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王文静:晶体硅太阳电池技术“裂变”

2019-07-19 11:42

晶体硅太阳电池在自从1980年至今的三十五年产业化历程中一直占据70%以上的份额,如图1所示。在1987年前后由于新出现的非晶硅太阳电池以其低廉的价格占据了较大的市场份额,最高时曾经达到30%。但是随后发现这种非晶硅太阳电池存在着效率的衰减问题,最高可达到30%的衰减率,因此非晶硅太阳电池在市场的份额在逐渐萎缩。随着晶体硅太阳电池的成本的逐渐下降,在2003年左右晶体硅太阳电池占比上升到95%左右。随后光伏市场出现大发展,出现了供不应求的情况,硅材料因供需关系而价格大涨,使得薄膜电池的占比有所扩大。但是这次在薄膜电池中唱主角的不再是薄膜硅太阳电池,而是碲化镉太阳电池。在2009年至2011年前后,薄膜电池的市场份额曾达到20%左右。但是随着晶体硅全产业链的供需矛盾得到缓解,以及硅材料价格的大幅下跌,晶体硅电池的成本和价格双双下跌,从2008年至今,晶体硅组件价格下跌幅度超过80%。在这轮价格竞争中,薄膜电池的成本优势丧失殆尽,晶体硅电池的占比在2013年重新回到90%。晶体硅太阳电池在这三十五年的竞争显示出了持久的竞争优势,这种优势的主要源泉就是其技术在不断地改进。


晶体硅太阳电池目前在产业化中的常规效率,单晶硅电池平均达到19%,多晶硅电池平均效率达到18%。单晶电池组件效率达到16%,多晶硅电池组件效率达到15%~16%。高效单晶硅电池产业化平均效率达到22%,组件效率达到19%。

单晶硅电池实验室最高效率为日本松下公司的HIT-IBC电池,达到25.6%。

到目前为止各种晶体硅电池的结构如图2所示。(i)至(iii)为p型硅衬底上制备的太阳电池。(iv)至(xii)均为n型硅衬底上制备的太阳电池。


下面分别论述一下这几种太阳电池的结构及其最新结果:

(i)全铝背场太阳电池(Al-BSF:Al-BackSurfaceField)。这是目前光伏产业所普遍采用的结构。单晶硅电池的产业化平均效率达到19%,有些厂家经过优化后可以达到19.5%。多晶硅电池的最高效率达到18%,优秀厂家的优化结果可以达到18.5%。近年来产业界和科技界对这种电池进行过多项改进,主要是选择性发射区技术(SE),但是效率改进不大,产业化工艺难度的提升带来成本的增加。而几个浆料公司对于前银浆料的改进,使得SE电池失去了技术优势。

(ii)钝化发射区及背接触电池(PERC:PassivatedEmitterandRearCell)。这种电池主要针对全铝背场太阳电池在背表面的载流子复合较高的缺点,使用Al2O3膜或SiON在背表面钝化,并开窗口与背面铝电池接触。这种电池的实验室最高效率达到21.7%[2],该结果是在4cm2小面积的Fz片上实现的。而使用常规丝网印刷技术制备的大面积PERC电池的最高效率是由Schott公司取得的,在面积为240cm2的商业p型Cz硅片上的该种电池最高效率达到21%[3]。在中国大陆和台湾已有多家企业实现了这种电池的产业化,其单晶硅电池产业化平均效率达到20.5%。国内实现PERC电池产业化的厂家包括晶澳、常州天合等公司。中国产业化的PERC电池与世界最先进水平差距并不大。但是由于这种电池需要较高的少子寿命,因此还没有实现多晶硅电池的产业化。

