光伏電池技術概覽

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光伏電池技術概覽

兔子君導讀

兔子君在之前分享的《詳解分散式光伏系統成本構成—誰偷走了你的收益?》中介紹過光伏組件約佔電站總投資額50%左右。光伏組件中價值最高的是太陽能電池片，近年來電池片轉換效率的提升和製造成本的下降，使得世界光伏組件價格在2010-2015年期間累計下降了75%-80%。兔子君今天與大家一起來看一下目前市場上有哪些主要的電池技術。

光伏系統成本構成總覽

美國可再生能源實驗室（NREL）每年都會發布實驗室內最佳太陽能電池效率技術的統計，如下圖。當中分為多結太陽能電池技術、晶硅太陽能電池技術、薄膜太陽能電池技術以及新興太陽能技術。這些技術中，佔據目前市場主導地位（94%以上）的是晶硅太陽能電池技術。由於美國第一太陽能公司（First solar）的緣故，CdTe技術為薄膜太陽能電池佔據了一定市場份額。此外，新興技術中的鈣鈦礦電池技術這幾年發展尤為迅猛，被產業寄予厚望。當然，目前市場上產業化的電池片效率離實驗室內的效率還有一定的距離。

太陽能電池的基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。對其而言，最重要的參數是光電轉換效率。目前所研發的N型單晶電池的產業化水平大概在22%-24%左右，常規P型的單晶電池產業化水平在19.5%左右,P型多晶電池的產業化水平則在18.3%左右。而高效PERC單晶電池在20.4%左右，PERC多晶電池在18.8%左右。

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PERC電池技術

PERC技術通過在電池的後側上（如下面圖像中的黃色層所示）添加一個電介質鈍化層來提高轉換效率。標準電池結構中更高的效率水平受限於光生電子重組的趨勢。PERC電池最大化跨越了P-N結的電勢梯度，這使得電子更穩定的流動，減少電子重組，以及更高的效率水平。

PERC是2016年我國光伏產業內最熱門的光伏技術，各大廠家紛紛上馬PERC技術。樂葉、天合、晶澳、晶科、英利等大型電池生產商都在2016年發出了PERC電池商業化製造聲明。由於中國企業的介入，PERC電池成本快速下降。曾經認為PERC電池技術的主要挑戰將是降低生產成本。曾經預期P型單模塊PERC電池的價格是標準的P型多模塊電池平均的1.5倍。但是從2016年市場上看，PERC電池與標準電池溢價在15%-30%之間，遠低於市場的預期。此外，PERC電池目前提供更水平的效率增益，PERC電池效率比標準的多模塊電池高15%，比標準的單模塊電池高7%。這表明，隨著成本結構和效率逐一步改進，PERC技術可能改變目前晶硅電池片的生產格局。

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HIT電池技術

HIT電池是異質結太陽能電池的簡稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業化的高效電池設計和製造方法，電池製作過程大致如下：利用PECVD在表面織構化後的N型CZ-Si片的正面沉積很薄的本徵α-Si:H層和p型α-Si:H層，然後在矽片的背面沉積薄的本徵α-Si:H層和n型α-Si:H層；利用濺射技術在電池的兩面沉積透明氧化物導電薄膜（TCO），用絲網印刷的方法在TCO上製作Ag電極。值得注意的是所有的製作過程都是在低於200℃的條件下進行，這對保證電池的優異性能和節省能耗具有重要的意義。

HIT電池具有高效的原理是

（1）全部製作工藝都是在低溫下完成，有效地保護載流子壽命；

（2）雙面制結，可以充分利用背面光線；

（3）表面的非晶硅層對光線有非常好的吸收特性；

（4）採用的n型矽片其載流子壽命很大，遠大於p型硅，並且由於矽片較薄，有利於載流子擴散穿過襯底被電極收集；

（5）織構化的矽片對太陽光的反射降低；

（6）利用PECVD在矽片上沉積非晶硅薄膜過程中產生的原子氫對其界面進行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。

這種電池具有結特性優秀、溫度係數低、生產成本低廉和轉換效率高等優點，所以在光伏市場上受到青睞，商業化生產速度發展很快。但是由於成本較晶硅電池高，且前期專利被日本三洋所掌握，預測市場佔有率一直不高。目前隨著HIT電池專利過期，國內企業也開始系統研究HIT的產業化方式，預期未來市場會有HIT的份額。

