III-V族太陽能電池技術-經濟性分析及降成本路線圖

2021-01-09 科技報告與資訊

美國能源部可再生能源實驗室對III-V太陽能電池的成本構成和降成本路徑進行了多年的持續研究，2013年發布了單結和雙結III-V太陽能電池成本結構的初步分析以及潛在的降成本情況，2017年發布了Si串聯裝置上III-V的成本建模和成本路線圖繪圖。2018年11月，該實驗室發布了III-V太陽能電池在屋頂或地面大規模安裝使用的潛力研究報告，並繪製了以低於0.50美元/ WDC為目標的降成本路線圖（僅包括太陽能電池本身的成本，不包括任何包裝、連接和覆蓋玻璃的成本）。報告要點如下：

1. III-V族太陽能電池技術和市場應用情況概述

III-V族材料是一類由元素周期表第III族和第V族元素組成的材料，利用這些材料已經製造出世界上最高效率的光伏（PV）電池。除了具有優異的光學和電子特性（包括直接帶隙和高電子遷移率）之外，III-V還可以在多結結構中生長，從而可以減少熱損失並提高效率。

與晶體矽（c-Si）太陽能電池相比，III-V太陽能電池由於其優異的耐輻射性和在惡劣環境（包括極端溫度）下的良好性能而在空間應用中使用了數十年。

III-V太陽能電池本身是薄膜形式的，通常只有幾微米厚，還可以從基板上移除，製成輕便的可彎曲的柔性太陽能電池，該特性在航空航天應用中極具價值，因為電池的重量直接關係總系統的重量也就是成本，而能將電池貼合到非平面上也是至關重要的。此外，III-V太陽能電池的低溫度係數和良好的低光性能可以實現不同位置條件下比c-Si更高的能量產率（kWh / kW）。

儘管有這麼多優點，但III-V太陽能電池在地面上應用的還比較少，最主要的問題就是成本太高：目前的III-V太陽能電池組件價格超過150美元/瓦，這大約是目前主流的c-Si晶矽和碲化鎘（CdTe）太陽能電池價格（$ 0.30- $ 0.50 / W）的400倍。只有需要III-V太陽能電池特性的應用，包括一些無人駕駛飛行器（UAV）和軍事應用上才能接受這個價格。目前，III-V太陽能電池的產量還比較小。

2. III-V族太陽能電池成本構成

1）三結電池

目前市場上存在多種三結太陽能電池設計方法，包括：晶格匹配（LM）GaInP / GaInAs / Ge電池、晶格匹配GaInP / Ga（In）As / GaInNAs稀氮化物電池、倒置變質太陽能電池和直立變質電池。可再生能源實驗室將研究重點放在LM on Ge設計上，結構如下圖所示，其中單元層通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）沉積，同時假設通過濺射沉積Al 2 O 3 / TiO 2抗反射塗層（ARC）、使用電子束蒸發來沉積金屬接觸層，其中光刻用於限定前觸點，這種工藝代表了當前的主流技術方案。

典型三結電池結構

通過對不同參數的成本價格、工藝價格等參數的估算，獲得了不同參數對三結太陽能電池直接製造成本的影響情況見下圖，可見，產量規模對成本影響最大，其次是Ge板的價格，然後是MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition, 金屬有機化學氣相沉積)

實驗室假設研發成本和管理成本的佔比分別為10%和20%後，結合前面的直接製造成本，估算出了三結電池的整體成本情況如下圖：

2）單結和雙結電池

研究採用的電池結構如下圖：

左側為單結，右側為雙結

估算後的單、雙結太陽能電池成本構成如下：

3. III-V族太陽能電池降成本路線圖

根據前面的分析，認為可以在四個方面降低成本：擴大產量、降低外延生長成本、基板成本和金屬化成本，其中提高產量是至關重要的。

1) 提高產量

以兩結太陽能電池為例，實驗室對提高產量對成本的降低進行了模擬計算，結果如下圖：

2）降低外延生長成本

使用MOCVD和D-HVPE增加產量和材料利用率對2J GaInP / GaAs外延層成本的影響如下圖

3）降低基材成本

使用D-HVPE沉積的2J GaInP / GaAs太陽能電池的製造成本與基板重複使用次數和每次重複使用的拋光成本的關係如下圖

4）降低金屬化成本

無金電鍍方法降低金屬化成本。

結合以上方法，形成III-V族太陽能電池降成本路線圖，如下

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