2010年晶体硅太阳能电池及组件制造中原材料的使用现状及未来展望

28 www.pv-tech.org引言 凭 借 国 际 太 阳 能 产 业 相 关 政 策的推动， 2010年整个太阳能光伏产业仍将保持快速增长。考虑到减少碳排放量，降低对进口能源的依赖及增加就业机会等因素，各国政府将会持续在世界范围内大力发展可再生能源。此外，出于对本国利益的考量，各国政府也会通过宣布各种利好政策，如增加税收减免额、调整上网电价补贴（ Fit ）等，来鼓励光伏产业的发展。然而，这些利好政策有时也会成为一把双刃剑，在带来大量发展机遇的同时，过高的光伏行业补贴可能导致诸多不良后果。就像 2008年的西班牙，因政府的项目补贴方案设计欠妥，从而导致项目投资人利用补贴方案的漏洞恶意套取补贴款。此外，政府还有可能高估组件的降价幅度而无法达到刺激目的；或忽视太阳能行业的下游产业链从而影响新项目的上马。重 要 的 是 ， 政 府 的 补 贴 方 案 要根据发展需要不断地进行调整。 2008年市场上原料硅的供大于求，以及紧随其后的全球经济危机，导致了多晶硅的现金交易价和合同价从历史高点急剧下跌；由于没签订长期供货协议的晶片制造商临时削减价格，因此供应链连带作用的影响下，相应组件价格也急剧下跌。此时，一些组件消耗大国政府（特别是德国）快速做出反应，及时调整补贴方案，并致力于在全球范围内寻求价格较为低廉的下游产业链供货商。鉴于西方各国仍未完全走出经济衰退的阴影，将持续施行此应急措施。太 阳 能 光 伏 产 品 能 实 现 能 量 的循环利用，具有高能效、低能耗、经济适用等特点，因而太阳能光伏产业具有深远的发展前景和重要的战略地位。光伏产业组件的经济成本受多种因素影响，其中最为重要的因素并不是本文讨论的主要内容，但如何降低光伏电池组件的成本，一直都是最近30多年里太阳能电池行业发展的一种革新推动力，并在未来 5年或更长的一段时间内，仍是光伏行业研发人员孜孜以求的目标。要在满足既定性能的条件下，不断降低生产成本，这种追求听起来很像摩尔定律，但又有微妙的区别如果没有政府的激励措施和补贴政策，太阳能行业将缺少市场需求量，从而失去发展动力。从结论上而言，市场需求是创新和降低成本的动力，而降低成本是实现能源生产经济可持续发展的必要手段。未来晶体硅太阳能电池及组件的原材料运用趋势值得注意的是，未来晶体硅（单晶硅和多晶硅）太阳能电池制造工艺流程应该是在 p型晶片的前部和后部，用 H网格进行加工处理，使晶片的前部区域有一个 n型的节点，并在后部用铝片包裹。这种工艺过程折中了提高光电转换效率和降低生产成本两个因素。未来产业的目标就是要通过改进工艺设计，进一步降低成本提高效2010 年晶体硅太阳能电池及组件制造中原材料的使用现状及未来展望 Mark Thirsk Linx Consulting LLC, Mendon MA, USA图一 Linx-AEI 晶硅技术路线图摘要 2009 年经济衰退和不断加剧的信用紧缩在给国际能源市场带来巨大挑战的同时，也提供了发展的机遇。本文旨在对在晶体硅（ c-Si ）太阳能电池及其组件制造业的主要发展趋势做出回顾和评价。晶体硅片是太阳能电池最重要的组件，与较不成熟的薄膜技术相比，工艺成熟的晶体硅光伏电池具有相对较高的转换效率，但成本较高。太阳能发电由于技术不成熟且成本昂贵，至今仍不能被称作一种经济有效的发电方式，因此它需要借助财政补贴和国家政策才能维持一定的销售量并健康发展。由于有国家政策的支持和政府补贴，一旦太阳能发电装置实现经济上的可行性，该行业将获得稳定快速的发展，同时提高强化工艺并发展商业模式，进而并逐步脱离对补贴的依赖，发展成营利性产业。此技术文章出自第七期 Photovoltaics International 杂志。29Photovoltaics International率，这也实现“首要目标”的主要方式之一。