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目前,普通太阳能电池产业化水平的光电转换效率大致为,单晶18%-19%、多晶17.3%-17.8%,非晶硅薄膜8%~9%。根据国务院发布《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》,明确提出新上光伏制造项目应满足单晶硅光伏电池转换效率不低于20%、多晶硅光伏电池转换效率不低于18%、薄膜光伏电池转换效率不低于12%。
因此,所谓高效太阳能电池,主要是指电池产业化水平的光电转换效率要相对现有普通电池更高,即:单晶>20%、多晶>18%、非晶硅薄膜>12%。当然,高效太阳能电池也是一个随时间变化而变化的概念。
太阳能电池是一种利用“光生伏特效应”原理将太阳能转化为电能的半导体器件,其核心原材料是可释放电子的半导体物质。电池产品主要分为以晶硅电池为代表的太阳能电池,和以硅基薄膜、碲化镉(CdTe)电池、硒铟铜(CuInSe)电池、硫化镉(CdS)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池、砷化镓(GaAs)叠层电池等薄膜电池为代表的太阳能电池,以及以染料敏化电池-光电化学电池(Grātzel电池)、有机电池、多结(带隙递变)电池、热载流子电池等新型电池及新概念电池为代表的太阳能电池。
截至2013年底,太阳能电池产品中,晶体硅太阳能电池(主要是P型单晶硅电池和多晶硅电池)占据市场主导地位,市场占有率超过90%;薄膜电池的市场占有率不到10%;新型电池及新概念电池大多处于实验室阶段或中试阶段,尚未大规模产业化。
目前,全球光伏产业尚处在导入期,有关高效太阳能电池的多种相关技术路线都在并行发展。其中,晶硅高效太阳能电池因具有高光电转换率、低污染、性能稳定不易衰减、大规模制造技术成熟等方面的优点。因此,世界范围内以晶体硅太阳能电池为主的高效太阳能电池结构,既是过去几年的真实写照,而且还将会在未来十几年持续占据主导地位。
但是,就现在的规模化生产而言,要达到上述的效率要求,可能需要我们实现从常规P型晶体硅技术,到P型晶体硅的PREC/PERT技术以及N型电池技术(含N型双面、异质结、背接触、异质结背接触电池)的转变。同时,薄膜电池与晶硅电池相比,在光电转换效率、成本和稳定性等方面可以进行的改善空间较大,薄膜技术领域的突破有望使其成为未来高效太阳能电池发展的热点。
这里,我们对三大类高效太阳能电池作简要说明。
(1)晶硅高效太阳能电池
晶硅太阳能电池主要包括单晶硅(mono-Si)电池和多晶硅(poly-Si)电池。其制造流程比较复杂,其产业链包括从硅质原料(石英岩、石英砂岩等)——多晶硅——硅锭(棒)——硅片——光伏电池——光伏系统的产业链。从技术上考虑,晶体硅并非最佳材料,但因其易于获取、冶炼技术与化工、电子相契合;所以,晶硅太阳能电池成为目前光伏电池市场的主流技术。
其中,晶体硅电池的理论光电转换效率达31%,但存在着晶硅冶炼和提纯过程复杂、能耗大的缺点。且多晶硅电池与单晶硅电池的转换效率差距正逐渐缩小,多晶硅具有制造成本较低与单位产出量较大等优势。因此多晶硅(以及类单晶/多晶硅,mono-likepoly-Si)电池市场份额逐渐超过单晶硅电池而成为市场主流产品,未来可能还将继续扮演主流角色。同时,由于电池成本在系统成本比重的逐渐下降,高效率电池组件在终端系统上仍然比较有优势。
总体而言,晶硅高效太阳能电池的技术发展方向是低成本、高效率、高稳定性,主要包括效率的提高、成本的下降及组件寿命的提升等方面。其中,效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进;成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发;组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因此,晶硅高效太阳能电池的研发和产业化,除了依赖产业规模的扩大外,电池效率的提升可能不仅要依靠工艺水平的改进,更有赖于产业技术(包括设备和原材料)的改进,特别是新结构、新工艺的建立。
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