TOPCon电池量产关键技术解决方案及产业化进展-国家电投刘大伟

TOPCon 电池量产关键技术解决方案 及产业化进展 2020 年 第 十 六 届 中国 太 阳级 硅 及 光伏 发 电研 讨 会（CSPV ） 刘 大 伟 国 家 电 投 集 团 西 安 太 阳 能 电 力 有 限 公 司2 Contents ➢ 公 司 简 介 及 产 品 介 绍 ➢ 晶硅 电 池 的 技 术 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 ➢ 太 阳 能 公 司 电 池 技 术 发 展 路 线 ➢ TOPCon电池量产关键技术及解决方案 ➢ 24 效率技术方案 ➢ 总 结 与 展 望国 家 电 投 集 团 西 安 太 阳 能 电 力 有 限 公 司 简 介 西安 N-TOPCon 电池 西宁 硅片 PERC 电池及组件 200MW N-IBC 电池 200MW 组件 国家电投集团西安太阳能电力有限公司成立于2009年3月，是青海黄河上游水电开发有 限责任公司的全资子公司。目前设西安、西宁两个基地（IBC 、TOPCon 、PERC ），主 要从事太阳能光伏电池、组件及配套产品的开发、制造和销售，太阳能光伏电站工程设 计及技术咨询、技术服务。国 家 电 投 集 团 西 安 太 阳 能 电 力 有 限 公 司 简 介 N-IBC 平均效率≥23.6 P-PERC 平均效率≥22.6 N-TOPCon 平均效率≥23.2 单玻背板 双面双玻 双面透明背板 效率≥20.4 青海格尔木光伏电站 100 MW 实证基地项目 水 光 互 补 光 伏电站 目前国内能同时量产PERC 、TOPCon 、IBC 高 效 电 池的 企 业晶 硅 电 池 的 技 术 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 HBC POLO-IBC TOPCon IBC PERL 单位 电池结构 衬底材料 A （cm 2 ） Voc （mV ） J sc （mA/cm 2 ） FF （） Eff （ ） Kaneka HBC n-Si 79.00 738.0 42.65 84.90 26.70 ISFH IBC-POLO p-Si 4.000 726.6 42.62 84.28 26.10 Fraunhofer TOPCon p-Si 4.015 732.3 42.05 82.30 26.00 Fraunhofer TOPCon n-Si 4.008 724.1 42.87 83.10 25.80 SunPower IBC n-Si 153.49 737.0 41.33 82.71 25.20 Trina IBC n-Si 243.18 715.6 42.27 82.81 25.04 Hanergy HJT n-Si 244.45 747 39.55 85.00 25.1 UNSW PERL p-Si 4.000 706.0 42.70 82.80 25.00 HJT晶 硅 电 池 的 技 术 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 晶 硅 电 池的理论极限效率29.43 ➢ 效率＞30 的 措 施（ 叠 层 电池 技 术） -2020年2 月HZB 钙钛矿- 硅叠层电池效率29.15 -2020年9 月CITY U HK/UW 单结钙钛矿效率25.5 - 钙钛矿/ 硅叠层电池理论效率42.5 ➢ 钝化接触IBC HBC/TBC 电池 - 钝化接触高Voc和IBC电池的高Isc优势 ➢ 钝化接触电池HJT/TOPCon 电池 -HJT电池理论极限效率是27.5 -TOPCon电池理论效率极限是28.2 ～28.7 ➢ PERC 市 场 主流 产 品 - 理论效率极限是24.5，产业化效率瓶颈凸显晶 硅 电 池 的 技 术 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 2019年基于N-PERT产线对TOPCon 电 池 技术 开 发，2020 年 完 成 西安 基 地升 级 2019年 建 成国 内 第 一条 产 业化 、 智 能化IBC 电 池及 组 件生 产 线 （低 成 本路 线 ） 太阳能公司电池产品选择与产业化进展 PERC -电池结构简单 -工艺与设备成熟 -效率瓶颈凸显 TOPCon - 与PERX产线兼容强 -现有产线可升级 -高效率优势 -工艺与设备趋于成熟 IBC -差异化产品 -高效率优势 -工艺流程 简化 -低成本工艺路线 产品1 产品2 产品3晶 硅 电 池 的 技 术 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 TOPCon Module EXCELLENT Excellent low irradiance response NO No light-induced degration and PID-free HIGH High conversion efficiency and high reliablity BIFACIAL High bifaciality generate more power太 阳 能 公 司 电 池 技 术 发 展 路 线 CZ N-Si substrate NBSF PEmiter Front contactAg/Al Rear contactAg Front ARC Rear ARC PAl Al2O3 PERC SiNx Ag n emitter N-type Si 金属化 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023-2025 PERC N-PERT （22.1） TOPCon （23.2 ，5 月） IBC （23.6） TBC IBC TOPCon Tandem TBC IBCTOPCon Tandem TOPCon/IBC 24 25 ～30 PERC 钝 化发射 极背表 面电池 PERT 钝 化发 射 极背 面 全扩 散 电池 TOPCon 隧穿 氧 化层 钝 化接 触 电池 IBC 交叉指 式背接 