(iii)金属卷绕穿孔太阳电池(BC-MWT:BackContactedEmitterWrapThroughcell)或发射极卷绕穿孔太阳电池(BC-EWT:BackContactedMetalWrapThroughcell)。这种电池是将前表面的主栅线通过激光打孔技术,引导到背表面,在孔中也灌注金属电极(MWT)。而将全部栅线移到背表面,就需要在整个硅片打很多孔(比如4万个),将前表面发射极的电流全部疏导到背表面,在孔中不灌注金属,但是孔中制备发射极(EWT)。由于EWT电池产业化的工艺较为复杂,因此还没有该种电池的生产线。但是作为EWT简化版的MWT技术,已在国内实现产业化,比如阿特斯公司建设了这种电池的生产线,其产线上单晶硅电池效率到达到19.5%,多晶硅电池平均效率达到18.5%。但是这种电池引入了新型的背连接技术,其封装损失大大降低,使其多晶硅电池组件效率达到17%,比常规电池的要高得多。

目前,使用p型硅衬底的电池只发展了上述三种技术,进一步提高电池的效率必使用更高级的技术,但是这些技术需要更高的硅片少子寿命作为配合。而p型硅片的少子寿命很难进一步提高了。n型硅片的少子寿命可以提高得很多,目前太阳电池领域普遍使用的Cz法n型硅片很容易地就可以达到1000μs以上,而p型硅片的少子寿命最好的也就在几百微妙。究其原因主要是硅的缺陷态对于空穴的俘获截面较小。因此,很多更高效电池的技术主要在n型硅片上实现,在图2中列出了9种n型硅片上的高效太阳电池技术。

(iv)和(v)钝化发射区及全扩散背场(PERT:PassivatedEmitterandRearTotallydiffusedcell)电池。在p型硅衬底电池中,铝既可作为背表面的电极材料,也可以作为p型杂质在烧结过程中形成p型背场。而n型硅片缺少像铝这样的天然的即可作为背接触金属、也可作为背场的掺杂材料。因此,要想制备出像p型电池中常用的BSF结构,只有采用扩散技术,在背表面制备n层(扩磷)。而正表面需要扩硼制备发射极。对于背表面使用金属全覆盖的PERT电池,由于背场无法避免金属-半导体接触形成的缺陷中心对少子的复合,因此效率仍不是很高,目前使用Fz的n型衬底PERT电池的最高效率达到20.8%,使用Czn型衬底的最高效率达到19.4%[4]。由于这种全金属覆盖PERT电池工艺复杂,效率又没有提高多少,因此,产业化的性价比不高。

(vi)钝化发射区局部背场电池(PERL:PassivatedEmitterandRearLocallydiffusedcell)。这种电池是在背表面制备钝化膜,可以是SiNx膜或SiOx膜。在钝化膜上开窗口,在窗口区扩散磷制备局域背场,这样即起到了钝化背表面的作用,又在电极接触区域形成了背场,这种电池的最高效率达到23.9%[5]。尽管这种电池的实验室效率很高,但是工艺过程十分复杂,很难实现产业化。为了简化工艺步骤,德国Fraunhofer研究所使用掺磷的背钝化膜(PassDop),然后使用激光工艺将磷原子驱入背表面形成局部掺杂,同时开了窗口,与背面金属电极相连,这种电池实验室最高效率达到22.4%[6]。目前一些材料公司开发可用于激光掺杂的磷墨水或掺磷硅墨水,在制备背钝化膜后涂敷磷墨或掺磷硅墨,使用激光掺杂技术在背表面制备选择性发射极。这些材料原本用在p型电池的前表面选择性发射极的制备时使用,而现在可以用于制备n型PERL电池的背面选择性背场(SBSF)。尽管如此,未来在背表面大面积覆盖金属仍旧会增加很高的成本,因此目前人们普遍使用背面栅线来代替全金属电极,这就是双面n型电池(iv)。

(iv)背接触铝背发射极电池(BJ-Alp:Back-JunctionAlalloyedrearemittercell)。这是一种使用铝的p型杂质特性,在背表面涂敷一层铝层,通过烧结一次性形成铝扩散发射极和铝电极层的技术,发射极在背表面。而使用常规磷扩散技术在前表面制备高低结,形成所谓前场(FSF),将少子从前表面驱动到背表面的pn结。这种电池的工艺与常规p型硅衬底电池的工艺完全一致。这种电池的最高效率达到19.8%[7]。国内的百力达公司使用IBC和HIT俩种电池不能使用的B级n型硅片,制备这种电池,在常规p型电池生产线上实现了铝背结电池的产业化,其产线平均效率为17.6%,最高效率达到18.75%。虽然,其效率还无法达到常规p型单晶硅电池的水平(19%),但是其B级n型硅片的价格极其便宜,因此在成本上仍旧合算。另一方面,经过研究该种电池不存在电压诱导衰退(PID)现象及光致衰退(LID)现象,因此其组件的长期可靠性和发电水平并不低。

