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光伏电池技术概览
兔子君导读
兔子君在之前分享的《详解分布式光伏系统成本构成—谁偷走了你的收益?》中介绍过光伏组件约占电站总投资额50%左右。光伏组件中价值最高的是太阳能电池片，近年来电池片转换效率的提升和制造成本的下降，使得世界光伏组件价格在2010-2015年期间累计下降了75%-80%。兔子君今天与大家一起来看一下目前市场上有哪些主要的电池技术。
光伏系统成本构成总览
美国可再生能源实验室（NREL）每年都会发布实验室内最佳太阳能电池效率技术的统计，如下图。当中分为多结太阳能电池技术、晶硅太阳能电池技术、薄膜太阳能电池技术以及新兴太阳能技术。这些技术中，占据目前市场主导地位（94%以上）的是晶硅太阳能电池技术。由于美国第一太阳能公司（First solar）的缘故，CdTe技术为薄膜太阳能电池占据了一定市场份额。此外，新兴技术中的钙钛矿电池技术这几年发展尤为迅猛，被产业寄予厚望。当然，目前市场上产业化的电池片效率离实验室内的效率还有一定的距离。
太阳能电池的基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。对其而言，最重要的参数是光电转换效率。目前所研发的N型单晶电池的产业化水平大概在22%-24%左右，常规P型的单晶电池产业化水平在19.5%左右,P型多晶电池的产业化水平则在18.3%左右。而高效PERC单晶电池在20.4%左右，PERC多晶电池在18.8%左右。
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PERC电池技术
PERC技术通过在电池的后侧上（如下面图像中的黄色层所示）添加一个电介质钝化层来提高转换效率。标准电池结构中更高的效率水平受限于光生电子重组的趋势。PERC电池最大化跨越了P-N结的电势梯度，这使得电子更稳定的流动，减少电子重组，以及更高的效率水平。
PERC是2016年我国光伏产业内最热门的光伏技术，各大厂家纷纷上马PERC技术。乐叶、天合、晶澳、晶科、英利等大型电池生产商都在2016年发出了PERC电池商业化制造声明。由于中国企业的介入，PERC电池成本快速下降。曾经认为PERC电池技术的主要挑战将是降低生产成本。曾经预期P型单模块PERC电池的价格是标准的P型多模块电池平均的1.5倍。但是从2016年市场上看，PERC电池与标准电池溢价在15%-30%之间，远低于市场的预期。此外，PERC电池目前提供更水平的效率增益，PERC电池效率比标准的多模块电池高15%，比标准的单模块电池高7%。这表明，随着成本结构和效率逐一步改进，PERC技术可能改变目前晶硅电池片的生产格局。
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HIT电池技术
HIT电池是异质结太阳能电池的简称。1997年，日本三洋公司推出了一种商业化的高效电池设计和制造方法，电池制作过程大致如下：利用PECVD在表面织构化后的N型CZ-Si片的正面沉积很薄的本征α-Si:H层和p型α-Si:H层，然后在硅片的背面沉积薄的本征α-Si:H层和n型α-Si:H层；利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜（TCO），用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。值得注意的是所有的制作过程都是在低于200℃的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。
HIT电池具有高效的原理是
（1）全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；
（2）双面制结，可以充分利用背面光线；
（3）表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；
（4）采用的n型硅片其载流子寿命很大，远大于p型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集；
（5）织构化的硅片对太阳光的反射降低；
（6）利用PECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因。
这种电池具有结特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐，商业化生产速度发展很快。但是由于成本较晶硅电池高，且前期专利被日本三洋所掌握，预测市场占有率一直不高。目前随着HIT电池专利过期，国内企业也开始系统研究HIT的产业化方式，预期未来市场会有HIT的份额。
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IBC电池技术
IBC(Interdigitated back contact)电池出现于20世纪70年代，是最早研究的背结电池，最初主要应用于聚光系统中。电池选用n型衬底材料，前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合。利用光刻技术，在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成有指状交叉排列的P区、N区，以及位于其上方的P+区、n+区。重扩形成的P+和N+区可有效消除高聚光条件下的电压饱和效应。此外，P+和N+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2，大大降低了串联电阻。IBC电池的核心问题是如何在电池背面制备出质量较好、呈叉指状间隔排列的P区和N区。为避免光刻工艺所带来的复杂操作，可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层，掩蔽层上的硼经扩散后进入N型衬底形成P+区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成N+区。通过丝网印刷技术来确定背面扩散区域成为目前研究的热点。
IBC电池的世界效率为25%，由美国sunpower公司保持。国内企业中，天合光能走在前列，其与澳大利亚国立大学联合开发的IBC电池实验室电池效率达到了24.4%；独立研发的156mm×156mm（6英寸）大面积IBC电池转换效率最高达22.94%，平均转换效率达到22.7%。目前，天合光能正在建设IBC电池中试示范线，其电池转换效率平均在21.5%以上。目前由于IBC电池工艺问题，电池价格居高不下,目前主要在一些对转换效率及电站质量有较高要求的市场中占据一定的市场份额。未来仍需进一步开发低成本制造技术。
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CdTe（碲化镉）电池技术
