全球光伏厂商试比高 太阳能电池转换效率大PK

　　电子发烧友网按：全球发展由于能源问题越来越急迫需要找寻突破点，太阳能是目前为止较为看好能解燃眉之急的清洁能源之一。全球国家或厂商自然不会放过如此难得的商机，而厂商凭借什么来取得压倒性竞争力呢？除了成本外，太阳能电池转换效率成了厂商不断攀比的另一高地。为了让电子发烧友网读者对当前各厂商的太阳能电池转换效率最新动态进展更进一步地了解，电子发烧友网整合推出此文，详细请看本文以下精彩内容。

　　1、夏普将聚光时化合物多接合型太阳能电池的转换效率提高至全球最高的43.5％

　　夏普对化合物三接合型太阳能电池单元上作306倍聚光，实现了43.5％的转换效率。

　　该转换效率与2011年3月美国Solar Junction实现的数值相同，在聚光时的化合物多接合型太阳能电池单元转换效率中为全球最高水平。夏普意在利用此次的成果，开发地面设置型聚光系统。

　　转换效率实现43.5％的单元，采用了在InGaP顶层单元上组合GaAs中层单元和InGaAs底层单元的构造。这一构造与2011年11月未聚光时转换效率达到36.9％的单元相同。此次还做了通过受光面电极间隔的优化从而降低了电阻的改进。因此，即使聚光会使电流量增加，能源损失也会减少。

　　另外，测量转换效率的单元面积约为0.167cm2。测量是由公共测量机构之一德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy）进行的。

　　2、东京大学风险企业将与美公司共同开发使用太阳光和热的发电模块

　　东京大学创办的风险企业智能太阳能国际公司（Smart Solar International）与美国Sopogy公司在开发及销售领域展开了合作。

　　

目标是开发出同时利用光和热的系统

 

　　输出功率将达到已有结晶硅型太阳能电池模块的约3倍

　　智能太阳能国际公司在销售用反光镜向太阳能电池单元聚光的太阳能电池系统。而Sopogy公司则在经营用反光镜聚热的太阳热系统。此次合作的目标是开发出同时利用光和热的系统。

　　两公司的目标是“克服可再生能源的最大课题——不稳定性”（智能太阳能国际公司）。旨在实现白天利用太阳能电池发电供应能量，夜间可利用储存的太阳热供应能量的系统。两公司由于产品的构成相似，可通用部件较多，据称因此有望缩短开发时间。

　　智能太阳能国际公司向化合物三结型太阳能电池单元提供的聚光模块已有23％的转换效率。该公司推算，在此基础上再加上通过太阳热获得的能量，能量转换效率可提高至45％左右。

　　3、Solar3D试制出立体构造Si太阳能电池单元，转换效率高达25％

　　美国太阳能电池单元设计开发企业Solar3D宣布试制出了采用立体构造的硅（Si）太阳能电池单元，而且转换效率达到了25％以上。

　　据Solar3D介绍，采用平面构造的现有太阳能电池单元，会因电池表面的反射产生光能损失，还会随着电池内部的光电转换发生损耗。尤其是反射造成的损失，最多时高达太阳光的30％。而采用立体构造的太阳能电池单元可以减少这种损失。Solar3D总裁兼首席执行官Jim Nelson表示，“本公司开发的新构造太阳能电池单元有望将每瓦的单价降至业界最低”。

　　Solar3D目前正在评估几种制造方法，预定在完成试制品后，寻找生产方面的合作伙伴。有力候选合作企业包括“数家全球最大规模的半导体厂商”。

　　4、IMEC等开发出单元转换效率为23.3％的硅类太阳能电池，通过梳形背面电极等实现

　　比利时IMEC宣布，该公司与多家知名太阳能电池厂商合作开发出了单元转换效率高达23.3％的结晶硅太阳能电池。合作厂商包括德国Shott Solar、法国Total、法国GDF-SUEZ、比利时Photovoltech、荷兰Solland Solar、KANEKA以及美国Dow Corning七家公司。IMEC将借此猛追凭借高转换效率领先业界的美国SunPower和三洋电机。

