在降本增效大趨勢(shì)下，發(fā)展高效率電池成為了行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。在演講中，曾祥斌教授為現(xiàn)場(chǎng)觀眾分析闡述了幾種常見的高效率晶體硅太陽(yáng)能電池，包括IBC電池、HIT電池、PERL電池。
一、IBC電池
IBC電池(全背電極接觸晶硅光伏電池)是將正負(fù)兩極金屬接觸均移到電池片背面的技術(shù)，使面朝太陽(yáng)的電池片正面呈全黑色，完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線。這不僅為使用者帶來(lái)更多有效發(fā)電面積，也有利于提升發(fā)電效率，外觀上也更加美觀
1.工藝及特點(diǎn)
從工藝制程來(lái)看，IBC電池的工藝流程比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池復(fù)雜很多。IBC的關(guān)鍵工藝在于在電池背面形成交叉排列的p+區(qū)和n+區(qū)，以及在上面形成金屬化接觸。因此，IBC電池的制作需要采取局部摻雜法，比如利用光刻或者激光形成所需要的圖案，然后采取兩步單獨(dú)的擴(kuò)散過(guò)程來(lái)形成p型區(qū)和n型區(qū)。第二個(gè)關(guān)鍵工藝在于絲網(wǎng)印刷的對(duì)準(zhǔn)精度問(wèn)題和印刷重復(fù)性問(wèn)題，因此對(duì)電池背面圖案和柵線的設(shè)計(jì)要求非常高，必須在工藝可靠性和電池效率之間找出平衡點(diǎn)。
目前，Sunpower研發(fā)的第三代IBC電池最高效率已經(jīng)達(dá)到25%。應(yīng)用層選擇性激光工藝來(lái)制造POLO-IBC電池，功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到26.1%，這是P型晶體硅太陽(yáng)能電池的世界紀(jì)錄效率。
2.產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)
IBC電池P-N結(jié)和電極全部在背面，完全消除了前表面柵線的遮光，量產(chǎn)平均效率可達(dá)23%。但I(xiàn)BC電池對(duì)硅片質(zhì)量要求高，且制程相對(duì)復(fù)雜，因此成本高昂。使用工業(yè)化技術(shù)例如絲網(wǎng)印刷、管式擴(kuò)散或離子注入來(lái)降低IBC電池成本。
IBC電池成本是普通電池成本的2倍左右，這制約了IBC電池的大規(guī)模應(yīng)用。隨著中國(guó)一線光伏制造商的進(jìn)入，以及新型工藝和新型材料的開發(fā)，IBC電池將沿著提高電池轉(zhuǎn)換效率，降低電池制造成本的方向繼續(xù)向前發(fā)展。IBC太陽(yáng)電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣，有著廣泛的前景。
產(chǎn)能產(chǎn)量方面，國(guó)家電投集團(tuán)太陽(yáng)能電力有限公司西寧公司200兆瓦N型IBC電池及組件項(xiàng)目為中國(guó)首條量產(chǎn)規(guī)模IBC電池及組件生產(chǎn)線，2020年初投產(chǎn)后，將成為國(guó)內(nèi)第一條電池轉(zhuǎn)換效率大于23%的IBC量產(chǎn)示范線，組件功率達(dá)到330瓦(60片)。
二、HIT電池
異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽(yáng)能電池是日本三洋公司1997年推出的一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)和制造方法。
1.優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)
相較于傳統(tǒng)單晶硅太陽(yáng)能電池，其具有的優(yōu)點(diǎn)如下：
1.無(wú)需高溫爐管制備，可降低生產(chǎn)耗能并縮短制備時(shí)間;
2.借助非晶硅材料的高帶隙性，可有效增加短波長(zhǎng)光的利用;
3.與傳統(tǒng)單晶硅太陽(yáng)能電池相比，其具有較高的轉(zhuǎn)換效率;
4.溫度穩(wěn)定性好。
質(zhì)結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)在于超高電池轉(zhuǎn)換效率，低制程溫度以及可向薄型化發(fā)展。但是，由于設(shè)備初期投資高以及對(duì)制程工藝要求嚴(yán)格，大部分廠商對(duì)此技術(shù)仍在觀望階段。
效率發(fā)展及技術(shù)趨勢(shì)
