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··4工程21(2023)28意见和评论光伏发电技术Zhenguo Lia,ba隆基绿能科技有限公司,有限公司、中国Xib隆基中央研究院,中国西安7120001. 介绍太阳能光伏(PV)技术是实现全球低碳能源系统和最终实现碳中性不可或缺的技术。受益于光伏行业的技术发展,光伏能源的平准化电力成本(LCOE)在过去十年中降低了85%[1]。今天,光伏能源是世界范围内最具成本效益的电源之一。例如,2021年4月,沙特阿拉伯的光伏电价仅为0.0104美元(千瓦时)-1[2]。在未来几年,创新技术的发展将有助于进一步提高光伏发电转换效率(PCE),降低光伏能源成本,并扩大光伏产业。随着光伏在能源系统中的比重不断增加,光伏能源的区域不稳定性和随机性带来的挑战将显现出来,并为新技术提供机会,包括光伏与其他形式的能源和/或各种储能技术的集成。我们相信,从长远来看,绿色氢能积极参与的扩展光伏系统是我们社会深度脱碳和可持续发展的关键。2. 光伏技术高PCE和低LCOE是保证光伏能源竞争力的重要因素,这在很大程度上取决于光伏技术的发展自20世纪60年代以来,晶圆基晶体硅(c-Si)太阳能电池一直是占主导地位的光伏技术,并且仍在取得长足的进步,在过去的十年中,学术界和工业界都取得了多项技术突破(图1[3例如,在研究中,与钝化发射极和背面电池(PERC)(市场上最重要的c-Si电池)相比,Fraun-hofer ISE在2013年[7,8]发起的电荷载流子选择性接触-即隧穿氧化物钝化接触(TOPCon,也称为氧化物上多晶硅(POLO))-显示出增强的表面钝化和载流子提取。基于TOPCon,同质结c-Si电池的PCE对于前后接触(FBC)电池可以达到26%[3](图1中的▲[3-哈姆林太阳能研究)[9](见图1[3此外,异质结技术(HJT)使用n型/p型非晶硅(a-Si)作为选择性接触和本征(未掺杂)a-Si作为钝化层,允许从c-Si基底提取高电荷。通过将HJT与IBC 相结合,KanekaCorporation(日本)在2017年建造的HJ IBC电池表现出26.7%的PCE[10],即使在今天也是单结c-Si电池的最高PCE(图1中的h[3同样值得注意的是,2022年,隆基公司实现了HJ FBC电池的PCE记录为26.5%[11,12](图1中的■和w[3在行业内,隆基公司于2014年推出的用于单晶硅生产的充电直拉法(RCz)和用于c-Si晶片切片的金刚石线切割工艺,大大扩大了c-Si太阳能电池制造成本降低的范围,并且在将当前PV LCOE推向化石燃料水平方面不可或缺(图1中的红线和灰带[3同时,从铝背表面场(Al-BSF)到PERC电池的结构演变将商用c-Si电池PCE从20%提高到24%(图1中的w[3这些技术改进使c-Si太阳能电池成为市场上最高效、最经济的光伏技术。反过来,c-Si光伏能源的成本效益正在刺激光伏行业的新技术创新。在未来十年,c-Si电池仍将是主流技术,随着光伏产业的快速发展,商业化单晶硅电池的PCE在第一阶段(五年),上述先进的钝化接触技术(即,TOPCon和HJT)将在将大规模c-Si电池PCE驱动到24%以上方面是重要的。事实上,光伏公司已经报道了HJT和TOPCon的电池效率分别为26.5%和25.7%,所有这些都是基于大规模c-Si晶圆的(图1[3-6]中的w这些先进细胞的大规模生产指日可待。实现高于当前c-Si电池记录(26.7%)的PCE[4]主要由俄歇复合引起的体损耗、光学损耗和前侧电阻损耗仍然占c-Si电池中PCE损耗的很大比例,应基于对电池的更深刻理解https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.07.0082095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engZ.李工程21(2023)2829~≤图1.一、太阳能光伏技术在过去十年的发展和未来的趋势。