　　此次发布的太阳能电池的单元尺寸为2cm见方。关于能够实现高效率的关键，IMEC提到了以下几点：把用FZ（Floating Zone）法制成的n硅基板表面加工成金字塔型的随机性凹凸；去掉表面电极，而且背面电极（Back-Contact）的形状采用梳形；形成了SiO2的封装层和SiN的防反射膜；电极材料采用铝（Al）。

　　转换效率方面，短路电流密度（JSC）为41.6mA/cm2、开路电压（VOC）为696mV、形状因子（FF）为80.4％。

　　5、“逆向思维”让光逃逸，美大学与Alta Devices的薄膜GaAs太阳能电池实现28.3％转换效率

　　美国加利福尼亚大学伯克利分校（University of California， Berkeley）教授Eli Yablonovitch与美国Alta Devices公司组成的开发团队，开发出了转换效率为28.3％的单耦合型薄膜GaAs太阳能电池。这一消息是在美国举行的光学技术学会“Conference on Lasers and Electro Optics（CLEO）2012”（2012年5月6～11日，美国加利福尼亚州圣荷西市）上发布的。据Yablonovitch介绍，在2010年时单耦合型GaAs太阳能电池的转换效率最高值已超过26％（未聚光情况下）。

　　据介绍，此次开发的太阳能电池则基于了“逆向思维”，采用了提高单元背面的光反射率，尽量让太阳能电池内产生的光子逃逸到太阳能电池外部的构造。按常规来说，太阳能电池一般都采用尽量不使光子释放到外部的设计，而此次恰恰与常规相反。

　　太阳能电池也需要“排气”！？

　　据Yablonovitch介绍，这是因为研究人员发现太阳能电池的输出电压与再结合产生的光子数量之间存在着正相关的结果。太阳能电池通过光子的入射产生电子空穴对，从而发电。此时，部分电子空穴对在被电极提取之前会再结合，再次形成光子。

　　此前，太阳能电池开发的研究课题之一是如何减少这种再结合。但是，据Yablonovitch介绍，太阳能电池输出电压越高，通过再结合产生的光子就越多，这是无法避免的。因此，Yablonovitch想到，“如果把太阳能电池设计成便于增加再结合产生的光子就行了”。而且，通过理论计算证实，将再结合产生的光子积极逃逸到太阳能电池外部时，输出电压会提高。Alta Devices在基于这一思路试制太阳能电池时，获得了打破原来记录的转换效率。

　　传统太阳能电池的元件构造采用光子一旦入射就尽量不让其外逃的设计。结果，通过再结合产生的光子也变得无处可逃，但这样似乎反而会降低太阳能电池的发电性能。

　　6、三菱化学开发成功转换效率达到11.0％的有机薄膜太阳能电池

　　三菱化学在日本第61届高分子学会年度大会及该公司的Web网站上表示，该公司开发的有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了11.0％。虽然这是尺寸只有数mm见方的小型单元的测量值，但却超过了德国Heliatek公司2012年4月公布的10.7％的数值，是目前有机薄膜太阳能电池中全球最高的转换效率。

　　

在试验工厂采用R2R方式制造的有机薄膜太阳能电池

　　三菱化学还宣布，在该公司建于日本冈山县的水岛工厂，采用卷对卷（R2R）方式生产有机薄膜太阳能电池的试验工厂已开工。在此次高分子学会上三菱化学还公开了该试验工厂制造的宽度接近20cm的卷状有机薄膜太阳能电池。

