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【年终盘点】2017年太阳能光伏行业十大技术突破

发布日期:12/29/2017 9:57:32 AM

导读: 太阳能光伏行业的科研人员们从未停止过,在2017年,他们用一次又一次的技术突破向人们展示着太阳能发电的未来大好前景。

在当前,人类社会共同面临着污染严重,能源短缺的问题,不断探寻新能源来代替传统能源已经成了人类目前最好的选择。在新能源领域,目前来说最经济的是太阳能光伏,而太阳能光伏虽然现在已经在大面积地使用,但在能源总消费中的占比还是相对较低,比起火电等传统能源,太阳能发电的成本依然高。从长远的发展来看,电池效率的突破是降低太阳能发电成本的关键因素。太阳能光伏行业的科研人员们从未停止过,在2017年,他们用一次又一次的技术突破向人们展示着太阳能发电的未来大好前景。

下面,OFweek太阳能光伏网将为大家盘点2017年度太阳能光伏行业的十大新技术和突破性进展,关注这些技术,看它们如何改变未来?     

                         

NO.1日本公司开发出效率超26%的太阳能电池

今年年中,日本Kaneka公司传出消息,目前该公司的研究人员已经研制出了转换效率达到破纪录的26.3%(比之前纪录提高了0.7%)的单晶体硅异质结太阳能电池。

本次效率突破,研究人员改进了180CM的太阳能NEDO拥有的若干技术。通过创新的异质结太阳能电池能够减少电阻性损耗,使太阳能电池中的正负电荷结合从而产生热量,而不是让它们从设备中跑出来产生电。此外,日本Kaneka公司对太阳能电池的叉指式电极的能量收集效率也进行了改进,该公司还将电极格栅从电池的前端——受光区域——移动到后端,使更多的太阳光能够进入电池。

研究人员表示,这种电池的材料类型、生产过程和可供选择的架构都是多种多样的。日本Kaneka公司通过开发自己的(化学气相淀积)技术、光学管理和电气接触技术来实现26.3%的转化效率。

编辑点评:

一直以来,效率和成本是电站投资商投资电站时考虑的两大因素,兼具效率和成本优势的产品尤其受到投资者青睐。而高效是降低光伏成本的重要砝码。光伏行业属于泛半导体领域,同样适用于摩尔定律。作为光伏发电的主流,晶硅电池近年来的发展似乎陷入瓶颈,因为此类电池的理论极限效率仅为29%0.7%的记录其实是很大一大进步。伴随着周期性的、几乎无止境的技术进步与迭代,光伏发电的成本将持续下降,同时,光伏市场与产业规模会有长达几十年的高速扩张。预计到2020年,光伏发电有望实现平价上网。

NO.2超过24%!天合光能IBC电池效率创新高

今年5月,从天合光能光伏科学与技术国家重点实验室自主研发的大面积6英寸全背电极太阳电池(IBC)效率超过24%,达到24.13%,开路电压超过700mV。这一结果标志着高效电池的研发又达到了新的里程碑。

全背电极电池与传统电池相比,尽管IBC电池正负极栅线均位于电池背面,无需考虑金属区的遮挡损失,也给发射结的设计带来更大的自由度,但随着电池转换效率的不断攀升,载流子注入浓度越来越高,相应地电池内部各个区域的复合损失都发生了显著的变化。这就需要在复合损失和光学损失间寻找最佳的平衡点。

天合光能长期致力于开发可量产的高效晶体硅太阳电池技术。在2016取得IBC电池最高23.5%,平均23%效率的基础上,该实验室重点解决了金属接触区复合的问题并对背面图形进行了细致的优化设计。值得一提的是,这是基于普通PERC电池生产线设备的工艺路线,和之前相比没有增加任何成本。

其不久前基于传统制备工艺的N型双面电池已达到22.6%的转换效率,在业界内处于领先水平。如今,这一高效IBC电池的问世,更是成为低成本单结晶体硅电池中的佼佼者。这也是国内首个自主研发在6英寸全面积上转换效率超过24%的晶体硅太阳电池。