触 TBC 钝 化接触 背接触 电池 Tandem 叠层 电 池 研发与量产电池技术路线 N-PERTTOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 高效率 低成本 制程工艺简化 降低湿法工序 隧穿氧化层生长 及均匀性控制 Thermal Oxidation/Hot HNO3 Plasma Oxidation 绕镀清洗方式 酸洗/碱洗 多晶硅及掺杂 LPCVD/PECVD/PVD 离子注入/ 扩散/原位 生产环境 设备稳定性 原辅材料 TOPCon电池量产关键技术及目标TOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 Poly-Si Texture DiffusionPh Laser SE Rear PolisingTex Anneal Al2O3 Passivation SiNxR SiNxF Laser Metallization Texture DiffusionBoron Rear etchingTex Tunneling oxide n doping Poly-Si Anneal Cleaning Al2O3 Passivation SiNxR SiNxF Metallization PERC TOPCon LPCVD Ion implantation Phosphorus diffusion ◼ LPCVD设备隧 穿 氧 化层 生 长和 多 晶硅 沉 积 ◼ 多晶硅掺杂 离 子注 入/单面 掺杂/ 精准 控制 ◼ 绕镀化学清洗 无 需掩 膜保护 Tunneling OxideIn-situ Poly-Si TOPCon 电池工艺流程设计 西安太阳能TOPCon电池核心技术 TOPCon电池的工艺发展 ◼ 化 学 清 洗 工 序 ≤3steps ◼ 多 晶 硅 掺 杂 单面 掺杂（ 注入/In-Situ Poly-Si ） ◼ 多 工 序 集 成 氧化 层/ 多 晶硅/ 掺杂 制程工艺≤PERC10stepsTOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 隧穿氧化层生长及均匀性控制 ◼ 片间均匀性 效 率低/ 数据 离散性 大 ◼ 片内均匀性 良 率异 常（EL ） ◼ 工 业 生 产 不 能 有 效 监 控 厚 度 及 均 匀 性 炉口 → 炉尾不同区域的掺杂ECV监控TOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 隧穿氧化层生长及均匀性控制 Cell Voc mV Jsc mA/cm 2 FF Eta Process-1 694.4 40.59 82.12 23.14 Process-2 696.0 40.52 82.52 23.27 ➢ 调整隧穿氧化层生长工艺，降低掺杂曲线差异 ➢ 效率提升0.13，有效降低低效比例 ➢ 数据离散性整体收窄 ➢ 解决隧穿氧化层导致的EL异常 Eff Process-1 Process-2 ＜22.0 0.34 0.25 22.00 0.25 0.00 22.10 0.42 0.00 22.20 0.93 0.00 22.30 1.52 0.08 22.40 1.86 0.08 22.50 2.45 0.17 22.60 3.04 0.42 22.70 3.29 0.34 22.80 4.22 0.76 22.90 3.88 1.44 23.00 7.09 4.66 23.10 13.00 15.27 23.20 26.50 30.36 23.30 20.00 31.21 23.40 9.11 13.66 23.50 2.11 1.27 23.60 0.00 0.00 23.70 0.00 0.00 23.80 0.00 0.00 23.90 0.00 0.00 24.0 0.00 0.00 ＜22.5 5.32 0.42 ＜23.0 22.19 3.56TOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 多晶硅生长及掺杂工艺 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 TOPCon cell- doping profile Surface doping concentrationatoms/cm 3 Depth um G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 Tunneling SiO x CZ N-Si substrate Polyn ） Tunneling SiO x Polyn ） Passivation layer Passivation layer iVocmV ◼ 进 入 基 底 的 掺杂浓 度导致 钝化性 能差异 大（G1 ＜ 最 佳掺杂 曲线＜G2 ） ◼ 如 何精确 控制掺杂 曲线 离子注入 方式精 确控制掺 杂浓度 和深度TOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 TOPCon 关键工艺多晶硅绕镀清洗工艺 ◼ LPCVD 设 备 导 致 的绕镀 无法避 免 ◼ 绕 镀 导 致 外 观、电 性能、EL异常 ◼ 绕 镀 工 艺 去 除有 掩膜保 护/ 无 掩膜 保护 ◼ 清洗方式 酸洗工艺/ 碱 洗 工艺 ◼ 开 发无掩 膜保护方 式的绕 镀清洗工 艺 混酸HF-HNO3 强碱KOH/NaOHTOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 硼发射结的表面钝化工艺 ➢ SiNx ➢ SiO 2 /SiNx ➢ Al 2 O 3 /SiNx ➢ SiO 2 /Al 2 O 3 /SiN X SiNx SiOxSiNx Al2O3SiNx SiOxAl2O3SiNx 0 10 20 30 40 50 60 P/N/P different passivation layer J 0 fA/cm 2 SiNx SiOxSiNx Al2O3SiNx SiOxAl2O3SiNx ◼ 不 同介 质 层组 合的 钝化 差 异明 显 ◼ 多层介质膜SiO2/Al2O3/SiNx 可以 获得最 低的表 面钝化 水平 ◼ 最佳组合Al 2 O 3 /SiNx ， 降 低 工 艺 的复杂 性TOPCon电池量产关键技术及 解 决方 案 Cell Cell area cm 2 Voc mV Jsc mA/cm 2 FF Eta Average 251.99 700.1 40.63 82.64 23.51 0 5 10 15 20 25 30 Weight TOPCon Efficiency distribution 22.20 22.43 22.68 22.80 23.20 23.22 23.52 23.50 23.52 23.59 23.46 23.53 23.48 23.50 22.00 22.20 22.40 22.60 22.80 23.00 23.20 23.40 23.60 23.80 24.00 TOPCon 电池量产平均效率趋 势 ➢ 氢钝化技术 ➢ 高效绕镀清洗 ➢ 多晶硅精准掺杂 ➢ 隧穿氧化层优化 ➢ Fine line print ➢ Metal paste24效率技术方案 Comment V oc mV J sc mA/cm 2 FF EFF Measurement 700.1 40.67 82.54 23.50 Simulation 699.6 40.69 82.49 23.48 J0 distribution of 23.5 TOPCon cell 24效率技术方案 ➢ 前 表 面 - 绒 面 及栅 线图形 设计 - 金 属 化浆 料 - 调 整 发射 结掺杂 曲线 ➢ 基体 - 硅 片质量 ➢ 背 表 面 - 多 晶硅厚度 Reference Front optical shading Front Metal recombination Emitter optimization Wafer quality Rear Poly-Sin Optimization Target 23.0 23.2 23.4 23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.0 0.05 0.1 0.1 0.1 0.15 Efficiency 23.524效率技术方案 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.682 0.684 0.686 0.688 0.690 0.692 0.694 0.696 0.698 0.700 0.702 0.704 0.706 0.708 Voc V Wafer resistivity ohm.cm lifetime-500us lifetime-1000us lifetime-2000us lifetime-3000us lifetime-4000us lifetime-5000us 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 38.8 39.0 39.2 39.4 39.6 39.8 40.0 40.2 40.4 40.6 40.8 41.0 Jsc mA/cm2 Wafer resistivity ohm.cm lifetime-500us lifetime-1000us lifetime-2000us lifetime-3000us lifetime-4000us lifetime-5000us 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 21.8 22.0 22.2 22.4 22.6 22.8 23.0 23.2 23.4 23.6 23.8 24.0 Eff Wafer resistivity ohm.cm lifetime-500us lifetime-1000us lifetime-2000us lifetime-3000us lifetime-4000us lifetime-5000us ➢ 硅 片 质 量 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 78.5 79.0 79.5 80.0 80.5 81.0 81.5 82.0 82.5 83.0 83.5 FF Wafer resistivity ohm.cm lifetime-500us lifetime-1000us lifetime-2000us lifetime-3000us lifetime-4000us lifetime-5000us ➢ 合 理硅片 寿命和电 阻率， 模 拟 结 果 电 池 效率 提 升0.2 ➢ 硅 片低 电阻率高 纯硅片24效率技术方案 ➢ 发 射 结 和 背 场 掺 杂 优 化 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 Surface doping concentrationatoms/cm3 Depth um Poly-Si 90 nm Poly-Si 120 nm Poly-Si 150 nm Poly-Si 200 nm 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 Surface doping concentrationatoms/cm3 Depth um Recipe1 Recipe2 Recipe3 Recipe4 ◼ 发射结深度/ 背面 多晶 硅优化 ，测试 中总 结 与 展 望 ⚫ TOPCon 电 池 工 艺 和 设 备已 趋 于成 熟 ，预 期 工 艺流 程≤PERC电池 ⚫ TOPCon电池量产关键技术 隧穿 氧化层、 多晶硅 掺杂、 绕镀清洗 - 开发的隧穿氧化层生长工艺解决 片内与 片间的 均匀 性，改 善数据 离散 性和良 率问题 - 基于离子注入单面掺杂，精确控 制掺杂 浓度和 深度 - 开发无掩膜的多晶硅绕镀清洗工 艺，简 化工艺 流程 ⚫ TOPCon电池量产平均效率23.5 ，制定24 效率的技术方案23 Thank you for your attention