高效晶硅太陽能電池結構與PERC電池工藝路線論壇

1、高效晶硅太陽能電池結構與 PERC 電池工藝路線論壇下圖是太陽能電池在過去 60 年的效率發(fā)展歷程。 晶體硅太陽電池的研究是由空間太陽電池的應用所帶動起 來的，上個世紀四五十年代，晶體硅電池的效率發(fā)展比較緩 慢，到 1955 年前后才突破 10% ，應用了淺結技術之后效率 接近 15% 。1960-1980 年間，效率提升較慢。從 1985 年開 始，以澳大利亞新南威爾士大學為代表的科研團隊開始各種 技術研發(fā)的競爭，快速地推動了轉換效率的提升。 下面對 各個電池結構進行分析：結構 1： PESC 發(fā)射極表面鈍化電 池結構。主要是使用薄層 SiO2 鈍化發(fā)射極表面。最大限度 地減少發(fā)射極表面載流

2、子復合中心，提高光生載流子的傳輸 距離，從而提高電池的轉換效率。目前使用 SiO2 做 PESC 結構的廠商不多，個人了解到的是一些臺灣廠商還有這種工 藝。這是因為，目前普遍使用的 SiNx 減反膜本身就有比較 好的鈍化效果，再使用 SiO2 做鈍化層，雖然具有一定的效 果，但作用還是有限的。此外，在工藝控制上，額外的鈍化 層對生產(chǎn)過程的潔凈度要求更高。 如果工藝控制不佳， SiO2 成膜后其表面會出現(xiàn)黑點， SiNx 鍍膜后變成白點， 造成電池 外觀不良，從而大幅降低良品率。結構 2： PERC 鈍化的發(fā)射級和背面電池結構。在對發(fā)射極 進行鈍化的基礎上，通過背面鈍化來更進一步提升效率。在 晶

3、硅電池研究中，影響電池效率的工藝因素太多，我們一般 從開路電壓來判斷一種電池結構是否具有潛力。電池背面全 部用 SiO2 鈍化，可以實現(xiàn) 700mV 的開壓。 但是背面全部鈍 化，鋁背場和 Si 襯底的接觸問題就難以處理。 要實現(xiàn)良好的 接觸，進入必須與 Si 襯底實現(xiàn)有效的金半接觸， 必然會破壞 鈍化層， 從而失去鈍化效果。 所以 PERC 電池的背面結構必 須設計成局部接觸的形式。 所以整個 PERC 結構的設計核心， 就在于背面的圖形結構的設計。 1990 年 PERC 電池的轉換 效率達到 23% 。結構 3：PERL 鈍化正面的發(fā)生級， 背面是局部擴散的結構。 在 PERC 電池基礎

4、上，為了能夠進一步降低 PERC 電池背 面金半接觸電阻電阻，從而提高電池效率，研究者開始考慮 對背面接觸區(qū)域進行局部擴散， 從而產(chǎn)生了 PERL 電池結構。 PERL 電池開壓優(yōu)勢明顯，很快就超越了 PERC 電池，通過 不斷優(yōu)化，其轉換效率達到了 24.7% ，后來世界權威的測試 機構 Sandia 又將這個數(shù)據(jù)值修正為 25% ，從而長期占據(jù)了 晶體硅電池的世界轉換效率記錄。結構 4 ：PERT 電池結構與 PERL 結構只有一個區(qū)別， PERL 是背面局部擴散，而 PERT 是背面全擴散。 PERT 結構在 P 型電池上與 PERC 、 PERL 相比沒有太多優(yōu)勢， PERT 的優(yōu) 勢

5、在于做 N 型電池。 結構 5： MWT 結構：電池正面沒有 Busbar ，組件封裝時電極焊接全在背面。嚴格地來說 MWT 不屬于一種電池結構設計，而屬于金屬電極設計。 MWT 將 正面的 Busbar 去掉，減少了遮光面積， 提高了光線利用率。 制造工藝上，在電池打孔，金屬電極穿孔而過從背面接到負 電級。 MWT 電池的焊接與常規(guī)電池完全不同，對組件生產(chǎn) 線需要進行較大的改造。同時對電池制造工藝的要求也很高。 用激光打孔，硅片會有應力產(chǎn)生，隱裂的風險大幅增加。漿 料通過孔洞穿越至背面， 其與 P 型界面接觸造成短路的風險 也大幅提高，電池漏電比例會大幅增加。不過 MWT 電池， 在電池結構