编辑点评:

天合光能IBC电池这一技术的突破,标志着世界领先水平的IBC电池产品离产业化又推进了一步。为实现低成本高效太阳电池产业化的终极目标,天合光能光伏科学与技术国家重点实验室研制的这一大面积IBC电池转换效率超过24%,标志着实验室具备了研制和生产高效IBC电池的能力,将对晶硅高效太阳电池的产业化起到积极的推动作用。

IBC电池在降低光伏系统的LCOE,在太阳能汽车、太阳能飞机等特殊领域都有着广泛的应用前景。随着新能源交通革命的兴起和不断发展,高效太阳电池必将会走进千家万户,成为普通老百姓看得见,摸得着,用得起的产品。

NO.3晶科能源宣布单晶PERC多栅电池效率达到23.45%

晶科能源11月份对外宣布,经中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心认证,其P型单晶PERC多栅电池效率达到23.45%。这一数据再次打破了P型单晶电池效率的世界纪录。

2006年用于对PPERC电池的背面的钝化的AlOx介质膜的钝化作用引起大家重视,使得PERC电池的产业化成为可能。随后随着沉积AlOx产业化制备技术和设备的成熟,加上激光技术的引入,PERC技术开始逐步走向产业化。目前,PERC电池大面积可量产效率持续攀升,在打破记录之前,单晶PERC电池产线效率普遍达到21-21.5%,多晶达到20-20.5%左右。在单晶PERC电池技术上,此前隆基频频刷新世界纪录,在20174月,隆基乐叶创造单晶PERC电池转换效率22.17%的记录;9月,隆基乐叶单晶PERC单面电池转换效率最高水平达到22.43%。而晶科的P型多晶太阳能电池转换效率在10月的时候宣布高达22.04%

编辑点评:

2017年是PERC电池与常规电池的市场份额的转折性的一年。随着PERC电池产能的扩张,常规电池的市场份额将逐步下降。作为全球最大的光伏组件制造商,全球出货量第一的晶科能源在最新科技和生产制造方面一直走在行业的前头,目前工业化生产中太阳能电池的转换效率,与其结构、材料性质、放射性粒子辐射损坏和环境变化等息息相关,可以说,每一次提升,都凝聚着全世界科技进步的结晶,最终期待实现更绿色、更可持续性的发展。在最新的世界纪录之前,大多数单晶硅太阳能电池的转换率仅为12% ~15%,之前最高的世界纪录为22.04%

NO.4汉能CIGS薄膜转化率再次刷新世界记录

201719日,汉能旗下的德国公司Solibro Hi-Tech GmbH研发的玻璃基铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能冠军组件,以16.97%的全面积组件光电转换效率刷新世界记录。

众所周知,薄膜组件面积越大,效率越难提高。此前,经德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究院(Fraunhofer ISE)认证的Solibro铜铟镓硒1cm2电池光电转换效率达到达21%,而本次发布的转化率数据则是在尺寸为1190*790 cm2,全面积为0.94 m2的组件上取得的。这一纪录的突破,显示了汉能德国和瑞典研发中心的研发实力,为技术的进一步突破和转化率的下一步提升奠定了基础。

据了解,汉能的Solibro Hi-Tech GmbH冠军组件在STC 1000W/㎡的光照强度下,发电量为每片(0.94)159.4瓦,其全面积光电转换效率到达了16.97%,有效面积光电转换效率达17.92%。目前已经在Solibro德国比费沃芬市(Bitterfeld-Wolfen)的工厂的SL2量产线上,利用研发设备和部份手工工艺,使用了和量产组件一样的封装技术,进行冠军组件的小批量试生产。

此外,目前汉能Solibro薄膜太阳能组件在国内外市场上均有颇多收获。在国内,汉能Solibro薄膜太阳能组件广泛应用于如安徽首府别墅、四川科技馆、河南王举包装有限公司厂房等户用和工商业屋顶;在国外,德国哈勒ERDGAS体育场屋顶项目、德国阿摩尔兰德地面电站、沙肯特哈尔工商业屋顶项目、法国贝恩布列塔尼户用项目等也有应用。