“ 在不断增加成本的前提下，旋球降低成本的可行性方案。 ”一到三年后，当太阳能生产技术能与其他技术相媲美时，晶体硅电池会得到怎样的发展呢这些电池在外观上可能会和 2010年生产的那些差不多，但在结构和制造流程中却有很大区别。Linx-AEI 公司晶体硅技术路线图高 纯 度 硅 的 高 成 本 决 定 了 其 在电池设计中的使用量越来越少。硅片的厚度既可以影响电池的效率达到优化的临界点，又可以影响工艺的物理产量，低到可以影响整个经济价值。为此， Linx-AEI （ Advanced Energy IncAEI ）公司对短期和中期内改良的晶体硅生产流程的发展进行了预测，其具体解决方案请参见图一，其中黄色区域表示最为关键的技术点。在本文接下来的章节中，我们对可能会在未来几年中应用到的某些原材料的发展做出评论。2010 年值得关注的主要原材料趋势织构化和清洗基片湿制程对太阳能电池的效率起着至关重要的作用。通过实现在硅表面进行光电转换，并改进硅表面质量，湿制程会对最终的电池功效有很大影响。超洁净处理流程、去腐蚀性化学物质和自动化操作在半导体工艺中的运用十分普遍，但其需要支付纯化学试剂、安全预防措施和废弃腐蚀剂最终处理的成本。在单晶硅片和多晶硅片的表面织构化处理中，湿蚀刻工艺不仅能形成高质量的织构表面，并且在成本控制上比较具有优势。但是，这种工艺对蚀刻条件要求较高，特别是很多蚀刻剂对恒温具有较高的依赖性，但是在冷却槽中保持温度的均匀是十分困难的。在链式过滤中，表面活性剂同样存在一个问题，因为其含量会随着过滤时间的变化而变化，而表面活性剂含量过高会堵塞过滤器。一些供应商已经为表面织构化处理引进了专用腐蚀性和酸性的蚀刻剂，以期能增加市场推动力。在随后的生产工艺中，载荷子的寿命、缺陷处的重组，以及钝化处理的质量，都会受到洁净效率的影响。洁净和蚀刻的界限是很模糊的，在电池生产过程中，除去硅片表面的薄层可减少缺陷率，削减微颗粒并减低污染，从而有利于去除薄层。其中一个附加效益就是降低表面的掺杂物浓度，从而产生更稳定的掺杂剖视图和更高的电池效率。此外，多个湿化学试剂供应商现正引进已标准化的清洁流程。这些流程正在被领先的电池制造商采纳应用。熔敷金属涂印花浆料，除去基层金属粉体的成本外，对于需将金属熔敷至有效部位，这是一种价格低和效率高的工艺。屏幕印刷技术的限制（图像边缘清晰度和纵横比等）已成为限制太阳能电池行业发展的门槛因素。目前，许多光伏组件厂商都在加大研发力度，旨在提高纵横比和线条清晰度，并改进浆料配方，以提升在不同的掺杂浓度和不同的硅基类型条件下的电导率和欧姆接触特性的形成，以期最终能够提升电池效率。举 例 来 说 ， 现 在 双 面 网 印 技 术正不断完善，从而提高纵横比。打印机对准精度的提高对双印工艺十分关键。设备生产商和原材料供应商之间的良好沟通合作对于发展这种生产工艺起到至关重要的作用。“ 印制对准精度对双印工艺十分关键，设备生产商和原材料供应商之间的良好沟通合作对于发展这种生产工艺起到至关重要的作用。 ”一些电池设计已由原来的银前端涂层改为电镀的镍、铜、锡堆栈，因为银使用量的大量减少可以提高导电性和焊接性能。这些技术仍旧需要银浆作为种子层与发射端接触，因此电镀是一个持续进行的生产工艺步骤。我们预期应用该技术的生产线将于今年投产，但电镀 SiN针孔及缺陷问题依旧值得注意。出于长远发展的考虑，我们希望将高效太阳电池发射极能移至晶片的后部，并用相互交叉的金属线来收集电流。该技术需要通过背部钝化处理而获得激光刻蚀的点接触和交替的金属沉积工艺。应用杂散技术可能提高产品质量，但在标准电池设计中，该技术的应用是否划算，还有待观察。但是我们通过实践得出的结果是一些技术创新的杂散平印接触网比标准的平印具有成本优势，同时也能提高线条清晰度和提高平印线的效果。