更薄的硅晶圆可能会带来更便宜的太阳能电池

目前，全球90％的太阳能电池板是由晶体硅制成的，并且该行业以每年约30％的速度持续增长。

太阳能电池板的成本最近有所下降，但是减薄硅片可能会导致更低的成本和更快的产业扩张。

在过去的几年中，太阳能电池板的价格暴跌，导致太阳能装置的安装速度大大高于大多数分析师的预期。但是，由于大多数节省成本的潜在领域已经被推到了极致，要想进一步降低成本，就变得越来越具有挑战性。

现在，麻省理工学院和美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员概述了进一步削减成本的途径，这一次是通过减薄硅电池本身来实现的。

以前，人们一直在研究更薄的硅电池，特别是在大约十二年前，由于供应短缺，硅的成本达到顶峰。但是这种方法存在一些困难：薄硅晶片太脆且易碎，导致制造过程中的损耗水平不可接受，并且效率较低。研究人员说，现在有办法通过使用更好的处理设备以及太阳能电池架构的一些最新发展来开始应对这些挑战。

通过改进的处理方法，研究人员提出，用于制造硅光伏电池的硅晶片的厚度可以从160微米削薄至100微米-最终可以减少到40微米或更小，这仅需要四分之一给定尺寸的面板的硅。

新的发现在《能源与环境科学》杂志上的一篇论文中得到了详细介绍，该论文由麻省理工学院的博士后Zhe Liu，机械工程教授Tonio Buonassisi以及其他五位麻省理工学院和NREL合着。

研究人员将他们的方法描述为“技术经济”，强调在这一点上，经济考虑与技术考虑一样对实现太阳能电池板的可承受性的进一步改善至关重要。

研究人员说，目前，全球90％的太阳能电池板由晶体硅制成，并且该行业以每年约30％的速度持续增长。当今的硅光伏电池（这些太阳能电池板的核心）是由厚度为160微米的硅晶片制成的，但是随着处理方法的改进，研究人员提出可以将其削薄至100微米-最终可以减小至40微米或更少，对于给定尺寸的面板，只需要四分之一的硅。

他们说，这不仅可以降低单个面板的成本，而且更重要的是，它可以使太阳能面板的生产能力迅速扩大。那是因为扩张受到限制，因为可以限制建造新工厂以生产硅锭的速度，然后再像萨拉米香肠一样切成薄片来制造硅片。这些通常与太阳能电池制造厂本身分开的工厂往往需要大量资金和建造时间，这可能会导致太阳能电池板产能扩张的瓶颈。研究人员说，减小晶圆厚度可以潜在地缓解该问题。

这项研究研究了太阳能电池架构的四个变体的效率水平，包括PERC（钝化发射极和后接触）电池以及其他先进的高效技术，比较了它们在不同厚度水平下的输出。研究小组发现，使用当今改进的制造工艺，厚度低至40微米的性能实际上几乎没有下降。

刘说：“我们发现（效率与厚度的关系图中）效率是平坦的，这就是您可能节省一些钱的区域。”他说，由于单元架构的这些进步，“我们真的开始看到是时候重新考虑成本优势了。”

刘说，更换大型的面板制造厂以适应更薄的晶圆将是一个耗时且昂贵的过程，但分析表明，其收益远远超过了成本。他说，开发必要的设备和程序以花费更薄的材料将需要时间，但是使用现有技术，“降低到100微米应该相对简单”，这已经可以节省很多钱。技术上的进一步改进，例如在微裂纹生长之前对其进行更好的检测，可能有助于进一步减小厚度。

他说，将来厚度可能会减小到15微米。他说，直接生长硅晶体薄晶圆而不是从更大的圆柱体上切下来的新技术可以帮助实现进一步的薄化。

近年来，由于硅的价格已经从其早期的峰值下降了，因此薄硅的开发受到了很少的关注。但是，由于太阳能电池效率以及太阳能电池板制造过程和供应链的其他部分已经实现了成本降低，因此硅的成本再次成为可以有所作为的因素。

“效率只能提高几个百分点。因此，如果您想进一步改进，则厚度是必经之路。” Buonassisi说。但是转换将需要大量资本投资才能进行全面部署。

他说，这项研究的目的是为那些可能正在计划扩大太阳能制造技术的人提供一个路线图。他说，通过将路径“具体化”，可以帮助公司将其纳入其计划中。他说：“有一条路。”“这并不容易，但是有一条路。对于先行者来说，优势是巨大的。”

他说，可能需要行业内的不同主要参与者齐心协力，为前进和达成一致的标准制定一套具体的步骤，因为集成电路行业早就为实现该行业的爆炸性增长而做。行业。他说：“那将是真正的变革。”

亚利桑那州立大学的副研究员安德烈·奥古斯托（Andre Augusto）与这项研究没有关系。他说：“提炼硅和硅片制造是制造太阳能电池板过程中资本要求最高的资本支出。因此，在快速扩展的情况下，晶圆供应可能会成为一个问题。变薄可以部分解决此问题，因为您可以在每台机器上制造更多晶圆，而不会显着增加资本支出。”他补充说，“薄晶圆可能在某些气候条件下具有性能优势，”在温暖的条件下表现更好。

与这项工作没有关系的格雷戈里·威尔逊咨询公司的可再生能源分析师格雷戈里·威尔逊说：“减少主流电池中硅的使用量的影响将非常显着。最明显的收益是将光伏产业规模扩大到气候变化问题所需的数兆瓦规模所需的资本总额。另一个好处是生产硅PV面板所需的能源数量。这是因为生产高效电池所需的多晶硅生产和硅锭生长工艺非常耗能。”

威尔逊补充说：“主要的光伏电池和组件制造商需要听取诸如MIT的Buonassisi教授等可信团体的意见，因为他们将在看到明显的经济利益时做出这一转变。”

参考：刘哲，莎拉·索菲亚，汉努·莱恩，迈克尔·伍德豪斯，莎拉·维格霍尔德，伊恩·马里乌斯·彼得斯和托尼奥·布纳西西，“能源和环境科学”的“重新审视光伏用薄硅：技术经济的视角”，能源与环境科学。DOI：
10.1039 / C9EE02452B

该团队还包括麻省理工学院的Sarah Sofia，Hannu Lane，Sarah Wieghold和Marius Peters，以及NREL的Michael Woodhouse。这项工作得到了美国能源部的部分支持，并获得了麻省理工学院能源倡议的全面能源研究金的支持。