異質(zhì)結(jié)電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、簡(jiǎn)單的低溫制造工藝、薄硅片應(yīng)用、溫度系數(shù)和CTM低、可雙面發(fā)電等一系列優(yōu)勢(shì)。異質(zhì)結(jié)電池實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學(xué)品等成本。日本松下、上澎、晉能、福建金石和中智電力等已實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)。2018年，通威、愛(ài)康、彩虹等企業(yè)紛紛開建異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)能，且均規(guī)劃了GW級(jí)產(chǎn)能布局，熱度可見一斑。
在異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及組件的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域，日本松下可謂一枝獨(dú)秀，是目前市場(chǎng)上主流的異質(zhì)結(jié)電池和組件供應(yīng)商。該HIT技術(shù)(HIT為松下為其異質(zhì)結(jié)技術(shù)注冊(cè)的商標(biāo))起源于松下收購(gòu)的三洋電機(jī)，隨后松下通過(guò)反復(fù)改良電池結(jié)構(gòu)，在2014年將IBC技術(shù)與HIT技術(shù)結(jié)合，研發(fā)出的HIT-IBC太陽(yáng)電池最高效率達(dá)25.6%，一舉打破了當(dāng)時(shí)晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。
HIT電池雖然效率已達(dá)26%，成本也在逐漸降低，但發(fā)電成本仍然遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的發(fā)電成本。為了滿足國(guó)民生產(chǎn)對(duì)太陽(yáng)能電池組件的需求，在以后的研究中，一方面應(yīng)大力開發(fā)新技術(shù)在保證電池轉(zhuǎn)換效率的前提下降低HIT電池的厚度;另一方面要用廉價(jià)材料代替昂貴的單晶硅材料來(lái)降低成本，如多晶硅。同時(shí)也可以通過(guò)開發(fā)新技術(shù)來(lái)降低單晶硅的生產(chǎn)成本。
HIT電池今后努力的方向：研制低電阻低溫漿料，優(yōu)化沉積工藝，改善鈍化層性能，尋求光透過(guò)率高及導(dǎo)電性好的發(fā)射層取代材料等。同時(shí)，精簡(jiǎn)工藝流程，嘗試新型組件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低大面積制備成本，才能真正實(shí)現(xiàn)HIT異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化。
產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)
在高效異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化方面，目前中智電力已在江蘇泰興建成首期兩條高效異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池生產(chǎn)線并投入量產(chǎn)，年產(chǎn)能160MW，平均轉(zhuǎn)換效率已達(dá)22.8%，最高效率已超過(guò)23.5%，預(yù)計(jì)2018年底異質(zhì)結(jié)平均轉(zhuǎn)換效率將達(dá)23%。60片異質(zhì)結(jié)電池雙面雙玻組件平均功率達(dá)325W，最高功率達(dá)到335W。
此外，2018年5月，通威太陽(yáng)能、上海微系統(tǒng)所、三峽資本在成都正式簽訂硅基異質(zhì)結(jié)SHJ太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略合作協(xié)議。三方共同建設(shè)SHJ太陽(yáng)能高效電池中試線和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營(yíng)，量產(chǎn)化SHJ太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率將超過(guò)23%。五年后計(jì)劃將實(shí)現(xiàn)超過(guò)10GW的SHJ太陽(yáng)能電池技術(shù)的規(guī)模化、商業(yè)化、低成本化的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。
異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池現(xiàn)階段生產(chǎn)成本仍偏高。但隨著更多企業(yè)的加入，以及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、硅片減薄、低溫銀漿用量的降低等，異質(zhì)結(jié)電池的成本有望得到大幅降低，異質(zhì)結(jié)技術(shù)路線將取得長(zhǎng)足發(fā)展!