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IBC電池技術

IBC(Interdigitated back contact)電池出現於20世紀70年代，是最早研究的背結電池，最初主要應用於聚光系統中。電池選用n型襯底材料，前後表面均覆蓋一層熱氧化膜，以降低表面複合。利用光刻技術，在電池背面分別進行磷、硼局部擴散，形成有指狀交叉排列的P區、N區，以及位於其上方的P+區、n+區。重擴形成的P+和N+區可有效消除高聚光條件下的電壓飽和效應。此外，P+和N+區接觸電極的覆蓋面積幾乎達到了背表面的1/2，大大降低了串聯電阻。IBC電池的核心問題是如何在電池背面製備出質量較好、呈叉指狀間隔排列的P區和N區。為避免光刻工藝所帶來的複雜操作，可在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴散掩蔽層，掩蔽層上的硼經擴散後進入N型襯底形成P+區，而未印刷掩膜層的區域，經磷擴散後形成N+區。通過絲網印刷技術來確定背面擴散區域成為目前研究的熱點。

IBC電池的世界效率為25%，由美國sunpower公司保持。國內企業中，天合光能走在前列，其與澳大利亞國立大學聯合開發的IBC電池實驗室電池效率達到了24.4%；獨立研發的156mm×156mm（6英寸）大面積IBC電池轉換效率最高達22.94%，平均轉換效率達到22.7%。目前，天合光能正在建設IBC電池中試示範線，其電池轉換效率平均在21.5%以上。目前由於IBC電池工藝問題，電池價格居高不下,目前主要在一些對轉換效率及電站質量有較高要求的市場中佔據一定的市場份額。未來仍需進一步開發低成本製造技術。

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CdTe（碲化鎘）電池技術

碲化鎘薄膜太陽能電池在生產成本大大低於晶體硅和其他材料的太陽能電池技術，其次它和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光。標準工藝，低能耗，生命周期結束後，可回收，強弱光均可發電，溫度越高表現越好。擁有這麼多優勢的碲化鎘薄膜太陽能電池在全球市場佔有率上已經開始向傳統晶體硅太陽能電池發起了挑戰，碲化鎘薄膜太陽能電池的領軍企業美國First Solar公司一度成為全球市值最高的太陽能電池企業。目前碲化鎘電池的實驗室效率依舊被First Solar所保持，特別是2010年後，碲化鎘電池實驗室效率從16%快速突破到高達22.1%，其產業化組件效率也達到17%，幾乎能與當前的晶硅組件相媲美。

然而，碲化鎘太陽能電池自身也仍是有一些缺點。碲是地球上的稀有元素，發展碲化鎘薄膜太陽能電池面臨的首要問題就是地球上碲的儲藏量是否能滿足碲化鎘太陽能電池組件的工業化規模生產及應用。此外，鎘也是重金屬污染物，使很多人擔心碲化鎘太陽能電池的生產和使用對環境的影響。雖然First Solar公司的碲化鎘太陽能電池組件在銷售時就與用戶簽訂了由工廠支付回收費用的回收合同，但是高昂的回收成本使得該技術在我國市場份額一直不高。不過，根據麻省理工學院2015年出版的《The future of solar Energy》一書中評述，認為碲化鎘電池是未來太陽能電池的可靠的技術路線之一。

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CIGS（銅銦鎵硒）電池技術

CIGS薄膜太陽能電池，是指使用化學物質Cu（銅）、In（銦）、Ga（鎵）、Se（硒）通過共蒸發工藝在襯底上形成吸收層的太陽能電池技術，是目前商業化的薄膜太陽能電池技術之一。目前實驗室效率記錄被solar frontier在2016年刷新到22.3%，國內目前實驗室效率在18%－19%之間。產業中CIGS薄膜電池的效率主要在13%－15％ 。此外，由於CIGS電池可以在柔性襯底上生長，因此可以生產質量輕且柔軟的電池組件，可以應用在荷載不足的屋頂及穿戴設備上。

然而，即使CIGS電池具有輕柔級潛在的高效率和低材料成本的優勢，但他也面臨三個主要的問題：（1）製程複雜，投資成本高（2）關鍵原料的供應不足（3）緩衝層CdS具有潛在的毒性。這些問題導致CIGS薄膜組件價格相對晶硅組建而言過於昂貴，市場範圍較小。