(viii)铝背结PERT电池(BJPERT)。这种电池是在铝背结电池的基础上再制备背钝化膜。这与PERC电池的技术正好相反。德国Q-Cell公司实现了这种电池的大面积制备,最高效率达到20.2%。但是,这种电池的问题在于,如果使用铝扩散,则在制备钝化膜之前还应将扩散铝外侧的铝硅合金层腐蚀掉,或者使用硼扩散技术,这样就增加了难度。而效率并不比p型PERC或n型PERL电池高,难度却相当大,因此这种电池也难于实现产业化。

(iv)双面电池。这种电池与PERT电池的区别就是在背表面使用丝网印刷技术制备栅线。这种电池可以双面受光。英利公司的熊猫电池就属于这种电池,其产业化平均效率达到19.8%,最高效率达到20.2%[8]。日本的日立公司也长期致力于这种电池的开发。由于其工艺较为复杂,而效率并不比p型衬底PERC电池高,因此这种电池也面临严重的挑战。

(v)插指状背接触背结电池(IBCBJ:InterdigitatedBackContactedBackJunctioncell)。这种电池在背面形成插指状交叉的p型和n型发射极,而前表面制备扩散前场(FSF),这种电池由美国Sunpower实现了百兆瓦级的产业化,生产线的平均效率达到22%,实验室最高效率达到24.6%[9]。但是这种电池的成本较高,目前主要用在聚光跟踪系统,或用在与建筑结合的特殊场合。

(vi)背接触发射区穿透电池(BCEWT:BackContactedEmitterWrapThroughcell)。为了避免IBC电池背表面收集效率较低的缺点,仍将发射极制备在前面,通过激光穿孔技术将发射极收集的电流传导到背面,通过在背表面的插指状电极收集电流。这种电池对于硅片少子寿命的要求比IBC电池低很多。据报道的最高效率达到21.6%[10],其前表面的p发射极使用Al2O3/SiNx作为钝化膜。

(vii)非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(HJ:Heterojunction)。这种电池主要是由日本的三洋公司开发的,后来松下公司收购了三洋公司的这部分制造产业。目前最高效率达到24.7%(VOC=750mV,JSC=39.5mA/cm?,FF=83.2%)[11,12]。其最大特点就是具有非常高的开压,达到750mV,但是其电流并不很高。高开压的主要来源是非晶硅的宽带隙与晶体硅的窄带隙之间的能带失配,而这一点也是造成其电流就较小的原因。异质结太阳电池的工艺相对简单,能耗低,因此兼具低成本的潜力和高效率的优势,松下公司已经在日本及东南亚累计建设了1GW的生产线。其他公司也随之跟进,日本的长洲产业也建设了25MW的生产线;中国的杭州赛昂公司也建设了HJ电池的中试线,并且最近被美国SolarCity公司收购,该公司拟在美国纽约州大规模建设HJ电池的生产线。台湾的友达公司也开展了HJ电池的研究。中国的江苏协鑫集成公司与中科院电工所、常州天合公司与中科院上海微系统所合作都建设HJ电池中试线;国电光伏在江苏宜兴也建设了50MW的HJ电池生产线。在生产设备方面,国内外也有多家公司开发该种电池的设备,包括德国的Roth&Rau公司开发了全套SJ电池生产线,日本的Ulvac公司、住友公司、YAC公司等也联合推出了HJ电池的设备,中国的精曜公司、集富公司、理想能源公司也都开始致力于开发HJ电池的单项设备。国内也已经有多家公司开展了HJ电池的前期研究工作。相信HJ电池将会是未来最有可能引入大规模生产的效率达到22%以上的高效太阳电池了。

