高效太陽能電池的明星:PERC

作者: | 發布日期: 2018 年 06 月 28 日 14:15 | 分類: 新能源知識

經過近20年的發展,常規硅材料太陽能電池在硅材料質量、輔材以及工藝方面都獲得了持續的提升,目前業內主流光電轉換效率平均水平,普通單晶約20.1%,普通多晶18.7%-19.1%。單晶PERC電池21.3-21.8%。

不過,這還與世界最高紀錄相差很大——2017年日本KANEKA公司的Yoshikawa等人以一種基于叉指背接觸(IBC)技術和異質結鈍化技術(HIT)的新型叉指背接觸異質晶硅太陽能單晶電池(HBC)實現了26.6%的光轉化效率;弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(ISE)使用等離子表面制絨技術以及隧道氧化層鈍化接觸(TOPCon)技術,實現多晶轉換效率達22.3%。

上述世界效率紀錄的實現,都使用區別于常規晶體硅電池制造技術的技術,總結下來,提高晶體硅太陽能電池轉換效率主要有以下三個方向:

(1)提高光學利用率
優化電池片表面陷光結構以及減反射膜,減少正面金屬遮擋,甚至轉移至背面形成IBC結構來減少入射光的損失;背面進行平整化處理,增加背反射層將透射光重新反射入硅片表面形成二次反射從而增加光學吸收;設計雙面電池結構,增加背面入射光,實現更大的光學吸收利用;
(2)減少內部損失
內部損失包括光生載流子的復合損失以及二極管結構的串并聯損失。可以通過使用高質量的硅材料(低缺陷,高少子壽命)來減少體內的復合,同時采用高質量的表面鈍化技術(鈍化技術包括飽和懸掛鍵和缺陷的化學鈍化以及聚集正/負電荷形成的場效應鈍化,見圖1)來減少電池體內以及表面的復合。配合優化的擴散工藝,結合先進的SE工藝以及金屬化工藝來降低接觸電阻和柵線電阻,增大并聯電阻,減少電流的損耗;


圖1. 晶體硅太陽電池的鈍化技術(圖片來源Taiyang News 2017)

(3)提高內建電場強度
通過匹配不同禁帶寬度的材料,制造異質結電池,提高內建電場強度,提升開路電壓、拓展光譜響應范圍,實現晶體硅太陽電池的效率提升。

圖2. 針對性的高效路線(照片來源網絡)

對應地,現階段電池的提高電池轉換效率也有三條主線組成,如圖2:
(1)金屬電極優化,提高入射光的利用率,可制備IBC、MWT等電池;
(2)高質量的硅材料,結合背面鈍化來降低背面復合速率,以及雙面技術的引入,可制備PERC、PERT、PERL電池;
(3)通過異質結結構,提高內建電場,如HIT、HJT以及HBC電池等。同時,還可搭配雙面技術及高質量N型硅片,進一步提升電池效率。

PERC(Passivated Emitter Rear Cell)電池是目前技術最成熟、升級最簡單、成本最低的技術升級方案,得到了國內外各大電池廠家的青睞。

PERC電池結構和常規電池結構的差異如圖3所示。

圖3. 常規電池和PERC電池的對比 (照片來源Taiyang News 2017)

從結構圖中可以看到,PERC電池只是在常規電池的基礎上對背面進行鈍化并形成背面局部接觸,根據電池工藝流程,只需在原有常規工藝的基礎上增加背面鈍化工藝以及背面開窗工藝即可,如圖4所示。

圖4. PERC電池生產工藝流程(圖片來源Taiyang News 2017)

對于PERC電池背面鈍化膜的選擇,主要有氧化硅(SiOx)——1999年趙建華博士、王艾華博士通過背面采用氧化硅鈍化實現了25.0%的效率;氮氧化硅(SiONx)——早期Solar Word以及現在的愛旭、潤陽等;氧化鋁(AlOx)——現在主流廠家都采用氧化鋁和氮化硅疊層膜的背鈍化膜結構。

氧化鋁和氮化硅疊層膜疊層結構作為P型PERC背面鈍化膜的優勢,主要體現在三個方面。

氧化鋁具有較高的固定負電荷密度Q>10E13/cm3,可以得到優異的場鈍化效果;氮化硅膜富含氫原子,可以在熱處理過程中對表面和體內的缺陷進行化學鈍化;氧化鋁薄膜帶隙6.4eV,折射率1.65左右,可以提供較好的背面光學反射功能。