6、不變的前提下能夠有效提高轉換效率，這個是它 最根本的優(yōu)勢。結構 6 ：IBC 電池正面沒有電極， 電極和 PN 結都是在背面。 正面結構與常規(guī)電池類似，有絨面，有鈍化層，有減反層； 其背面 N 型層與 P 型層相互交替，在 N/P 界面上形成 PN 結。電極從 N 型與 P 型上分別導出， 整個電池正面沒有任何 電極和 Busbar ，焊接從背面進行。 IBC 電池， 背面焊接技術 與傳統(tǒng)的不一樣，電池技術也很復雜，已知阿特斯與天合在 做。主要有掩膜法與離子注入法，工藝要求都比較高，成本 也高。 IBC 電池的成本比 PERC 電池還要高不少， 但是由于 光線的利用率高很多，轉換效率上也很有優(yōu)

7、勢。結構 7： HIT ：技術是三洋公司的，在 N 型硅片襯底上先做 一層本征非晶 Si ，再在本征層上做 P 型或者 N 型非晶硅。所以，HIT電池是一種利用薄膜工藝技術， 制作的N型電池， 其開壓可以到 725mv ，效率在 23% 以上。有很多中國公司 也在研究三洋的 HIT 技術，但效率一致不太好，后來發(fā)現(xiàn)在 襯底上做一層超薄的 SiO2 過渡層電池效率可以明顯地提高。 由于三洋的 HIT 技術專利已經(jīng)到期，三洋公司也被收購，國 內(nèi)就把這種改進的 HIT 電池結構稱作 HJT 電池。三洋公司的 HIT 結構并未說明是否在襯底上做過 SiO2 ，或許該工藝本身 就存在氧化硅。但是襯底上做

8、這種超薄 SiO2 ，實現(xiàn)起來不 難，但做到均勻、可靠就比較困難了，這最終會導致成品率 的問題。HIT電池制造工藝，對設備和過程控制要求很嚴格， 而且制造過程中大量使用半導體清洗液，其運營成本也相當 高。 2014 年，松下收購三洋后，在 HIT 電池的技術上研發(fā) 的新產(chǎn)品打破了 25% 的世界紀錄。結構 8：HIT-IBC 是一種背接觸技術和異質結耦合電池結構。 該結構在 N 型硅片襯底的背面做了一層非晶的本征層， 然后 在本征層上交叉地做非晶 P 型層和 N 型層，在 N/P 層的界 面上形成 PN 結，分別從 N 型層和 P 型層引出電極。 而電池 的正面使用絨面和減反膜減反，并用鈍化層

9、鈍化，正面沒有 任何電極和 Busbar 。通過這種電池結構， 2014 松下創(chuàng)造了 25.57% 的世界記錄。日本公司偏向于去 AIST 檢測（日本產(chǎn) 業(yè)技術綜合研究所， 產(chǎn)總研），而歐洲美國很少用 AIST 測試。 國內(nèi)的公司如果希望進入日本市場， AIST 提供的測試數(shù)據(jù) 會更讓日本客戶信服。關于 PERC 工藝路線可以分為兩種：一種是常在實驗室 使用的所謂強化版路線， 相比普通電池技術， 多了背面拋光、 表面熱氧化、 背面的介質層生長、 背面的接觸區(qū)域層圖形化。 大規(guī)模生產(chǎn)中，采用簡化版工藝路線居多，主要是減掉了熱 氧化層的步驟。熱氧化法是 SiO2 表面鈍化最佳方法，其余 的 SiO

10、2 生長方案效果都不理想。但由于熱氧化工藝成本較 高，且外觀問題不易解決，所以應用不多。 PERC 電池規(guī)模 化生產(chǎn)中，設備供應商都有配合提供工藝設計方案。設備選 型，一方面是選擇設備成熟度， 另外一方面就是工藝成熟度。 PERC 電池的核心，就是背面的鈍化層（介質層） 。鈍化層 主要是SiO2、AIOx。SiO2的缺點在于其抗腐蝕性很差，只 能用熱氧化法生長， 成本難以下降。 目前， AlOx 的應用更為 廣泛。 AIOx 的生長方案主要有 PECVD 、 PVD 、 LPECVD 、 ALD 等等。我們曾將市場上的所有的 AIOx 生長技術方案進 行了對比分析，用不同的成膜工藝制作了壽命樣