2010年至2022年不同类型c-Si太阳能电池的效率演变:具有前后接触(FBC,▲)和叉指背接触(IBC,4)的同质结c-Si电池;具有FBC(HJ FBC,■)和IBC(HJ IBC,h)的异质结(HJ)c-Si电池[3,4]。2016年至2021年的电池效率记录(w)以及作为光伏企业代表的隆基公司未来十年的预期最佳电池效率(q)太阳能光伏发电的全球加权平均LCOE(d),与化石燃料发电成本(灰色带)相比[5]。2010 - 2020年全球光伏能源累计装机容量(绿柱)和2022 - 2030年预测光伏能源累计装机容量(阴影绿柱)[6]。ASU:亚利桑那州立大学; RCz:充电直拉;TOPCon:隧道氧化物钝化接触; POLO:氧化物上多晶硅; ISFG:哈姆林太阳能研究所;EPFL:洛桑联邦理工学院; FhG ISE:弗劳恩霍夫太阳能研究所; PSK:钙钛矿; HZB:柏林亥姆霍兹中心; CSEM:瑞士电子和微技术中心; PERC:钝化发射极和背电池; HJT:异质结技术; Al-BSF:铝背表面场。性能关系。目前,已经建立了关于与电池性能相关的光激发和电荷转移过程的几个初步理论[15,16]。也已经认识到一些未来的方向,包括具有较低掺杂浓度的更薄的Si晶片(这可以减少俄歇复合的影响)和具有局部结构化或宽带隙化合物的足够导电的接触层(这可以减少光学和传输电阻损耗)[17]。然而,实现这些概念并取得预期成果仍然具有挑战性。这需要详细的电池效率在改进的理论和先进的Si材料的指导下,可以构建新型的c-Si电池,其可以是TOPCon、HJT、IBC和无掺杂剂的非对称Si异质接触(DASH)电池的智能混合,并实现超过27%的电池PCE[18,19]。如果可以适当优化c-Si电池的光学特性,则PCE也可以高于28%[20]。接下来,为了获得超过单个p-n结的Shockley-Queisser(S-Q)极限(33%)的PCE在各种硅基堆叠技术中,钙钛矿(PSK)/c-Si串联是最有前途的,考虑到其完美的带隙匹配,高工艺兼容性和高理论PCE(44%)[23]。基于相当多的研究关注,PSK/ c-Si叠层太阳能电池的PCE记录,首次报道时为23.6%,已提高到31.25%[24](图1[3然而,大面积电池中的低耐久性和大量PCE损失仍然存在这是PSK顶层小区商业化的主要障碍。PSK顶电池的寿命很短,由于在工作条件下快速退化,总共只有在小面积(1 cm2)PSK电池[25]中实现的高PCE(> 25%)随着电池变大而急剧下降,因为使用当前PSK薄膜制造技术难以获得均匀的大薄膜为了将PSK电池的寿命提高到接近其硅对应物的水平,必须了解基本的PSK降解机制并开发可以阻断降解途径的策略,例如,应用全无机PSK[26],引入有效的缺陷钝化剂(如离子液体)[27]和增强电池封装[28]。大面积PSK中PCE损失的减少需要在PSK结晶过程中进行精细的变化控制,这需要通过对PSK结晶动力学的深入理解来指导[29]。例如,当使用最经济和有效的溶剂方法进行PSK膜制造时[30],溶剂系统的详细设计对于实现高质量膜的大工艺窗口是重要的,其确保跨大面积PSK器件的均匀PCE分布[31]。此外,提高透明导电层的均匀性和涂覆工艺的精度对于减轻大面积PSK单元的PCE损失也是至关重要乐观地说,在相关领域的共同努力下,PCE高于32%的相对稳定的PSK/c-Si叠层电池有望在2030年前出现。3. 扩展光伏系统光伏能源在整个能源系统中的比重稳步提升。世界能源转型组织(World Energy Transitions)Z.李工程21(2023)2830图二. 未来的综合能源系统,实现绿色能源世界。根据国际可再生能源机构[6]的预测,到2030年,光伏能源将占能源系统的10%以上,累计装机容量超过5000 GW(图1中绿色柱[3到2050年,光伏能源将占总电力供应的35%以上,累计装机容量将达到14000 GW[6]。然而,光伏在电网中的比例不断增加,受到其区域不稳定性的挑战。为了克服这一点,采用PV和其他可再生能源的多能源互补系统(例如,水电和风力发电)正在开发中[32]。