【太阳谷】高效率硅异质结太阳电池的研发及降本方案-德国于利希研究中心端伟元

p高效率硅异质结太阳电池的研发及降本方案 端伟元 w.duanfz-juelich.de 德国于利希研究中心（ Forschungszentrum Jlich GmbH）光伏研究所 2021.05.21 德 国亥姆霍兹国家研究中心联合会 Helmholtz JLICH IEK-5 PV Fundamental ApplicationStrategic-programmatic 亥姆霍兹研究领域包括 能源 、 地球与环境 、 生命科学 、 关键技术 、 物质结构和交通与航天 德国的科学研究机构 Jlich研究中心 Helmholtz JLICH IEK-5 PV CORE FACILITIES INFORMATION BIOECONOMY ENERGY ALZHEIMER- RESEARCH SUPER - CO MPUTING QUANT- COMPUTING NEUROMORPHES COMPUTING CLIMATE- RESEARCH MA TERIA L- RESEA RC H MEMORY BIO - TECHN OLOG Y PLANT RESEARCH SOIL- RESEARCH LL EC HBP 3个部门 异质结 , 太阳能燃料 , 钙钛矿 员工 120 Helmholtz JLICH IEK-5 PV IEK-5 光伏所 2014 2017 2020 2016 2019 20.4, 4 cm2 SHJ 23.77, M2, 0BB 成立异质结小组 建立异质结基线 24.5, M2, 0BB 成立异质结部门 2007 Jlich 异质结电池的研发历程 开始异质结研究 Jlich 异质结电池研究进展 以薄膜研究为背景的效率快速的提升 Wafer provided by 16 18 20 22 24 26 Efficienc y  [] SHJ on M0 201806 201807 201808 201809 201810 201811 201812 201901 201902 201903 201904 201905 201906 201907 201908 201909 201910 201911 201912 202001 202002 202003 202009 202010 202011 202012 SHJ on M2 nnc-SiOxH应用于 SHJ电池的进展 nc-Si 相 高导电性 . a-SiOx 网格 高透过性 . a-Si 相 . [1] A. Richter et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 174 2018 196–201. electrical conductivity optical transparency [1] 孵化层和成核层是必须的 晶化率和厚度关系很大 应用难点 怎样制备超薄 high Jsc 及高晶化率 high FF的 nc-SiOxH 窗口层 [2] 每增加 1nm, 寄生吸收损失 增加 0.07mA/cm2 15nm nc-SiOxH和 5nm a- SiH寄生吸收相当 [2] Mazzarella, Luana, et al. Coatings 10.8 2020 759. 400 500 600 700 0.2 0.4 0.6 0.8 ab sor ptio n wav elen gth [n m] 20 nm nc -SiOxH 15 nm nc -SiOxH 10 nm nc -SiOxH 8n m n c-SiOxH 5n m n c-SiOxH 5n m a -SiH 1.0 6m A /cm 2 1.4 8m A /cm 2 1.0 9m A /cm 2 0.7 mA /cm 2 0.5 5m A /cm 2 0.3 3m A /cm 2 Jlich应用于 SHJ电池的 nnc-SiOxH进展 D. Qiu, et al. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 209 2020 110471. nc-SiH contact nc-SiH seed 10 15 20 20 40 d ET L [ nm] Th ickness of electr on tr anspor t layer Cry st al lin e fr ac tio n F c [ ] n c -SiO x H n c -Si H/n c -SiO x H 10 15 20 20 40 d ET L [ nm] Th ickness of electr on tr anspor t layer Cry st al lin e fr ac tio n F c [ ] n c -SiO x H n c -SiO x H / n c -Si H 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 0 5 10 15 20 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0 5 10 15 20 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 N orm al i zed ope n-circui t vol t age V oc （ a ） No rmaliz e d short - ci r cui t curr ent den si t y J sc a-Si H n c-Si O x H / n c-Si H （ b ） N orm al i zed f i l l fa c to r FF （ c ） N orm al i zed