11、片，通過對 比壽命樣片的少子壽命來分析各種成膜技術的潛力。最終發(fā) 現(xiàn)， ALD 技術的少子壽命指標明顯由于比其他技術方案， 排名第二位的是 PECVD 技術。 ALD 是一種原子層沉積技術， 最大的優(yōu)勢是成膜效果均勻穩(wěn)定。針對硅表面高低起伏臺階， ALD 技術可以在各個位置都保持均勻的成膜厚度和質量。 梅耶博格的設備采用的是 PECVD 氧化鋁成膜技術，優(yōu)勢在 于集成度很好，無論是新的設備還是改造舊設備，都可以把 氧化鋁與背面的氮化硅層合二為一，一次工藝路線全部成型。 梅耶博格設備的缺點，首先 PECVD 技術做氧化鋁，工藝性 能與 ALD 有差距， 只不過電池上的差距不會特別明顯， 兩種 方

12、案基本是 0.3% 左右效率差距（因為是小批量制作，所以 不能排除差異是否是由其他階段工藝導致） 。采用梅耶博格 設備目前效率可達 20.6% 。此外， PECVD 技術生長 AlOx ， 其化學品 TMA 的耗量相當高， 只不過目前 TMA 已實現(xiàn)國產(chǎn) 化，成本還在可接受的范圍之內(nèi)。另外，就是 PECVD 的粉 塵：機器腔體較大，會有 AlOx 粉末充斥在腔體里，很難清 潔。IDEAL ENERGY 應該是目前最成熟的國產(chǎn) ALD 設備解決方 案供應商。該款設備首先是板式的承載方式，生產(chǎn)兼容性和 上下料自動化程度高； 其次使用了 ALD 技術， 能夠在板式大 腔體工藝路線上實現(xiàn)原子層沉積，這

13、些優(yōu)勢導致其前景樂觀。 該款設備問題在于：集成度還需要提高，目前只有一個 ALD 成膜方案，沒有與背面氮化硅方案集成在一起。后續(xù)期待該 公司的新產(chǎn)品。中電的設備： 中電做 PERC 電池較早， 目前設備是當初的實 驗性機臺， 但在設計之初就預留了量產(chǎn)化改造的窗口。 目前， 中電研發(fā)團隊正完全依靠自身力量進行設備改造和升級。該 設備采用原子層沉積技術，配備多種氣體源管路，適用不同 鈍化膜的工藝研究。目前，可以做到 20.8% 的轉換效率，后續(xù)改造完成后，還有進一步提高的空間。 群友問答： 1、單 多晶的前景如何？目前業(yè)內(nèi)的中電是做單多晶還是只做單 晶？關于單多晶前景：從技術角度初出發(fā)，我支持單晶

14、。多 晶的晶界是不確定因素，這種不確定因素導致多晶電池效率 分布范圍和效率波動比單晶電池更大。在高效電池方面，例 如 PERC 電池結構， 可以在多晶襯底上實現(xiàn) 19.2% 的轉換效 率。但是，由于高效電池對襯底品質的要求更高， 多晶 PERC 的效率分布離散型會更大。電池結構越好，對于襯底要求越 高，對于單晶多晶， 本身沒有好壞， 但是對于高效電池技術， 需要穩(wěn)定可靠的襯底，這方面單晶有優(yōu)勢。2、什么樣的電池結構比較適合未來應用與發(fā)展？能夠滿足光伏行業(yè)需求 的結構，才能適應未來的發(fā)展。光伏行業(yè)的根本需求是什么？ 是快速提高轉換效率，同時降低制造成本，縮小光電與火電 的差距，實現(xiàn)平價上網(wǎng)。我們