碲化镉薄膜太阳能电池在生产成本大大低于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，其次它和太阳的光谱最一致，可吸收95%以上的阳光。标准工艺，低能耗，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。拥有这么多优势的碲化镉薄膜太阳能电池在全球市场占有率上已经开始向传统晶体硅太阳能电池发起了挑战，碲化镉薄膜太阳能电池的领军企业美国First Solar公司一度成为全球市值最高的太阳能电池企业。目前碲化镉电池的实验室效率依旧被First Solar所保持，特别是2010年后，碲化镉电池实验室效率从16%快速突破到高达22.1%，其产业化组件效率也达到17%，几乎能与当前的晶硅组件相媲美。
然而，碲化镉太阳能电池自身也仍是有一些缺点。碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。此外，镉也是重金属污染物，使很多人担心碲化镉太阳能电池的生产和使用对环境的影响。虽然First Solar公司的碲化镉太阳能电池组件在销售时就与用户签订了由工厂支付回收费用的回收合同，但是高昂的回收成本使得该技术在我国市场份额一直不高。不过，根据麻省理工学院2015年出版的《The future of solar Energy》一书中评述，认为碲化镉电池是未来太阳能电池的可靠的技术路线之一。
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CIGS（铜铟镓硒）电池技术
CIGS薄膜太阳能电池，是指使用化学物质Cu（铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）通过共蒸发工艺在衬底上形成吸收层的太阳能电池技术，是目前商业化的薄膜太阳能电池技术之一。目前实验室效率记录被solar frontier在2016年刷新到22.3%，国内目前实验室效率在18%－19%之间。产业中CIGS薄膜电池的效率主要在13%－15％ 。此外，由于CIGS电池可以在柔性衬底上生长，因此可以生产质量轻且柔软的电池组件，可以应用在荷载不足的屋顶及穿戴设备上。
然而，即使CIGS电池具有轻柔级潜在的高效率和低材料成本的优势，但他也面临三个主要的问题：（1）制程复杂，投资成本高（2）关键原料的供应不足（3）缓冲层CdS具有潜在的毒性。这些问题导致CIGS薄膜组件价格相对晶硅组建而言过于昂贵，市场范围较小。
在国内，产业对这个技术的关注由来已久，其中早期进入CIGS电池生产的知名企业就是汉能，现在也不乏后继者，2017年1月，神华集团、上海电气和重庆两江新区战略性新兴产业股权投资基金共同出资建设CIGS太阳能电池组件项目，预计总投资25.5亿元人民币，将在两江新区建设两条CIGS薄膜太阳能生产线，预计产能306MWP。然而，在晶硅组件的价格持续大幅下降的环境中，CIGS想要在市场中分一杯羹，恐怕除了继续提高效率、降低成本，还需要找准差异化的市场进行深耕。
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薄膜GaAs（砷化镓）电池技术
GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的光伏发电性能，光电转换效率比硅太阳能电池高。但是由于砷化镓晶圆极其昂贵，最早砷化镓电池仅用于特殊场合，如宇宙飞船、空间站的供电系统。经过科学家的努力，目前美国公司Alta Devices成功在实验室制备里效率高达29.1%（单结）和31.6%（双结）的砷化镓薄膜电池。其产业化效率也高达24%（单结）。此外，如同其他的薄膜电池，轻量化且高效的转换效率，让砷化镓薄膜电池在许多特殊场合发挥着重要作用。
然而，即便成功薄膜化砷化镓电池，其成本依然十分昂贵，在美国售价高达数十美元/瓦，目前仅用在无人机续航及其他特殊场合。由于该项专利技术及设备制造专利均掌握在Alta Devices手中，汉能收购该公司后，因股票被暂停交易导致母公司自身难保，导致Alta Devices无法利用汉能的资本和产业优势快速扩张，寻求产业化的降本路线。如今砷化镓薄膜电池年产量不足100MW，远不能满足市场需求。虽然公司采用差异化发展路线，紧盯高端市场，利润可观，然而却未能在趁着光伏发展的风口快速做大，不得不说令人扼腕。当然，如今一个公司的困境不能代表电池技术的未来，目前看来，薄膜砷化镓电池在高端市场必定占有重要的市场定位。
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钙钛矿电池技术
钙钛矿太阳能电池的名称来源于其光电转换材料的晶体结构——一种具有具有钙钛矿晶体结构的有机/无机复合材料（如CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3等,其结构示意图见图）作为吸光层的太阳能电池。2009年，日本的科学家Miyasaka采用有机无机杂化钙钛矿（CH3NH3PbI3）量子点作为敏化剂来吸光，制备了基于碘系的液态电解液染料敏化太阳能电池，当时的光电转换效率只有3%左右。2012年，英国固态染料敏化太阳能电池专家Snaith和Miyasaka合作，将有机无机杂化钙钛矿材料用于固态染料敏化太阳能电池，最终发现钙钛矿自身可以传递电子，从而开发出基于支架（scaffold）介孔电池结构的钙钛矿太阳能电池，取得了大于10%的光电转换效率。其后在短短几年，效率不断更新，并开发出了基于p-i-n结构的高效平板电池。在2014年，钙钛矿太阳能电池取得了20.1%的效率，已经和多晶硅太阳能电池的光电效率相当。而到了2016年初，韩国科学家已经将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率提升到了22%以上，且理论转换极限达50%
钛矿太阳能电池不仅转换效率有明显优势，制作工艺也相对简单。实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺，以及液相/气相混合沉积工艺制作。因此，更便宜、更容易制造的钙钛矿太阳能电池，很有可能改变整个太阳能电池的格局。今后，它的发电成本有可能会比火力发电更低。
结语
结语：邓爷爷曾经说过：黑猫白猫，抓到老鼠就是好猫。虽然目前实验室内光伏技术百花齐放，但是产业界，特别是中国的光伏电池产业，技术趋同现象严重。未来实验室的光伏电池技术可以巩固或者击败晶硅电池的统治地位，再塑光伏产业，让我们拭目以待。
由于篇幅原因，兔子君只介绍了部分较为热门及常见的技术，如果大家对其他技术有兴趣，欢迎留言，兔子君也会视情况再与大家讨论这些技术o(^_^)o
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