三、PERL電池
PERL(鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。1990年，新南威爾士大學(xué)的在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池。2001年，PERL電池效率達(dá)到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。
效率發(fā)展及技術(shù)趨勢(shì)
N型PERT雙面電池在近兩年開始備受矚目，其電池的特點(diǎn)是可以雙面吸收入射光線，從而提升電池和組件的最終發(fā)電量。在目前技術(shù)階段，N型雙面電池的正面效率約為21.5%，背面效率約為19%。封裝成雙玻組件以后，如果假設(shè)背面可以吸光20%，那么組件的最終輸出功率可以達(dá)到350W，然而行業(yè)內(nèi)對(duì)雙面電池和組件還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
在工藝制程方面，N型PERT電池比傳統(tǒng)P型電池增加了硼元素?fù)诫s(通過(guò)擴(kuò)散diffusion或者APCVD工藝)和雙面漿料印刷等工藝。由于N型PERT電池技術(shù)不需要使用激光工藝，因此制作工藝并不會(huì)對(duì)硅片造成額外晶體傷害。此外，N型電池具備零光致衰減、弱光效應(yīng)好以及組件穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。最近兩年，在N-PERT電池工藝的基礎(chǔ)上，德國(guó)弗朗霍夫研究所開發(fā)出TOPCon (隧穿氧化層鈍化接觸)技術(shù)。通過(guò)在背面制備超薄氧化硅SiO2和摻雜多晶硅薄層Poly-Si，二者共同形成了接觸鈍化結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可以極大地降低背面的表面復(fù)合和金屬?gòu)?fù)合，因此大幅度的提升N型電池的VOC和轉(zhuǎn)換效率。
PERL電池具有高效率的原因在于：
1.電池正面采用“倒金字塔”，這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，具有很低的反射率，從而提高了電池的JSC;
2. 淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻;而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應(yīng)好的要求;
3.背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散P+區(qū)。這會(huì)減少背電極的接觸電阻，又增加了硼背面場(chǎng)，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器，從而進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)化效率;
4. 雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài)，同時(shí)減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時(shí)光譜響應(yīng)也得到改善;但是這種電池的制造過(guò)程相當(dāng)繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個(gè)低成本的生產(chǎn)工藝。
產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)
N-PERT和N-PERL電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率提升潛力大，可雙面發(fā)電。英利、中來(lái)、林洋、LG等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了N型單晶雙面高效電池的量產(chǎn)。2018年9月底，在比利時(shí)布魯塞爾舉行的EU PVSEC大會(huì)上，Imec宣布，最新一代大面積單面絲網(wǎng)印刷背面發(fā)射極nPERT電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了23.03%，已經(jīng)通過(guò)弗勞恩霍夫ISE研究所認(rèn)證。
Imec表示，預(yù)計(jì)今年年底，nPERT技術(shù)的效率會(huì)達(dá)到23.5%，這種技術(shù)清晰的路線圖指向的最終效率超過(guò)了24%。
PERT/PERL電池由于比較大的效率提升潛力，相對(duì)比較簡(jiǎn)單的電池結(jié)構(gòu)，且與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)比較好的兼容性，成為近些年行業(yè)研究的熱點(diǎn)，不同國(guó)家不同機(jī)構(gòu)的研究人員開展了大量富有成效的工作。
中國(guó)英利公司與ECN合作開發(fā)的PANDA雙面電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，并充分利用了原有電池線的生產(chǎn)設(shè)備;韓國(guó)LG公司利用離子注入工藝和絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的電池效率達(dá)到21.5——22%，是比較高的量產(chǎn)效率。
需要特別指出的是德國(guó)Fraunhofer利用Topcon技術(shù)制備的n-PERT電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)25.1%，是非常值得產(chǎn)業(yè)界期待的技術(shù)路線。
總結(jié)
最后，經(jīng)過(guò)一系列的分析，曾祥斌認(rèn)為當(dāng)下的高效電池具備以下5大趨勢(shì)：
1.高效率電池種類很多，產(chǎn)業(yè)化前景良好的主要是硅基電池。
2.硅基電池中，發(fā)展空間大的是基于PERC(PERLPERT)系列太陽(yáng)能電池。
3.異質(zhì)結(jié)電池是效率最高的一種硅基電池，目前是電池性能記錄保持者，但市場(chǎng)空間有待進(jìn)一步擴(kuò)大。
4.N型電池越來(lái)越受到重視和發(fā)展。到2020之前，預(yù)測(cè)可實(shí)現(xiàn)低成本批產(chǎn)平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年，N型電池市場(chǎng)占有率將超過(guò)30%。
5.新技術(shù)開發(fā)和先進(jìn)技術(shù)的融合進(jìn)一步提升電池性能。HJ-IBC，TOP-contact，N型襯底的結(jié)合等。
4.N型電池越來(lái)越受到重視和發(fā)展。到2020之前，預(yù)測(cè)可實(shí)現(xiàn)低成本批產(chǎn)平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年，N型電池市場(chǎng)占有率將超過(guò)30%。
5.新技術(shù)開發(fā)和先進(jìn)技術(shù)的融合進(jìn)一步提升電池性能。HJ-IBC，TOP-contact，N型襯底的結(jié)合等。