此外,包括PV和各种能量存储单元的扩展PV系统,包括物理(水电),电化学(电池)和化学(氢)解决方案正在出现(图11)。 2)的情况。光伏-电化学(PV-EC)系统是利用光伏发电电解水并产生绿色氢气的一种有效的太阳能储存策略,也是在能源结构转换过程中实现光伏能源集约化利用的一种有前景的方式。这是因为光伏技术产生的绿色氢气可以作为未来可持续发展世界的许多方面的重要能源和基本化学资源,包括交通,化学工业和日常生活。PV-EC方法是将太阳能转化为氢气的最有效方法,在实验室规模下,太阳能转化为氢气的效率超过30%[33]。随着光伏能源的持续LCOE减排,PV-EC路线有望成为最具成本效益的绿色制氢方法。反过来,未来对绿色氢气的巨大需求将为光伏行业的发展提供巨大机遇,进一步降低LCOE。根据国际能源署的数据,到2030年和2050年,绿色氢电解的规模可能分别迅速增加到850和3600吉瓦[34]。最终,随着扩展光伏系统的发展,与光伏能源内在属性相关的问题将被消除,使全球能源行业从资源驱动转向制造驱动。4. 结论随着单晶硅电池光伏技术的快速发展,光伏能源正成为最具性价比的可再生能源光伏发电在全球能源体系中的比重快速增长。未来的光伏市场仍将由单晶硅电池主导,而深入了解导致功率转换效率损失的确切因素以及开发控制这些因素的有效方法,则有望实现超过28%的PCE如果PSK薄膜的稳定性和大尺度均匀性在未来几年内得到实质性改善,PSK/c-Si叠层电池将有望成为未来的高效率(> 32%)太阳能电池与此同时,随着太阳能的区域间歇性特点得到解决,扩大光伏系统,特别是绿色制氢的光伏-电战略,可以进一步提高光伏在能源系统中的可持续比例,为实现《巴黎协定》目标铺平道路引用[1] Fischer M,Woodhous M,Herritsch S,Tube J.国际光伏技术路线图。第11版柏林:VDMA; 2021年。[2] 贝里尼湖沙特阿拉伯$0.0104/kWh [互联网]。Andrea Jeremiah:PV Magazine; 2021年4月8日[引用于 2022 年 3 月 17 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 : https://www.pv-magazine.com/2021/04/08/沙特阿拉伯-第二pv-招标抽签-世界纪录-低出价-0104-kwh/。[3] RichterA,Müller R,Benick J,Feldmann F,Steinhauser B,Reichel C,等. 具有平衡载流子输运和复合损耗的高效率双面接触硅太阳能电池设计规则。Nat Energy2021;6(4):429-38.[4] 国家可再生能源实验室(NREL)。最佳研究电池效率图表。Washington,DC:NREL; 2022.[5] 达比湾可再生功率一代成本在2020.马斯达尔市:国际可再生能源机构(IRENA); 2021年。[6] 达比湾 世界能源转型展望:1.5摄氏度通路马斯达尔市:国际可再生能源机构(IRENA); 2021年。[7] 克服基本瓶颈,创造新的世界纪录硅太阳能电池[互联网]。Hyde hofste:FraunhoferInstitute for Solar Energy systems ISE; 2016 Sep [cited 2022 Jun 10].可从以下网址获得:https://www.ise fraunhofer.de/en/research-projects/topcon.html网站。[8] Feldmann F,Bivour M,Reichel C,Steinkemper H,Hermle M,Glunz SW.隧道氧化物钝化接触作为替代部分背面接触。太阳能材料太阳能电池2014;131:46-50。[9] HollemannC,Haase F,Rienäcker M,Barnscheidt V,Krügener J,FolchertN,等. 分离效率为26.1%的IBC太阳能电池的POLO触点的两极。Sci Rep2020;10(1):658.[10] 杨文,李文.高效率异质结晶体硅太阳能电池。 