15、知道，制造業(yè)的成本下降，除 了技術工藝本身優(yōu)勢之外，就是要依靠生產(chǎn)制造的規(guī)模效應 實現(xiàn)成本降低。假設有一種技術，可以大幅提升電池效率， 但是與現(xiàn)有規(guī)?；a(chǎn)技術不兼容，要求將現(xiàn)有產(chǎn)線全部推 翻，那么這種技術是否適合光伏行業(yè)？個人認為不適合，因 為電池廠不敢貿(mào)然使用，只有新興工廠敢嘗試，但一兩家新 興工廠又如何能夠快速形成規(guī)模效應？因此，能夠兼容現(xiàn)有 產(chǎn)線，能夠大幅提高效率，能夠快速工業(yè)化復制，實現(xiàn)大規(guī) 模生產(chǎn)的技術才是適合現(xiàn)階段形勢的。 PERC 之所以受歡迎，就是因為它不用推翻現(xiàn)有產(chǎn)線，就能夠大幅提升效率。在 PERC 電池之后， PERL 技術將成為技術優(yōu)化的熱點，因為 他只在 PERC

16、工藝基礎上增加了一步， 只要有好的解決方案 設備路線，后續(xù)市場也很廣闊。3、LID 的問題： PERC 電池的光衰已經(jīng)從 4%降到 2% 左右，但普通電池的光衰只有 1.5% 左右，因而影響 PERC 應用的一個重要因素就是光衰。 新南威爾士大學和中電合作解決 LID 問題，已經(jīng)對其基本原 理已經(jīng)有了比較深入的了解。目前，在行業(yè)內(nèi)主流的技術方 案是光照 + 熱處理， Despatch 、CT 等都有類似設備提供。 其 基本原理就是將缺陷從襯底的體內(nèi)激發(fā)出來，激發(fā)出來后， 利用在介質層中的殘留氫原子來鈍化缺陷，達到修復目的。 題外篇：單多晶之爭 最近很多人和我討論單多晶問題。 從技術角度出發(fā)，

17、單多晶技術， 只在拉晶 /鑄錠上有較大差別。 電池、組件、系統(tǒng)上的技術方案基本上是通用的。有人提到 RIE 技術能夠有效提升多晶電池效率，還能結合金剛線工藝 降本。實際上，在單晶上也能用，只是單晶絨面的減反射功 能已經(jīng)足夠好， RIE 的作用無法體現(xiàn)。對于多晶，雖然 RIE 可以大幅減反， 提高效率， 但其效果主要在藍光近紫外部分， 做成組件后，玻璃和 EVA 的吸收又使得這一效果沒有那么 明顯。未來，低成本石英玻璃和高透 EVA 或許可以解決這 一問題，但這對單晶也一樣。多晶是為了滿足低成本的需求 開發(fā)的， 本身也在不斷優(yōu)化。 有段時間， “類單晶”火了一下，用鑄錠法生長類似單晶的硅片。但這

18、種技術后來退出了主流， 因為有嚴重的品質分化問題。后來，先后有兩組團隊給我宣 講過他們的多晶硅片技術，一個是讓多晶硅片的晶粒盡量長 得更大，可以理解為“類單晶”的弱化版；另一個是讓晶粒長 得更小，但取向更為一致。后來，取向一致的小晶粒方案成 為主流。取向一致的晶粒，其晶界位錯會更小些，有利于減 少復核；大晶粒方案也無法避免品質分化，無法保障產(chǎn)品質 量穩(wěn)定，這是最致命的。有一年，公司高管批評我們研發(fā)團 隊只會做單晶不會做多晶。于是，我們花了相當大的力氣在 多晶工藝的優(yōu)化和技術研發(fā)，但這個工作不好做。因為各家 的片源質量不同，同一家片源不同批次的質量也不同。同一 個技術方案和工藝參數(shù)，無法得出準確可靠的結論。那個時 候，我們養(yǎng)成了留片子的 * 慣，一遇到質量好品質穩(wěn)定的硅 片，先凍結起來，留著做產(chǎn)品開發(fā)、技術實驗和工藝驗證。 硅片、電池，都只是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個組成。對于光伏系 統(tǒng)而言， 最重要的是可靠性， 而可靠性需要用一致性來保證。 硅片端的不一致性，會通過電池、組件兩個制造環(huán)節(jié)放大， 最后體現(xiàn)到系統(tǒng)端。最近幾年光伏電站雖然是以多晶為主流， 但已經(jīng)有越來越多的人發(fā)現(xiàn)，在弱光效應、溫度效應、以及 可靠性上