　　7、有机薄膜太阳能电池效率达到10.7％，Heliatek采用串联构造

　　德国太阳能电池厂商Heliatek开发出了转换效率为10.7％的有机薄膜太阳能电池，这一转换效率达到了当前全球最高水平。Heliatek曾于2012年4月27日发布了该太阳能电池，此次又在日本山形大学有机电子研究中心2012年5月11日于东京主办的国际研讨会上，Heliatek的共同研发员德国德累斯顿工业大学教授、IAPP所长Karl Leo就该电池的详细情况发表了演讲。

　　有机薄膜太阳能电池采用了被称为低聚体的低分子有机半导体材料，元件采用串联构造。据介绍，如果制作非串联构造的单接合型元件，转换效率为7％。此次测定使用的单元面积为1.1cm2，测定结果获得了德国检查机构SGS Institut Fresenius的认证。

　　普通的硅类太阳能电池在低照度和高温情况下转换效率会下降。而此次的太阳能电池在低照度下转换效率反而会提高，在80℃的高温下转换效率也基本不会降低。

　　另外，Heliatek曾于2011年12月发布了德国Fraunhofer ISE Cat Lab对电池单元的测量值。当时的转换效率为9.75±0.3％，形状因子（FF）为68.27±0.68，开路电压（VOC）为1.6930±0.0085V，短路电流为9.08±0.23mA。此次SGS认证的测量值是改善单元特性后的最新结果。

　　2015年有望实现超过15％的转换效率

　　有机薄膜太阳能电池的转换效率与无机类相比仍然较低。不过，最近3年左右其转换效率的增长率在太阳能电池的诸多技术中则为最大。比如，2009年的转换效率最高为6％出头，而最近，三菱化学和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）开发出了转换效率超过10％的有机薄膜太阳能电池。

　　在此次研讨会上，UCLA教授、山形大学合作教授Yang Yang也发表了演讲，他指出：“约1年前有机薄膜太阳能电池的转换效率为8％出头，而现在已经达到约11％。2015年之前有望达到15％”。

　　8、有机薄膜太阳能电池转换效率达到10.6％，采用住友化学的长波长吸收材料

　　美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（University of California， Los Angeles，以下简称UCLA）教授杨阳（音译）制造的有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了10.6％。该消息是为杨阳提供了部分材料的住友化学公布的。而且这一转换率已得到美国国家可再生能源实验室（The National Renewable Energy Laboratory，以下简称NREL）的正式认定。NREL是知名的太阳能电池研究所，也是太阳能电池性能的评价及认证机构。

　　有机薄膜太阳能电池可实现轻量、薄型及柔性化，作为新一代太阳能电池备受期待。由于可利用印刷法连续制造大面积单元，因此与目前主流的硅类太阳能电池相比，有望降低制造成本。

　　此次，杨阳教授制造的是串联单元构造的太阳能电池。串联单元构造通过组合吸收波长范围各异的两种光电转换层，可大范围利用太阳光能源，因此与单一单元构造相比，可获得更高的转换效率。不过，吸收波长各异的材料组合及中间层材料不同，性能也会大不相同。此次的10.6％的转换效率是通过组合UCLA的短波长吸收材料、将电损耗降至最小的中间层材料，以及住友化学的高效率长波长吸收材料实现的。

　　住友化学正在利用原用于显示器及照明用途的高分子有机EL技术推进有机薄膜太阳能电池的开发，全力实现业务化。该公司今后将通过与UCLA的共同研究等，加速开发材料性能，以尽快使有机薄膜太阳能电池的转换效率达到实用水平。最初的应用目标是手机和笔记本电脑等产品的充电器，以及与室内墙壁和透明窗玻璃一体化的产品等，将来计划进一步提高转换效率和耐久性，以设置在普通家庭的房顶或用于工业发电。

　　9、东大和夏普刷新纪录：量子点型太阳能电池在非聚光时的单元转换效率达到18.7％

　　东京大学纳米量子信息电子研究机构的负责人兼生产技术研究所教授荒川泰彦以及该机构特聘副教授田边克明，与夏普共同开发出了单元转换效率在非聚光时达到18.7％、双倍聚光时达到19.4％的量子点型太阳能电池。非聚光时18.7％的单元转换效率，“在量子点型太阳能电池中属于业界最高水平”。此前的最高值是俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）开发团队创造的18.3％。

