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新型激光制造工艺使光伏市场彻底变革

位于德国弗莱堡的太阳能系统研究所开发了一项基于激光的制造工艺方法,这种方法正在彻底地变革光伏市场。点接触式太阳能电池首次实现批量生产。数百万具有高效率水平的电池已经进入市场。

  未来几十年里,我们这个社会面临的主要挑战之一是,我们的能源系统的要实现从可再生能源中生产出更多的电力的目标。太阳能技术在实现这一目标方面起着决定性的作用。“从光伏能源中生产的电能总量超过250太瓦时,大约相当于30个核电站生产的电能。为了满足国际气候变化的目标,每年都要新增光伏发电能力,在未来15年,将增加十倍。总的来说,为了满足电力市场需求,太阳能技术必须变得更高效而且经济有效” Ralf Preu博士说,他是德国弗莱堡太阳能系统研究所光伏生产技术和质量保障部门的主任。Ralf Preu博士和他的同事Jan Nekarda博士对激光烧结(LFC)技术的发展做出了重大贡献,能够以较低的成本生产更高效的太阳能电池。

  今天,大多数太阳能电池都配有一个很宽的金属接触层,覆盖了这个硅晶片的背面,能够让电流从太阳能电池流向电极。这种配置导致效率低下。1989年开发了一个更加高效的替代方案,钝化发射极背面接触(PERC)太阳能电池技术。与传统电池技术相反,这项技术包括太阳能电池的背反射层,和几千个电接触点。德国太阳能系统研究所的研究人员开发的LFC工艺,首次实现了PERC太阳能电池的大批量工业生产。

  高效率电池的批量生产

  一个非常薄的非导电层覆盖在PERC太阳能电池的底部,在金属接触层和晶片之间。作为反光镜,当阳光射入硅晶片时,这个非导电层反射了一部分太阳光而不是全部吸收它们。由于电池正面也能将光线反射到晶片上,因此硅晶片也能捕获阳光,太阳能电池的效率水平提升。从晶片上导出电流需要非导电层上具有很多小孔,让金属电极和硅晶片相接触。LFC工艺能够让晶片上的接近10万个接触点每一个都要和单个激光脉冲之间建立联系。这项工作最大的难度是激光脉冲能够与硅表面形成良好的接触,减少对材料的损伤。最重要的一点是,激光的作用要限定在50-2000纳秒之间,Jan Nekarda博士解释说。他们开发的创新系统能够引导激光束,使它在接近1秒的时间里优化能量密度分布。

  “PERC太阳能电池用这种方法提高了1%绝对值的效率水平。按照今天太阳能电池接近20%的转化效率核算,这大约相当于5%的相对值。我们在这个系统中增进了额外的2%,意味着我们将总的能量产出提高了7%” Ralf Preu博士说。效率水平至关重要,因为绝大多数光伏成本与表面积成正比。“今天我们需要100平米的太阳能电池,那么将来我们只需要93平米就可以产生相同的电量。这不仅意味着减少了硅的使用量,也减少了模块材料,系统中减少了材料的用量能够降低成本”

  工业领域的成功

  太阳能电池制造商可以很容易而且低成本地在现有生产工艺过程中整合激光工序。根据企业信息,Hanwha Q太阳能电池公司已经利用LFC技术生产了2千万个电池。世界上好多企业都将PERC技术投入到规模生产中。“仅今年一年,制造商已经投入了2亿欧元来实施这项技术。这意味着硅太阳能电池进入到了下一个革命性的阶段” Ralf Preu异常兴奋地说。

  Ralf Preu 和Jan Nekarda已经获得了2016年约瑟夫·冯·夫琅和费奖,奖励他们在太阳能技术变化领域的发起者和驱动者的地位。评审团将他们获奖的理由归结于“研究人员开发的技术有助于德国企业在竞争激烈的光伏市场继续取得成功。”

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