选择性发射极太阳电池的发展方向是低成本、高效率，而应用选择性发射极结构，是在 p-n结晶体硅太阳电池生产工艺中有希望实现高效率的方法之一。在追求电池功效最大化时，既需要减少金属电极与硅片之间的接触电阻，同时又要保持太阳能电池中成分组合的最佳比例。我们对寻求解决上述问题给予了高度重视。很多半导体专家认为，应用多次光刻步骤和扩散工艺，是解决问题的最佳办法。但是，为了避免额外成本，在保持效果不变的前提下要减少工艺步骤。为达到该目的，多种方法不断被研究和发展，其中大部分试验是由整套生产线制造商进行的。关于选择性发射极的工艺技术如下1. 在空气中，对后部杂质度高的硅片进行蚀刻处理，同时远离网线部分。2. 对发射极区域进行激光掺杂，同时应用发射浆料在喷射沉积磷酸中形成低密度的扩散区。3. 使用标准工艺前，用激光式氧化网进行差分掺杂。4. 射极面积内用掺杂粘贴进行印制处理，这样可以使 n发射极区进行掺杂处理。5. 在进行标准沉淀流程前，使用丝网印刷粘贴腐蚀剂在氧化物上进行开孔。上述技术符合太阳电池低成本、高效率这一发展方向；但是，在绝对效率参数上（从 1到 1.5），上述工艺至多只能将电池板输出功率提升 10。这一成果也可以通过大幅度降低每度电的成本和降低安装发电装置的均价成本，从而抵消掉较高的制造成本。选择性发射极（ SE）制造流程的广泛使用，最早始于 2009年，预计在2010年以后将会大量应用。选 择 性 发 射 极 技 术 的 未 来 发 展主要在于，通过晶片使得电极与尾端金属接触。采用激光空穴掺杂处理和发射体绕通技术，或者金属环绕穿通（ MWT）技术，均可达到该目的。一些公司已经对 MWT和 EWT流程进行技术研究和不断改进，但目前还没有公司可以进行批量生产。我们期望在未来 2到5年内，这些技术能更普及。虽 然 这 些 技 术 看 似 简 单 ， 但 激光钻孔会使得薄晶片变得更加脆弱，降低生产效率。部分 MWT和 EMT工艺不需要补充新材料，但部分工艺却需要使用导电浆来使后部接触点接触。另外，通过激光穿孔而使金属沉积，这种技术需要继续研究并加以改进，也许配合使用电镀技术，可以达到更好效果。30 www.pv-tech.org密封剂一 直 以 来 ， 标 准 晶 体 硅 太 阳 能组件是通过非常复杂的工艺制成的，其中需要用到玻璃前板、热交联密封剂和经过层压的背板。设计良好，并使用高质量材料制成的太阳能电池将保持卓越的性能，最近研究表明，标准组件的使用寿命可以延长至 30年以上。但是，在不断追求降低成本的过程中，成本较高的材料和工艺流程也不断被淘汰。热塑性粘合剂可降低层压工艺所使用的时间，因为材料并不需要在某一温度下维持很长时间来使普通密封剂发生作用，特别是乙烯 -乙酸乙烯酯共聚物。减少工艺流程时间，则意味着生产量的提高，并因为减少层压机的使用量而降低生产成本。决定是否引进和使用热塑性粘合剂，关键在于材料的性能和看材料是否满足 EVA的性能特性。使用聚乙烯醇缩丁醛、烯烃、氨基甲酸乙酯和硅胶为原材料的新式粘合剂已经面市，几大制造商正在对产品进行进一步开发。国际检测机构的认证正在进行中，这些材料将应用于薄膜组件和晶体硅太阳能组件。背板日 本 是 第 一 个 利 用 行 业 补 贴 而发展太阳能装置的国家之一，在 20世纪 80年代已将太阳能产业发展成为强大的本国工业。晶体硅太阳能组件使用一种经过层压的 PET背板，该背板是一种很好的隔热材料，但长时间暴露在紫外线和恶劣的环境中，会降低其隔热性。因此，组件的使用寿命只有 10年。但是，在欧洲和北美洲的商用和家用大部分组件因为保养得当通常会被使用很久，因此，氟聚合物涂层材料，特别是聚氟乙烯，就得到了十分广泛的应用。但在聚偏氟乙烯（ PVDF）和其他含氟聚合物存在供货时间限制问题，因此需要不断寻找可替代材料。同时，背板层压机和组件制造机经由其他材料实验，这些材料能零缺陷的延长使用寿命。