科技股份有限公司：高效率Ⅲ—Ⅴ族砷化镓太阳能电池上海普罗新能源有限公司：RDS4.6型多晶硅铸锭炉力诺光伏集团：彩色太阳能电池组件-14-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/262010年度中国光伏行业十佳应用案例（排名不分先后）浙江正泰太阳能科技有限公司：高效薄膜光伏幕墙尚德电力控股有限公司：Pluto晶体硅太阳能电池阳光电源股份有限公司：上海虹桥枢纽6.68兆瓦光伏发电项目江西赛维LDK太阳能高科技有限公司：2MW光伏示范电站工程上海普罗新能源有限公司：宁夏光伏发电项目北京科诺伟业科技有限公司：西藏羊八井10MWp光伏并网电站KNGI600-330PTA并网逆变器项目新奥太阳能源集团：3.2MW双结硅基薄膜地面电站项目普乐新能源（蚌埠）有限公司：大丰20兆瓦薄膜光伏电站项目上海聚恒太阳能有限公司：200KW高倍聚光光伏示范电站项目英利绿色能源控股有限公司：10兆瓦金太阳示范工程特变电工新疆新能源股份有限公司：新疆若羌县独立光伏电站项目-15-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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！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！-16-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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-17-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-18-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26-19-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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/kg÷70片/kg=＄0.71/片；（尺寸125，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：（125×125㎜）=＄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-20-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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格按组件1倍价格计算：•￥9.3571/W×2≈￥19,1kW=￥19000•1kWh=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：•1kW×1500h/每年×20年=30000度电（西宁）•1kW×1100h/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）-21-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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，硅片的厚度实现160μm，则：•多晶硅按＄35/kg÷79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。成本还会继续下降。届时，光伏发电将成为真正的替代能源。-22-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26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MartinA.Green教授。上世纪七十年代初，MartinA.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。•MartinA.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，九十年代，他们开发出在玻璃上沉积硅工艺，并由PacificSolar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。-23-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26•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。-24-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26•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。-25-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26•在晶体硅电池迅猛发展的今天，也有学者对MartinA.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MartinA.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，科学家们有机会应对Shockley-Queisser极限效率的挑战。-26-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2019/8/26•晶体管之父WilliamBradfordShockley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。-2