位于德國弗萊堡的太陽能系統(tǒng)研究所開發(fā)了一項基于激光的制造工藝方法，這種方法正在徹底地變革光伏市場。點接觸式太陽能電池首次實現(xiàn)批量生產(chǎn)。數(shù)百萬具有高效率水平的電池已經(jīng)進入市場。
未來幾十年里，我們這個社會面臨的主要挑戰(zhàn)之一是，我們的能源系統(tǒng)的要實現(xiàn)從可再生能源中生產(chǎn)出更多的電力的目標。太陽能技術在實現(xiàn)這一目標方面起著決定性的作用。“從光伏能源中生產(chǎn)的電能總量超過250太瓦時，大約相當于30個核電站生產(chǎn)的電能。為了滿足國際氣候變化的目標，每年都要新增光伏發(fā)電能力，在未來15年，將增加十倍?？偟膩碚f，為了滿足電力市場需求，太陽能技術必須變得更高效而且經(jīng)濟有效” Ralf Preu博士說，他是德國弗萊堡太陽能系統(tǒng)研究所光伏生產(chǎn)技術和質量保障部門的主任。Ralf Preu博士和他的同事Jan Nekarda博士對激光燒結(LFC)技術的發(fā)展做出了重大貢獻，能夠以較低的成本生產(chǎn)更高效的太陽能電池。
今天，大多數(shù)太陽能電池都配有一個很寬的金屬接觸層，覆蓋了這個硅晶片的背面，能夠讓電流從太陽能電池流向電極。這種配置導致效率低下。1989年開發(fā)了一個更加高效的替代方案，鈍化發(fā)射極背面接觸(PERC)太陽能電池技術。與傳統(tǒng)電池技術相反，這項技術包括太陽能電池的背反射層，和幾千個電接觸點。德國太陽能系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)的LFC工藝，首次實現(xiàn)了PERC太陽能電池的大批量工業(yè)生產(chǎn)。
高效率電池的批量生產(chǎn)
一個非常薄的非導電層覆蓋在PERC太陽能電池的底部，在金屬接觸層和晶片之間。作為反光鏡，當陽光射入硅晶片時，這個非導電層反射了一部分太陽光而不是全部吸收它們。由于電池正面也能將光線反射到晶片上，因此硅晶片也能捕獲陽光，太陽能電池的效率水平提升。從晶片上導出電流需要非導電層上具有很多小孔，讓金屬電極和硅晶片相接觸。LFC工藝能夠讓晶片上的接近10萬個接觸點每一個都要和單個激光脈沖之間建立聯(lián)系。這項工作最大的難度是激光脈沖能夠與硅表面形成良好的接觸，減少對材料的損傷。最重要的一點是，激光的作用要限定在50-2000納秒之間，Jan Nekarda博士解釋說。他們開發(fā)的創(chuàng)新系統(tǒng)能夠引導激光束，使它在接近1秒的時間里優(yōu)化能量密度分布。
“PERC太陽能電池用這種方法提高了1%絕對值的效率水平。按照今天太陽能電池接近20%的轉化效率核算，這大約相當于5%的相對值。我們在這個系統(tǒng)中增進了額外的2%，意味著我們將總的能量產(chǎn)出提高了7%” Ralf Preu博士說。效率水平至關重要，因為絕大多數(shù)光伏成本與表面積成正比。“今天我們需要100平米的太陽能電池，那么將來我們只需要93平米就可以產(chǎn)生相同的電量。這不僅意味著減少了硅的使用量，也減少了模塊材料，系統(tǒng)中減少了材料的用量能夠降低成本”
工業(yè)領域的成功
太陽能電池制造商可以很容易而且低成本地在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝過程中整合激光工序。根據(jù)企業(yè)信息，Hanwha Q太陽能電池公司已經(jīng)利用LFC技術生產(chǎn)了2千萬個電池。世界上好多企業(yè)都將PERC技術投入到規(guī)模生產(chǎn)中。“僅今年一年，制造商已經(jīng)投入了2億歐元來實施這項技術。這意味著硅太陽能電池進入到了下一個革命性的階段” Ralf Preu異常興奮地說。
Ralf Preu 和Jan Nekarda已經(jīng)獲得了2016年約瑟夫·馮·夫瑯和費獎，獎勵他們在太陽能技術變化領域的發(fā)起者和驅動者的地位。評審團將他們獲獎的理由歸結于“研究人員開發(fā)的技術有助于德國企業(yè)在競爭激烈的光伏市場繼續(xù)取得成功。”
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