在國內，產業對這個技術的關注由來已久，其中早期進入CIGS電池生產的知名企業就是漢能，現在也不乏後繼者，2017年1月，神華集團、上海電氣和重慶兩江新區戰略性新興產業股權投資基金共同出資建設CIGS太陽能電池組件項目，預計總投資25.5億元人民幣，將在兩江新區建設兩條CIGS薄膜太陽能生產線，預計產能306MWP。然而，在晶硅組件的價格持續大幅下降的環境中，CIGS想要在市場中分一杯羹，恐怕除了繼續提高效率、降低成本，還需要找准差異化的市場進行深耕。

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薄膜GaAs（砷化鎵）電池技術

GaAs屬於III-V族化合物半導體材料，其能隙與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫。與硅太陽電池相比，GaAs太陽電池具有較好的光伏發電性能，光電轉換效率比硅太陽能電池高。但是由於砷化鎵晶圓極其昂貴，最早砷化鎵電池僅用於特殊場合，如宇宙飛船、空間站的供電系統。經過科學家的努力，目前美國公司Alta Devices成功在實驗室製備里效率高達29.1%（單結）和31.6%（雙結）的砷化鎵薄膜電池。其產業化效率也高達24%（單結）。此外，如同其他的薄膜電池，輕量化且高效的轉換效率，讓砷化鎵薄膜電池在許多特殊場合發揮著重要作用。

然而，即便成功薄膜化砷化鎵電池，其成本依然十分昂貴，在美國售價高達數十美元/瓦，目前僅用在無人機續航及其他特殊場合。由於該項專利技術及設備製造專利均掌握在Alta Devices手中，漢能收購該公司後，因股票被暫停交易導致母公司自身難保，導致Alta Devices無法利用漢能的資本和產業優勢快速擴張，尋求產業化的降本路線。如今砷化鎵薄膜電池年產量不足100MW，遠不能滿足市場需求。雖然公司採用差異化發展路線，緊盯高端市場，利潤可觀，然而卻未能在趁著光伏發展的風口快速做大，不得不說令人扼腕。當然，如今一個公司的困境不能代表電池技術的未來，目前看來，薄膜砷化鎵電池在高端市場必定佔有重要的市場定位。

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鈣鈦礦電池技術

鈣鈦礦太陽能電池的名稱來源於其光電轉換材料的晶體結構——一種具有具有鈣鈦礦晶體結構的有機/無機複合材料（如CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3等,其結構示意圖見圖）作為吸光層的太陽能電池。2009年，日本的科學家Miyasaka採用有機無機雜化鈣鈦礦（CH3NH3PbI3）量子點作為敏化劑來吸光，製備了基於碘系的液態電解液染料敏化太陽能電池，當時的光電轉換效率只有3%左右。2012年，英國固態染料敏化太陽能電池專家Snaith和Miyasaka合作，將有機無機雜化鈣鈦礦材料用於固態染料敏化太陽能電池，最終發現鈣鈦礦自身可以傳遞電子，從而開發出基於支架（scaffold）介孔電池結構的鈣鈦礦太陽能電池，取得了大於10%的光電轉換效率。其後在短短几年，效率不斷更新，並開發出了基於p-i-n結構的高效平板電池。在2014年，鈣鈦礦太陽能電池取得了20.1%的效率，已經和多晶硅太陽能電池的光電效率相當。而到了2016年初，韓國科學家已經將鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率提升到了22%以上，且理論轉換極限達50%

鈦礦太陽能電池不僅轉換效率有明顯優勢，製作工藝也相對簡單。實驗室中常採用液相沉積、氣相沉積工藝，以及液相/氣相混合沉積工藝製作。因此，更便宜、更容易製造的鈣鈦礦太陽能電池，很有可能改變整個太陽能電池的格局。今後，它的發電成本有可能會比火力發電更低。

結語

結語：鄧爺爺曾經說過：黑貓白貓，抓到老鼠就是好貓。雖然目前實驗室內光伏技術百花齊放，但是產業界，特別是中國的光伏電池產業，技術趨同現象嚴重。未來實驗室的光伏電池技術可以鞏固或者擊敗晶硅電池的統治地位，再塑光伏產業，讓我們拭目以待。

由於篇幅原因，兔子君只介紹了部分較為熱門及常見的技術，如果大家對其他技術有興趣，歡迎留言，兔子君也會視情況再與大家討論這些技術o(^_^)o

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