如果比较IBC与HJ电池,会发现IBC电池主要特点是提高电流,而HJ电池主要特点是提高开压,我们比较几种最高效率电池的各种参数如表1。IBC电池的一大优点是在前表面没有电极,这样允许更多的光被硅片吸收,同时由于金属与半导体接触的复合被去除了,使得开压和电流也都会进一步提高。因此,人们考虑将HJ电池的高开压与IBC电池的高电流结合起来,去除HJ电池的前表面电极,这样增加了光注入,也减小了前表面的复合,这样可以可能得到更高的电池效率。如图2所示。从图中可以看出,这种电池前表面使用非晶硅及钝化膜起到减反射和钝化的作用,非晶硅膜也是一种很好的钝化膜。而在背表面使用PECVD技术制备插指状间隔分布的非晶硅p型区和n型区。这种电池在2007年由意大利的ENEA最先提出,当时的效率虽然只有11%,但是这种概念得到了业内人士的普遍认可,于是开始密集的研究,表2给出了近几年的各个研究机构及公司的效率表,其效率提升得很快。最终在2014年Panosonic公司报导了这种电池创造了新的世界纪录:25.6%。




非晶硅/晶体硅异质结电池实际上突破了晶体硅单结电池在理论上的一个瓶颈,使得开压突破单晶硅电池的理论瓶颈,因此有可能突破依据晶体硅带隙宽度推算出来的理论效率(30%)。而去掉前表面电极的技术方案是使电流最大化的最佳方案。这两种技术的结合或许可以达到晶体硅电池的最高效率。目前已经达到25.6%的效率或许还会提高,而且值得高度注意的是这样的高效率是在大面积(143.7cm2)标准商用n型Cz硅片上取得的,因此具有转化成大规模生产的可能性。

纵观当前整个晶体硅太阳电池的整体技术路线,高效率电池主要集中在n型硅片的电池上,而且其结构主要是HJ、IBC以及HBC三种。前两种电池已经实现的产业化,第三种电池还处于开发阶段,预计在不久的将来也会实现产业化。在大规模产业化的过程中,除了克服各种技术难题之外,很重要的是还要实现设备、原材料、制备工艺的低成本化,这其中包括:可以相互替代的多种制备非晶硅膜及ITO膜的设备、低温银浆料、溅射靶材、清洗剂的可替换性。由于HJ类电池双面都使用银浆作为电极材料,因此采用低成本金属替代银材料成为一个重要的研究方向,目前有使用铜作为电极浆料,以及使用铜丝代替电极的所谓SmartWire技术。实际上在非晶硅电池领域,已经有使用铜丝作为导电电极的工艺,或许将这种技术引入HJ电池,将会大规模降低电池成本。

而常规p 型太阳电池目前主要的优势是其极低的制造成本,尽管背钝化技术可以提高该种电池的效率,但是不能以过度提高产品成本为代价。基于这样的考虑,目前重点在开发背钝化膜的制备技术,包括各种ALD设备及PECVD设备,除了制备Al2O3膜外,也在考虑SiON薄膜对于p型硅的钝化特性。当制备p型重掺层钝化技术形成规模量产之后,对于n型电池大规模产业化的表面钝化也会带来促进作用。

P型常规电池在背钝化技术引入量产之后,也面临着使用低成本金属代替银电极材料的任务。总的来看,目前光伏电池中银电极材料的使用量会限制光伏产业的大规模发展,是不可持续的。不论哪种技术,都必须找到替代银电极材料的方案。

当p型PERC电池大规模量产后,p型电池已经接近其瓶颈,将会出现n型电池对p型电池大规模替换。

因此,我们对于中国的光伏产业可以进行如下的预测:目前已经建成的约2000条p型电池生产线,大约50GW的产能,其中有一部因设备老旧和管理不善而报废,而大部分生产线将会在未来几年内进行升级改造,形成几十GW的PERC电池产能。投资人已经不大有兴趣进一步增加新的PERC电池的产能。光伏制造业的投资将会主要在n型高效电池之上。具国际半导体学会预测,到2020年,n型电池将占据整个太阳电池市场中份额的30%以上。

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