编辑点评:

晶硅电池之外的薄膜电池一直是人们关注的焦点,薄膜电池中,CIGS太阳能电池近几年的发展技术已经相对成熟,背后发展潜力巨大。CIGS组件目前生产成本已经降低到和硅技术差不多。汉能的薄膜发电技术是全方位的,技术上的不断突破,才得以成为全球领先的薄膜太阳能企业,同时也提高中国在薄膜发电领域的地位。随着汉能薄膜发电技术的持续发展,薄膜太阳能的市场应用前景也将更加广阔。汉能也用这个成绩,证明了CIGS产业也能够实现商用的多晶硅组件一样的效率。以这样的发展速度,在未来的几年,CIGS光伏技术很有可能赶超多晶硅技术,带领薄膜光伏强势崛起。

NO.5三破世界纪录 钙钛矿光伏发电效率的提升之路

152%、160%、174%,从今年2月、5月两破世界纪录后,纤纳光电12月研制的钙钛矿光伏组件,因光电转换效率再提高至174%,第三次打破了由自己保持的钙钛矿世界效率纪录。

【年终盘点】2017年太阳能光伏行业十大技术

据了解,钙钛矿是一种廉价的人工合成材料,在2009年首次被尝试应用于光伏发电领域后,从此大放异彩。相比于晶硅、铜铟镓硒、碲化镉等传统的光伏材料,钙钛矿材料不仅具有同样优异的光电性能,且原料来源丰富,成本低廉,其制造成本有望达到目前晶硅太阳能电池的1315,因而显示出巨大的商业价值。

钙钛矿材料可以有上亿种排列组合,纤纳团队做的就是在上亿种组合中找到转换率最优组合。但最优组合并非一定适合大规模生产。在产品试制过程中,常常会出现材料组合很完美但无法转换成产品。就在这种新材料与制备工艺的循环创新中,仅2017年一年,纤纳光电的技术团队就排除了几千种组合,并优中选优,三破世界纪录。

钙钛矿太阳能电池自2009年首次报道至今,其光电转化效率已从最初的3.8%大幅跃升。钙钛矿材料不仅有优异的光电性能,且原料丰富,成本低廉,其制造成本有望达到目前晶硅太阳能电池的1/31/5,显示出巨大的商业价值,也因此成为光伏界有史以来最大的一匹“黑马”。但此前主要的高效率单体钙钛矿太阳能电池的制备方法都只适用于实验室的小面积测试,少数大面积钙钛矿太阳能电池组件的认证效率不超过12.1%。此次,杭州纤纳光电制备出大面积高质量的钙钛矿薄膜,产品级组件效率至今已突破17.4%的大关,且产品的重复性良好,为后续实现钙钛矿电池产业化应用奠定了基础。

编辑点评:

研发的太阳能电池所使用的这种具有钙钛矿晶型的半导体材料是光伏领域最振奋人心的发现之一,因为这种材料的加工工艺简单而廉价,而利用它制成的太阳能电池的转化效率却非常高。该研发有利于推动科学研究的产业化,其成果将利于进一步提高人们对清洁能源的利用率。当前制约钙钛矿太阳能电池的进入商业市场的一个重要瓶颈是大面积的组件无法复制大学实验室里小型电池的转化效率。组件是由若干个小型电池经复杂工艺连接而成的有商业价值的最小光伏发电单元。这项电池技术的突破使钙钛矿太阳能电池向商业化发展又迈进了一大步。也使纤纳光电成为世界钙钛矿组件商业化研发的全球领跑者。

NO.6晶科能源P型多晶电池转换效率再创世界记录

晶科能源在10月份宣布其研发的实用面积(245.83平方厘米)P型多晶太阳能电池转换效率高达22.04%,创造新的世界纪录。这是晶科能源自去年10月以来第二次打破此项世界纪录。