　　东京大学和夏普开发的量子点型太阳能电池采用“中间带方式”，即制作出将量子点三维排列的超晶格构造，形成吸收红外光的中间带，以此提高转换效率。根据荒川等人的研发团队在2011年进行的推算，设置4个以上中间带可将理论单元转换效率提高至近80％。

　　此次采用MOCVD（有机金属化学气相沉积法）在GaAs基板上制成层叠了五层InGaAs/GaAs类量子点层的构造。据介绍，能获得出色单元转换效率主要有以下两个理由：第一，将量子点的尺寸等控制在最佳水平，由此可以防止形成捕获电子从而降低转换效率的能级。第二，优化了在单元表面设置的防反射膜（MgF2/ZnS膜）的设计。

　　此次开发的太阳能电池单元的开路电压为0.9V，填充因子（FF）为0.8。据荒川介绍，今后“将把量子点的母材换成带隙大于GaAs的GaN和InGaAsP，同时还将优化量子点的层叠数和母材质量，希望能使单元转换效率提高至30～40％”。

　　除了上述成果外，东京大学和夏普还成功地在柔性基板上制作出了量子点型太阳能电池，这在业界也是首创。具体方法是在GaAs基板上采用MBE（分子束外延法）形成十层的InAs/GaAs量子点层，然后将其上下翻转贴在树脂（聚酰亚胺）基板上。粘合材料采用基于银（Ag）纳米粒子的导电性环氧树脂材料，即使在200℃以下的低温条件下也能牢固地粘合。

　　采用树脂基板后，除了可以耐弯曲外，还将电池单元的重量降至0.028g/cm2，仅为采用GaAs基板时的1/10。单元转换效率约为10％。

　　东京大学和夏普将在从3月15日开始于早稻田大学举行的“第59届应用物理学相关联合演讲会”上发布以上两项成果。演讲序号分别为18a-C1-8（业界效率最高的量子点型太阳能电池）和18a-C1-9（柔性基板上的量子点型太阳能电池）。

　　10、三洋电机厚98μm的薄型HIT单元转换效率达到23.7％

　　三洋电机采用98μm厚的薄型Si单元的HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）太阳能电池，实现了23.7％的转换效率。该公司2009年9月发布的22.8％的转换效率（厚度为98μm）又提高了0.9个百分点。超过了该公司在2009年2月发布，HIT单元目前最高的转换效率23.0％（厚度在200μm以上）。

　　转换效率的提高主要得益于以下三点：（1）改进透明导电膜（TCO），提高了孔迁移率；（2）改进布线部分，减小了布线暗影的影响，同时降低了电阻值；（3）提高对短波长光的反应，减小了光学损失。上述改进措施的具体方法均未透露。

　　

I-V曲线

　　通过上述改进，开路电压（Voc）达到745mV、短路电流（Isc）达到3.966A、填充系数（F.F.）达到80.9％。单元面积为100.7cm2。此次转换效率的测定是由产业技术综合研究所在2011年5月31日实施的。

　　发布会之后的提问中，有人询问在普通厚度的单元上应用此次成果的情况。对此，三洋电机表示“我们在研发中一直致力于降低成本，因此现有厚度的单元没有试用此次的成果”。结晶硅型太阳能电池的转换效率正在逐渐接近理论极限值。为了应对转换效率越来越难以提高的情况，三洋电机的研发正向在维持转换效率的情况下以单元薄型化来降低成本转移。

　　11、美SunPower首次在日本展出单元转换效率为22.6％的太阳能电池

　　美国SunPower公司在展会“PV EXPO 2012”（2012年2月29日～3月2日，东京有明国际会展中心）上，展出了该公司2011年6月发布的单晶型光伏板“E20”（额定输出功率为327W）。此次是首次在日本展出。E20的单元转换效率最大为22.6％，制成面板后的转换效率为20.1％，是全球最高水平的产品。

