当前,人类正面临着传统能源紧缺和全球气候变暖的双重挑战。太阳能光伏发电作为可再生能源的一种重要利用形式,是解决这些问题的有效途径之一,得到了世界各国政府的高度重视和大力支持。太阳能光伏发电普及应用的基础在于其成本可以和传统化石能源发电持平,实现平价上网。而提高太阳能电池的光电转换效率、开发高可靠性的组件、解决其规模化制造及应用中的关键技术问题,是降低光伏发电度电成本的关键所在,也迫在眉睫。本研究工作是典型的产学研相结合的课题,主要是针对太阳能电池组件在规模化生产及应用中遇到的关键技术问题,如低缺陷密度多晶铸锭、精密对准选择性发射极(Selective emitter,SE)、无表面损伤反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch,RIE)制绒、基于光谱管理的封装匹配技术和递步增压法制备高可靠性、长寿命双面玻璃组件(双玻组件)等,深入系统地分析研究,不仅提出了相关的解决方案,而且还进行了实际的规模化量产验证。本研究工作首次成功集成了低缺陷密度多晶铸锭、高精密对准SE及无表面损伤RIE制绒等先进技术,在100 MW以上的大规模丝网印刷金属化生产线上制备得到的多晶硅太阳能电池平均转换效率达到18.65%,最高可达18.84%;采用基于光谱管理的封装匹配技术,太阳能电池组件最大功率(Maximum power,Pmax)为270.3 W,达到规模化生产国际领先水平;创造性地采用递步增压技术,解决了双玻组件制备过程中太阳能电池片易破裂的问题;系统性的可靠性研究发现了传统组件背板透水率越大Pmax衰减越大的正向相关性规律,并发现了双面玻璃优良的水汽阻隔性能是双玻组件具有卓越长期可靠性的关键所在;首次分析了组件内部由电弧效应导致热斑失效的可能性及机理,这些结果都实现了从实验室研发的先进技术到规模化量产的成功转移,最终转化成了实际的生产力。所有的实验及数据采集均来自规模化生产线,研究结论具有实际的参考价值,主要取得了以下几方面的创新性成果:1.研究了规模化高效多晶铸锭技术,通过优化热场设计和籽晶诱导铸锭工艺改良,成功地实现了低缺陷密度多晶铸锭生长。同时,发现了铸锭多晶硅的晶体缺陷特征与太阳能电池转换效率的密切关系,以及晶体少子寿命与电池转换效率的正向相关性规律。通过优化热场、改进铸锭工艺配方及籽晶诱导成核技术,实现对晶粒尺寸的控制,大幅度降低晶体缺陷密度30%以上,硅片的少子寿命得到了有效地提升。相较于传统多晶铸锭,这种低缺陷密度硅片降低了太阳能电池的体复合,使内量子效率增益3～5%,开路电压增加了 5.6mV,平均转换效率提升了 0.4%。深入研究发现,铸锭多晶硅的晶体缺陷特征与电池转换效率的关系密切,即晶体的底部和顶部缺陷密度高,对应的电池转换效率较低(14.5～15.5%);而晶体中部缺陷密度低,则对应较高的电池转换效率(16.5～17.5%)。实验也发现,晶体少子寿命和电池转换效率成正相关性规律,即少子寿命越长电池转换效率越高。然而,不同种类的晶体缺陷对电池效率的影响又不尽相同,比如位错等顽固性缺陷会保留至终,而间隙态金属杂质等可去除的缺陷,则会在太阳能电池制备过程中得以消除。这些研究成果分别发表在《红外与毫米波学报》及第40届IEEE会议上(参考科研成果清单No.2、6、7、12)。2.研究并解决了高精密对准SE、无表面损伤RIE制绒等高效太阳能电池技术在规模化生产中的精确对准及损伤层去除等关键性技术问题,实现了金属电极和高浓度掺杂区的精确对准,有效地去除了 RIE制绒时刻蚀离子物理轰击导致的表面损伤层,成功地抑制了光生载流子的复合,使规模化多晶硅太阳能电池平均转换效率达到18.65%,最高可到18.84%;匹配基于光谱管理的组件封装技术,组件Pmax为270.3 W,达到国际领先水平。采用SE结构,使太阳能电池发射极表面掺杂浓度从8.2×1020 atom/cm3降低到1.2×1020atom/cm3,提升了太阳能电池短波的内量子效率,其中在波长300nm时,太阳能电池的内量子效率从38%提升到67%,并获得了额外3 mV的开路电压及0.35%的绝对转换效率增益。实验结果表明,太阳能电池转换效率随着发射极表面初始方块电阻从40Ω/□增加到60Ω/□,先上升然后降低;另一方面,太阳电能池转换效率随着腐蚀回刻(Etch back)后的表面方块电阻呈反向相关性,回刻后表面方块电阻越高,太阳能电池转换效率越低。研究还发现,为了实现高浓度扩散区和金属电极的精确套印对准,掩膜印刷和金属电极印刷必须采用相同的边缘对准算法,确保两步图形印刷时所印刷的整体图形都在硅片正中间。