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位于德國(guó)弗萊堡的太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所開發(fā)了一項(xiàng)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(chǎng)。點(diǎn)接觸式太陽(yáng)能電池首次實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。數(shù)百萬(wàn)具有高效率水平的電池已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。
未來(lái)幾十年里，我們這個(gè)社會(huì)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是，我們的能源系統(tǒng)的要實(shí)現(xiàn)從可再生能源中生產(chǎn)出更多的電力的目標(biāo)。太陽(yáng)能技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(guò)250太瓦時(shí)，大約相當(dāng)于30個(gè)核電站生產(chǎn)的電能。為了滿足國(guó)際氣候變化的目標(biāo)，每年都要新增光伏發(fā)電能力，在未來(lái)15年，將增加十倍。總的來(lái)說(shuō)，為了滿足電力市場(chǎng)需求，太陽(yáng)能技術(shù)必須變得更高效而且經(jīng)濟(jì)有效” Ralf Preu博士說(shuō)，他是德國(guó)弗萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所光伏生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量保障部門的主任。Ralf Preu博士和他的同事Jan Nekarda博士對(duì)激光燒結(jié)(LFC)技術(shù)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，能夠以較低的成本生產(chǎn)更高效的太陽(yáng)能電池。
今天，大多數(shù)太陽(yáng)能電池都配有一個(gè)很寬的金屬接觸層，覆蓋了這個(gè)硅晶片的背面，能夠讓電流從太陽(yáng)能電池流向電極。這種配置導(dǎo)致效率低下。1989年開發(fā)了一個(gè)更加高效的替代方案，鈍化發(fā)射極背面接觸(PERC)太陽(yáng)能電池技術(shù)。與傳統(tǒng)電池技術(shù)相反，這項(xiàng)技術(shù)包括太陽(yáng)能電池的背反射層，和幾千個(gè)電接觸點(diǎn)。德國(guó)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)的LFC工藝，首次實(shí)現(xiàn)了PERC太陽(yáng)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(gè)非常薄的非導(dǎo)電層覆蓋在PERC太陽(yáng)能電池的底部，在金屬接觸層和晶片之間。作為反光鏡，當(dāng)陽(yáng)光射入硅晶片時(shí)，這個(gè)非導(dǎo)電層反射了一部分太陽(yáng)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(yáng)光，太陽(yáng)能電池的效率水平提升。從晶片上導(dǎo)出電流需要非導(dǎo)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(wàn)個(gè)接觸點(diǎn)每一個(gè)都要和單個(gè)激光脈沖之間建立聯(lián)系。這項(xiàng)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(duì)材料的損傷。最重要的一點(diǎn)是，激光的作用要限定在50-2000納秒之間，Jan Nekarda博士解釋說(shuō)。他們開發(fā)的創(chuàng)新系統(tǒng)能夠引導(dǎo)激光束，使它在接近1秒的時(shí)間里優(yōu)化能量密度分布。
“PERC太陽(yáng)能電池用這種方法提高了1%絕對(duì)值的效率水平。按照今天太陽(yáng)能電池接近20%的轉(zhuǎn)化效率核算，這大約相當(dāng)于5%的相對(duì)值。我們?cè)谶@個(gè)系統(tǒng)中增進(jìn)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(shuō)。效率水平至關(guān)重要，因?yàn)榻^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(yáng)能電池，那么將來(lái)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(lǐng)域的成功
太陽(yáng)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(guò)程中整合激光工序。根據(jù)企業(yè)信息，Hanwha Q太陽(yáng)能電池公司已經(jīng)利用LFC技術(shù)生產(chǎn)了2千萬(wàn)個(gè)電池。世界上好多企業(yè)都將PERC技術(shù)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(lái)實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)。這意味著硅太陽(yáng)能電池進(jìn)入到了下一個(gè)革命性的階段” Ralf Preu異常興奮地說(shuō)。
Ralf Preu 和Jan Nekarda已經(jīng)獲得了2016年約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)獎(jiǎng)，獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)谔?yáng)能技術(shù)變化領(lǐng)域的發(fā)起者和驅(qū)動(dòng)者的地位。評(píng)審團(tuán)將他們獲獎(jiǎng)的理由歸結(jié)于“研究人員開發(fā)的技術(shù)有助于德國(guó)企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的光伏市場(chǎng)繼續(xù)取得成功。”
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