Jpn J Appl Phys 2018;57(8S3):08RB20.[11] 王军,杨明,等.低沉积速率本征非晶硅缓冲层的25.11%效率硅异质结太阳能电池.北京:中国科学院光电技术研究所.溶胶能量材料溶胶细胞2020;215:110643。Z.李工程21(2023)2831[12] 贝里尼湖隆基的异质结太阳能电池命中26.5% [互联网]。Andrea Jeremiah:PVMagazine; 2022年6月24日[引用于2022年7月20日]。可查阅:https://www.pv-magazine.com/2022/06/24/longis-heterojunction-solar-cell-hits-26-5/。[13] 贝里尼湖晶科能源n型TOPCon电池效率达25.7%[互联网] Andrea Jeremiah:PVMagazine; 2022 年4月 27 日[引用 于2022 年 3月17 日 ]。 可从 以下网 址获 得:https://www.pv-magazine.com/2022/04/27/jinkosolar-achieves-25-7-efficiency-for-n-type-topcon-solar-cell/。[14] 贝里尼湖Longi实现25.47%的效率为镓掺杂p型异质结太阳能电池[互联网].Andrea Jeremiah:PV Magazine; 2022年3月30日[引用于2022年3月17日]。可从以下网站获得:https://www.pv-magazine.com/2022/03/30/longi-achieves-25-47-efficiency-for-gallium-doped-p-type-heterojunction-solar-cell/。[15] Rau U,Kirchartz T.太阳能电池中的载流子收集和接触选择性。Adv MaterInterfaces2019;6(20):1900252.[16] 吴伟,王伟,王伟,等.太阳能电池中的电荷载流子分离.北京:科学出版社,2000;IEEE JPhotovolt 2015;5(1):461-9.[17] Allen TG,Bullock J,Yang X,Javey A,De Wolf S. 晶体硅太阳能电池的钝化接触。 Nat Energy 2019;4(11):914-28.[18] 龙伟,尹世,彭芳,杨明,方丽,茹晓,等。硅异质结太阳能电池的极限效率。溶胶能量材料溶胶细胞2021;231:111291。[19] CheeKWA,Ghosh BK,Saad I,Hong Y,Xia QH,Gao P,et al. 高效晶体硅太阳能电池载流子选择性接触的最新进展:工业发展途径。纳米能源2022;95:106899.[20] Krügener J,Rienäcker M,Schäfer S,Sanchez M,Wolter S,Brendel R,等.用 于 高 效 硅 单 结 太 阳 能 电 池 的 光 子 晶 体 。 溶 胶 能 量 材 料 溶 胶 细 胞 2021;233 :111337。[21] Shockley W,Queisser HJ. p-n结太阳能电池效率的详细平衡极限。J Appl Phys1961;32(3):510-9.[22] GeiszJF,France RM,Schulte KL,Steiner MA,Norman AG,Guthrey HL,etal. 六结III-V族太阳能电池,在143个太阳的聚光下具有47.1%的转换效率。NatEnergy2020;5(4):326-35.[23] [10]杨文辉,张文辉. 达到肖克利-奎瑟极限的光化学物质。ACS Energy Lett2020;5(9):3029-33.[24] 贝 里 尼 湖 CSEM , EPFL 实 现 31.25% 的 叠 层 钙 钛 矿 - 硅 太 阳 能 电 池 效 率 [ 互 联网].Andrea Jeremiah:PV Magazine; 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