氧化鋁的厚度根據沉積方式的不同,厚度也不一樣,一般分為PECVD模式(主要廠家是Meyer Burger,Centrotherm和國內某司)控制在20-25nm,ALD模式(主要廠家有Solay Tec、Levitech、NCD、Ideal Energy、Lead Micro等)控制在3-9nm。厚度的不同導致使用關鍵化學品TMA耗量的不同,如圖5所示。

同時為了避免后續金屬化燒結過程鋁漿對鈍化膜的破壞,再要額外沉積一層100-150nm厚度的氮化硅,一方面可以保護氧化鋁鈍化膜,另外還可以提升背面減反效果。

圖5. PECVD和ALD不同模式TMA的耗量(數據來源Taiyang News 2017)

PERC電池制作另一關鍵工序是激光開窗,通過激光熱熔方法把背面需要形成鋁硅合金接觸的區域上面的氧化鋁和氮化硅疊層膜熱熔掉,然后在金屬化燒結過程中讓鋁漿和此區域的硅形成鋁硅合金的接觸。

根據激光種類的劃分,分為納米激光和皮秒激光兩種,供應商主要有Innolas、Rofin、3D-Micromac、臺灣友晁、武漢帝爾等。

PERC電池的光衰,之前一直是困擾電池生產廠家和客戶的問題,但通過業內的不斷研究和突破,目前找到了兩種方式來控制光衰達到了可接受范圍。

其一是降低或避免B-O對的出現,如使用摻鎵硅片、控制硅片內的氧含量;其二是對電池片通過在一定溫度下進行光、電注入,使B-O對中性化不會吸附產生的少數載流子,從而減少光衰,設備廠家有Centrotherm、科隆威、Schmid、時創等。

隨著市場端對高功率的需要不斷擴大,PERC電池各工序配套設備、輔料供應商和硅片質量的不斷提升,以及電池和組件工藝的不斷進步,PERC電池成為各大電池廠家產線升級和擴產新線的首選,實驗室最高效率不斷創出新高。

2018年5月,晶科能源高效p型單晶電池經過中科院太陽光伏發電系統檢測中心的測試認證,轉換效率達到23.95%,主要應用技術是低電阻率高少子壽命的單晶硅片,正面RIE以及多層減反工藝、SE工藝、氧化技術以及背面鈍化工藝。

2017年10月,晶科能源高效P型多晶電池經過德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所下屬的檢測實驗室驗證,轉換效率達到了22.04%,主要應用技術是高質量工業級硼摻雜多晶硅片,使用高質量的陷光、鈍化技術及抗光衰等先進技術。

最高效率記錄得到不斷刷新代表了中國光伏制造企業的產品工業化不斷實現突破,越來越接近國際實驗室效率,目前PERC電池行業內的平均效率在21.3%-21.8%左右,蘇州騰暉光伏技術有限公司作為“全球光伏企業20強”“中國光伏企業20強”的企業,PERC電池現近有400MW的產能,產品經過不斷的研發和升級,現在大批量出貨的單晶PERC電池平均效率達到21.65%左右,處于行業內領先地位。量產化的單晶PERC電池經過第三方認證效率達到22.31%,組件效率達到18.9%;而多晶PERC電池經過第三方認證效率達到21.01%,組件效率同樣達到18.9%。

圖6. PERC電池市場份額和效率的預測

2018 ITRPV的報告(見圖6)預測,PERC電池市場份額在2020年以后將超過50%(實際上估計占比到85%以上),占據主要地位;PERC電池的效率將在2020年后在24%左右(這可能會與目前央企、很多企業瘋狂投資的HIT電池項目形成強烈競爭),效率的提升這無疑將進一步降低光伏產品應用的成本。

隨著PERC電池技術的不斷發展成熟,PERC電池最高效率第三方測試得到的最高值和理論極限已經很接近了,新結構電池量產突破需要的成本投入將是指數式提升;另外,PERC電池的衰減問題隨著效率的提升也更加突出,雖然通過光、電注入可以緩解B-O對導致的LID情況,但是越來越多的研究表明,單晶PERC同樣存在LeTID的衰減問題,這些在很大程度上影響了PERC電池的性價比。展望未來,后PERC時代晶體硅電池的高效之路如何得到進一步突破呢?從上文提到的三條路線中就可以看出,從電池制造工藝角度來講改善光學吸收的IBC電池、改善鈍化效果降低電極復合的TOPCon電池、提升鈍化效果降低表面復合的HJT電池,新一代的PREC電池(PERC 2.0)都是未來高效之路上的代表。這些具有里程碑式的以及至今還未實現規模化量產的高效方案都在新能源光伏的平價上網道路上起到了關鍵的促進作用。

作者:倪志春

來源:太陽能發電網

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