此外，配合使用具有高红外线或紫外线反射率和可见光反射率的材料，能增加组件的功效，还能减少环境对 PET隔热层的影响。背板的高度客户化特性使得大量的组件制造商混合使用多种材料。原料验收采用的关键不仅在于必须通过美国保险商实验所（ UL），技术监督协会（德语 T V）或者国际电工委员会（ IEC）的认证，而且还要看是否能满足大规模的生产需求。前板对 于 薄 膜 组 件 和 晶 体 硅 太 阳 能组件来说，另一个重要的材料就是前板。虽然玻璃是一种平价且易于获取的材料，但是就技术上而言，玻璃前板的生产工艺是十分复杂的，因为其表面既需要利于阳光的收集，也需要具有美感和耐用性，和较严格的成分比例来满足透光需求。晶 体 硅 太 阳 能 组 件 玻 璃 改 良 的重点在对表面组织的调节，同时增加防反射涂层来收集更多的阳光。这些防反射涂层可收集多达 4的额外阳光进入电池，但生产商在生产商品时，不仅要考虑光伏电池的效率，同时也要考虑成本，因为追求利润是企业生产的本质。一些供应商现可提供一些以干凝胶或者利用溶胶 -凝胶法 Sol-Gel 而制成的涂层材料，这些干凝胶或者溶胶凝胶可应用于前板玻璃来收集更多阳光，除了单独出售这些涂层材料外，有些则会搭配应用设备，有些则与玻璃供应商合作。很关键的一点是，这些材料必须具有较高的耐用性，因为他们是覆盖在组件的外部。一小部分的晶体硅太阳能组件使用的是 ARC复合材料，但是由于成本的概念得到了更好的理解，我们希望这个比例会有所增加。一 些 薄 膜 组 件 使 用 的 是 乙 烯 聚四氟乙烯（ ETFE）前涂层，由于这些材料具有较高的耐用性和较好的透光度，所以一些晶体硅太阳能组件制造商转而出售聚合物前板而不再出售玻璃前板。聚合物材料的应用还十分有限，但该材料的低重量也许会使其成为屋顶太阳能电池板的首选，因为屋顶太阳能电池的承重性还很差。总结尽管经历了 2009年的经济衰退，但太阳能材料供应行业在 2010年仍将有缓慢发展，因为某些部件将会有一个大的需求市场。 2009年晶体硅晶片处理材料的产值收入为 9.16亿美元，其中薄膜制造中使用到的气体和材料总值仅占 1.34亿美元。最大的材料消耗是组件材料（包括所有玻璃），截至 2009年，其总消耗金额预计为 14.05亿美元。2010年光伏产业的发展需要依赖与在硅基薄膜和 CI G S组件效率和制造方面的改良。如果这些组件类型能满足用户对效率和成本的要求，他们很有可能在市场中占有一席之地。 2010年我们对薄膜制造材料的需求将成倍增长，而晶体硅材料的需求则不会增加。预计 2010年组件材料需求将以 39的速率增长。我们坚信，市场上薄膜组件需求的暂时回落将在晶体硅太阳能组件中得到补偿。图一表示我们对 2015年材料市场增长的预期。市场总值将由 2009年的24.55亿美元提升至 2013年的 82.75亿美元。市场增长的预测是在现行行业补贴不变的情况下做出的。 Linx AEI Consulting 公司的“太阳能电池和组件的优良化学用品和材料”还明确指出另一种方案，该报告于 2010年 1月出版。上述列出的增长机会，对发展太阳能行业，实现零补贴商用可操作性是十分重要的，一旦实现目标，太阳能行业将能实现自负盈亏。如果材料供应商能与设备制造商和工艺开发者共同合作，那么太阳能与其他传统能源相竞争的日子将为期不远。作者Mark Thirsk 是 Linx Consulting公司的执行合伙人。在晶片制造的材料和工艺流程方面， Mark有着 20余年的研究经验。自从 1999年起，他就职于 SEMI Chemicals and Gases Manufacturers Group（ CGMG），并在 2001年至 2003年间担任主席。联系方式电话＋ 1 614 273 8837 美国邮箱 mthirsklinx-consulting.com图二 光伏电池及模块的未来材料需求预测百万美金