　　SunPower在马来西亚或菲律宾的工厂量产该单元，在菲律宾工厂制造成面板。

　　E20将于2012年4月以后在美国等地上市，2012年7月以后在日本上市。

　　12、德国SCHOTT Solar多晶硅太阳能电池模块的最高效率达18.2％

　　德国肖特太阳能（SCHOTT Solar）宣布，该公司的多晶硅太阳能电池模块转换效率达到了全球最高的18.2%，并在EU PVSEC上展示了该模块。在2010年的EU PVSEC上，该公司展示了转换效率为17.6％的多晶硅太阳能电池模块，此次将该公司的纪录提高了0.6个百分点。该模块的最大输出功率为268W。

　　

德国肖特太阳能

　　肖特太阳能展示的模块使用了60个转换效率达18.7％以上的单元。单元表面的母线电极由2010年的两根增加到了三根，从而减少了电损失。单元背面与2010年一样，继续采用了在硅晶元和背面电极之间形成钝化层以实现局部接触的“PERC”构造。

　　此外，德国Q-Cells公司展示了转换效率为18.1％的多晶硅太阳能电池模块。Q-Cells公司的模块转换效率比肖特公司低0.1个百分点，该公司曾在学会上就单元转换效率达到全球最高值——19.5％的单元进行过发表。肖特公司和Q-Cells公司的成果目前还均处于研究阶段，实用化要等到2012年以后。另外，两家公司的模块转换效率都是根据开口部计算出的结果。

　　

德国Q-Cells

　　在单晶硅太阳能电池模块方面，美国SunPower公司已经实现了超过20％的模块转换效率。该公司在学会等曾宣布，“作为全球首次超过20％的模块，已经被收录到吉尼斯世界纪录中”。

　　13、京瓷将量产单元转换效率为17.8％的多晶硅太阳能电池

　　京瓷在展会“PV EXPO 2012”（2012年2月29日～3月2日，东京有明国际会展中心）上，展出了单元转换效率为17.8％的多晶硅太阳能电池“Gyna”。预定2012年4月以后开始量产该电池单元，2012年度内开始销售电池模块。

　　京瓷针对日本政府于2012年7月1日启动的“新固定价格收购制度”推进了公共产业用大型太阳能电池面板的开发。该公司计划在这类面板中积极采用Gyna。

　　14、尚德将上市输出功率290W的多晶硅太阳能电池模块

　　中国的尚德太阳能电力有限公司的日本法人——尚德电力日本，将推出两款多晶硅太阳能电池模块新产品，其中“STP290-24/Vd”的最大输出功率为290W。两产品将面向日本的公共产业市场上市。

 

摄于“PV EXPO 2012”尚德公司展区。备有iPad，可以确认模块的性能参数等。

　　STP290-24/Vd的标称最大输出功率为290W，转换效率为14.9％。输出容许误差为0/+5%。尺寸为1956mm×992mm×50mm，使用72枚太阳能电池单元。重量为27.0kg。同时上市的“STP240-20/Wd”的标称最大输出功率为240W，转换效率为14.8％，输出容许误差为0/+5%。尺寸为1640mm×992mm×50mm，采用60枚单元。重量为19.1kg。

　　作为面向公共产业的太阳能电池模块，尚德电力已经上市了最大输出功率为230W、235W、280W和285W的产品，此次上市新产品，使该产品系列将扩充到6种。新产品耐风压和积雪，据称在严峻的环境下也可长期使用。与原产品一样，可保证25年的模块输出。

　　尚德电力在2012年2月29日～3月2日于东京有明国际会展中心举行的“PV EXPO 2012”上展出了该新产品。并表示：“价格不便公开，但新产品有价格竞争力。本公司的模块累计供货量全球第一，能够以稳定的生产体制供货高品质模块”。