此外,与传统的酸制绒相比,优化后的RIE制绒可以使太阳能电池的表面反射率从23%降低到6%,短路电流密度和转换效率分别提升1.04mA/cm2及0.63%。实验结果表明在RIE制绒后增加损伤层去除清洗(Damage Removal Clean,DRC)工艺,可以有效地去除RIE制绒时由于刻蚀离子物理轰击导致的表面损伤层。DRC工艺时间越长,表面反射率越高,硅片表面类似金字塔形状的绒面变得更加圆润光滑,有助于减反射膜SiNx沉积并改善表面钝化效果、减少光生载流子复合、提升太阳能电池开路电压。集成低缺陷密度多晶铸锭、无表面损伤RIE制绒和高精密对准SE等多种先进实验室技术,进行了 10000片规模的实验,在基于商业化的大尺寸156×156 mm2的多晶硅片上制备出了平均转换效率为18.65%的太阳能电池,其中最高转换效率达到18.84%。相比传统的太阳能电池工艺,绝对转换效率提升了 1.58%。另外,利用基于光谱管理的组件封装匹配技术,采用高透过率乙酸和醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl-Acetate,EVA)胶膜及减反射玻璃封装后,对应的组件Pmax达到270.3 W,相比同尺寸的一般商业化组件,功率额外增加了 20 W,这是目前规模化生产线上多晶硅太阳能电池所能达到的国际领先水平。相关的研究成果已经递交给RSC Advances杂志审阅中。3.创造性地采用递步增压技术,解决了双玻组件制备过程中太阳能电池片易破裂的技术难题,将其规模化生产成品率从70%提升到98%;系统性的可靠性研究发现了传统组件背板透水率越高,对应组件Pmax衰减越大的正向相关性规律,双面玻璃优良的水汽阻隔性能是双玻组件具有卓越长期可靠性的关键所在。采用递步增压技术替代单步加压,解决了双玻组件制备过程中太阳能电池片易破裂的问题,将其规模化生产成品率从70%提升到98%,这是目前所知的国内外双玻组件规模化制造的领先水平。新颖的一体化易安装结构从根本上解决了双玻组件难安装的问题,为双玻组件的大规模应用创造了条件。根据UL(Underwriter Laboratories)790标准进行了防火测试,双玻组件可以达到最高的A级防火等级,在5400 Pa压力条下的机械载荷测试后,双玻组件的Pmax衰减仅0.3%,并且没有隐裂发生。系统性地对传统背板组件和双玻组件进行了不同的加严应力老化实验,包括 Thermal Cycling(TC)600、Dump Heat(DH)3000、Potential Induced Degradation(PID)600 小时、Humidity Freeze(HF)50,传统背板组件的Pmax衰减对应为3.87%、7.34%、13.3%、33.73%,而双玻组件的Pmax衰减对应为2.78%、3.12%、2.27%、2.72%。相对而言,双玻组件在不同应力条件下老化后Pmax删衰减更小。研究发现传统背板组件的性能下降与水汽渗透到组件内部密切相关,背板的透水率和组件Pmax衰减之间有很强的正向相关性规律,透水率越高,Pmax衰减越大。双面玻璃的不透水性作为双玻组件卓越可靠性的关键因素,可以减少EVA黄变,降低汇流条和太阳能电池电极的腐蚀和氧化,使组件在加严应力条件老化实验后Pmax衰减大幅度降低。这些相关的研究成果分别发表在RSC Advances杂志、第28、29届欧洲光伏会议、2014年东京可再生能源大会上(参考科研成果清单No.1、4、8、9、11)。4.通过对光伏电站安全有重大影响的热斑失效问题的研究,发现了太阳能电池反向漏电流越大,被遮挡组件区域温度越高的正向相关性规律,首次分析了由于组件内部电弧效应导致太阳能电池组件热斑失效的可能性及机理,为太阳能电池筛选及组件制备时焊接工艺的控制提供了理论依据。以不同反向漏电流等级的多晶硅太阳能电池封装成的组件和实际发生热斑失效的组件为研究对象,通过数值模拟和实验研究的方法,对晶体硅太阳能电池组件热斑失效的机理和规律进行理论分析与实验验证。研究结果表明,在阴影遮挡环境下被遮挡组件区域温度和太阳能电池反向电流成正向相关性,即反向漏电流越大,被遮挡组件区域温度越高。实验也发现,即使在完全无阴影遮挡的情况下,太阳能电池组件也可能由于组件封装过程中存在的虚焊、空焊等接触不良连接点,形成微小间隙,引发电弧效应,从而导致严重的热斑失效。此项研究工作填补了国内在该领域研究的空白,为防范光伏发电系统热斑失效提供了新的理论依据,具有非常实际的参考价值。相关的成果发表在了《太阳能学报》上(参考科研成果清单No.3)。