此次破纪录的太阳能电池采用了高质量工业级硼掺杂多晶硅片,将陷光、钝化技术及抗光衰等先进技术统一集成在PERC技术框架下,电池效率达到了22.04%。该结果已获得德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer ISE)太阳能系统研究所下属的检测实验室验证,刷新了一年前晶科能源创造的21.63%的记录。

TUV莱茵检测实验室验证,晶科能源P60规格单晶组件功率达到356.5WP60规格多晶组件功率达到347.6W,引发光伏业界瞩目。

编辑点评:

晶科能源作为全球最大的光伏组件制造商,多项电池组件技术创下世界纪录。这也意味着整个制造链由低成本的工业生产过程,将会慢慢地转移到批量生产中。晶科能源一直在刷新着自己保持的世界记录。在电池的效率转换方面,光伏企业不能停止的事就是,不断突破技术,不断超越自身,为未来的能源利用打开一扇新的大门。

NO.7斯坦福23.6%超高效率钙钛矿/晶硅四端口叠层电池破纪录

今年七月,斯坦福大学研发的23.6%的钙钛矿-硅基双极太阳能电池(Bush, etc., Nature Energy, 17009, 2017)登上最新Progress in Photovoltaics太阳能电池效率榜榜单。

斯坦福研究组采用了Cs0.17-FA0.83-Pb(Br0.17-I0.83 )3,简称CsFA的钙钛矿电池,搭配特制的HIT电池。23.6%的转换效率是目前钙钛矿-晶体硅层叠电池的世界纪录。纵向层叠达到了1.65 V的开路电压,18.1 mA/cm2的短路电流也归因于极佳的双层电流搭配,79%的填充因子是解决了一系列金属接触问题后的成果。稳定性部分,这颗电池也通过了IEC61215测试。归因于SnO2/ZTO缓冲层的作用,85C-85%湿热测试1000小时未发现衰减。

CsFA钙钛矿顶电池基于斯坦福的标准单结电池开发而来,具有14.5%左右的转换效率;HIT电池基于21.4%的电池,为了适应层叠电池的需要进行了改造,光照面(和钙钛矿电池接触面)没有制绒,背面采用了制绒工艺并配合了局域金属接触实现最大吸光,具有10%左右的转换效率。注意到钙钛矿电池和HIT电池为了配合层叠结构本身都做出了效率牺牲,但最后实现了23.6%的超高效率。

编辑点评:

斯坦福研究组23.6%的超高效率钙钛矿/晶硅四端口叠层电池打破世界纪录。给光伏行业的未来发展又带来了新的方式。钙钛矿子电池的短路电流比晶硅子电池高出了0.4 mA/cm2,意味着有一定的空间可以调高钙钛矿的带宽。正表面反射,背表面寄生吸收,未来应该还有巨大的改进空间。HIT可做的工作不太多,但是钙钛矿子电池还有提效的余地。整体看来奔着30%的效率去还是有很大的可能性。

NO.8多晶硅光伏电池效率刷记录达21.9

今年2月份,德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)的多晶光伏电池效率刷新记录达21.9%。弗劳恩霍夫研究人员部署N型高性能多晶技术生产创记录的光伏电池,在转换效率方面继续向前迈进。

Fraunhofer ISE的研究人员称,多晶材料的改进可提升能量产出,从而多晶电池效率才创下21.9%的效率记录。此种刷新记录的电池部署了FraunhoferTOPCon电池技术。部署钝化背面接触技术,应用于电池后表面且没有图案,可简化制造工艺,提高能量产出。

之前,Fraunhofer ISE已经在单晶光伏晶片上部署了TOPCon技术,该研究所在2016年双面接触单晶电池实现了25.3%的电池效率。20167月,中国制造商天合光能宣布,其多晶PERC技术实现了20.16%的转换效率。天合光能声称其结果是在工业规模的生产设备上实现的。

编辑点评:

多晶光伏电池效率刷新记录达21.9,这一令人振奋的结果表明,向更高效率的发展道路仍是光明的。相对于n型多晶硅电池,p型多晶硅电池目前的工艺更加成熟,成本更低,持续的效率提升对行业将起到积极的影响。目前的光伏企业在继续整合创新技术开发的同时,也在不断提高效率并降低光伏产品的成本。多晶光伏电池效率纪录的打破将加强光伏行业在新能源领域的领导地位,使我们距离光伏平价上网又近了一步。

NO.9五结结构光伏电池效率达到44.5%

美国乔治华盛顿大学、海军研究实验室的科学家、Sotera防御解决方案公司、Semprius公司和伊利诺伊大学香槟分校联合设计和构建了具有五个半导体结的新太阳能电池原型——三个砷化镓(GaAs)结,两个锑化镓(GaSb)结。

这两种重叠类型的光伏电池捕获太阳光谱的不同部分,可以44.5%的转换效率将阳光变为电能,从而有可能成为世界上最有效的太阳能电池。相比之下,普遍的硅太阳能电池只将四分之一的可用能量转换成电能。

新电池是一种聚光型光伏(CPV)电池,使用光学器件将阳光聚焦到微太阳能电池上,浓度为744个太阳。由于其尺寸小(小于1毫米),可以利用更复杂材料开发经济高效地的太阳能电池。据了解,直接暴露在地球表面的太阳光中大约99%的能量在250nm2500nm的波长之间,但是高效率多结太阳能电池的常规材料无法捕获整个光谱范围。新的器件能够利用长波长光子中的能量,从而为实现最终的多结太阳能电池提供了途径。”

该方法一是用基于GaSb衬底的材料系列,通常用于红外激光器和光电探测器。基于GaSb的新型太阳能电池与捕获较短波长太阳光子的常规衬底高效太阳能电池组合成堆叠结构。此外,堆叠过程使用转印印刷,能够以高精度三维组装装置。

编辑点评:

科研人员不断地对太阳能电池进行研究,不断地提高其转换效率。不断探寻未来在太阳能光伏领域的无限可能,也为人们未来的生活带来无尽想象。尽管目前这种五结结构光伏电池涉及的材料成本很高,但用于制造电池的技术仍然很有希望。最终,通过使用非常高的太阳能浓度水平和技术来回收昂贵的生长基材,可以降低成本,使同类产品投入市场。这项研究取得了MOSAIC计划的进步。为革新光伏性能,降低成本。对未来开发可行的商业技术带来重要意义。

NO.10腾晖光伏成功研制第一片新型石墨烯晶硅电池

8月,苏州腾晖光伏技术有限公司通过与高校合作,研制成功了石墨烯晶硅电池,其中石墨烯主要通过化学气相方法沉积并成功应用于大面积晶硅电池。石墨烯优异的光电性能使其能够在不影响晶硅电池光吸收的基础上,降低载流子传输电阻,从而实现电池串联电阻的降低和电池效率的提升。

2004年,英国曼彻斯特大学的AndreGeim教授和KonstantinNovoselov通过机械剥离的方法首次发现了单层石墨烯,这个发现颠覆了二维晶体材料不能稳定存在于自然环境的传统观念电池。由此,石墨烯各方面的研究日益受到科学界的重视。由于石墨烯具备高透光、高导电等优异的光电性能以及良好的机械柔韧性,石墨烯在光电器件应用具有广阔前景。

编辑点评:

石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料,具备高透光、高导电等优异的光电性能,以及良好的机械柔韧性,在光电器件中的应用未来前景广阔。但由于材料难得,价格高,距离产业化发展目前还有一定的距离。

不够石墨烯晶硅太阳电池的开发成功是腾晖光伏投入大量人力、物力进行新产品新技术开发,不断将新材料、新技术运用到常规光伏产业化生产中的结果。石墨烯晶硅太阳电池是众多研发项目中的一个,也是晶硅未来发展环节中的一项重要储备。这不仅为科研人员未来的研究工作带来更多想象,也让我国的晶体硅太阳能电池离产业化发展又迈进了新的一步。

(文/王丽鸿)

(据OFweek太阳能光伏网)

 

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