p ow er conve r si on ef f i ci ency  T h ick n e s s of ET L d E T L [nm] T h ick n e s s of ET L d E T L [nm] a-Si H （ d ） a-Si H N orm al i zed ope n-circui t vol t age V oc （ ） No rmaliz e d short - ci r cui t curr ent den si t y J sc n c-Si H / n c-Si O x H （ ） N orm al i zed f i l l fa c to r FF （ ） N orm al i zed p ow er conve r si on ef f i ci ency  （ ） N orm al i zed ope n-circui t vol t age V oc （ ） No rmaliz e d short - ci r cui t curr ent den si t y J sc n c-Si O x H （ ） N orm al i zed f i l l fa c to r FF （ ） N orm al i zed p ow er conve r si on ef f i ci ency  （ ） nc-SiOxH 产业化思考 Step 1 Wafer texturing and cleaning Step 2 passivation and doping layer PECVD Step 3 TCO sputtering Step 4 Ag screen printing and annealing a-SiH, 1030s; nc-SiOxH, 200s. 加速沉积会导致薄膜结晶性及稳定性变差，腔室累积粉末 工艺时间稳定性 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 10 -5 10 -3 10 -1 10 1 opt ical ba nd gap E 04 [eV] co ndu ct iv ity s [S/c m] a- SiHn n c - S iO x H n nc -Si Hn m c- SiC x Hn 透明钝化接触 TPC电池 [2]. F. Finger et al. Thin Solid Films 517 2009 3507-3512 2 0 0 n m m c - SiC gla s s [2][1] SiC rese ar ch Year 2001 2020 2001-2009 n SiC dep osit ion paramet ers on th in f ilm p roperties in v estig atio n 2010-2011 p Si C dev el opment 2007-2011 m c -Si C as w i ndow nbsp;l ay er for thi n fi l m s ol ar cel l s 2011-2013 appl i c ati on at heterosuperlatti c e 2015-2016 passiv atio n p erforman ce of hy drog enat ed n c-SiC 2016-2017 app licatio n at SHJ 2017-2020 nbsp;dev elop men t o f T PC 2020 up-sc al i ng and HT stabl e TPC HWCVD [1] T. Chen et al. Jpn. J. Appl. Phys. 53 2014, 05FM04 Lean process 表面钝化层需要满足 1. 耐刻蚀 2. 热稳定性 3. 允许 H-diffusion 4. 高透过性 Jlich TPC电池的研发 ➢ 表面钝化层的选择 a-SiOxHi, a-SiCHi , a-SiHi or SiO2 ➢ mc-SiCH 钝化接触层 TPC结合 SHJ的效率潜力 Current TCAD simulation Solution Voc [mV] 726 739 a-SiHi/p optimization, sputter damage free Jsc [mA/cm2] 40.9 42 Cooper plating, TCO free FF [] 80.9 85 Rear contact finger pitch optimization Efficiency [] 24 26 26的效率潜力 Jlich高迁移率的 TCO薄膜研发 Eta [] Voc [mV] Jsc [mA/cm2] FF [] Size [cm2] deposition Mobility [cm2/Vs] ITO reference 23.6 735 39.1 82.2 4 Sputter 2030 ITiO 23.8 736 39.1 82.7 4 Sputter 40 IWO 23.2 732 39.2 81.0 4 Sputter 60 c-Si a-Si ITiO c-Si a-Si ITiO 10 nm10 nm Sputter damage Damage free SHJ电池成本组成 43.38 30.88 3.68 3.68 11.03 0.743.68 2.94 硅片成本 银浆成本 IWO靶材 化学成本 折旧成本 人工成本 能源成本 其他成本 异质结电池降本的 5个维度 电池光电转换效率提高 设备降本 高质量 N型硅片降本 关键辅材（银浆、 TCO）降本 电池到组件的技术难点 SHJ电池的金属化 低温银浆使用量大 ， 单耗高 ▪ 低温银浆耗量在 240 mg， 单片耗量是是 PERC电池的近 3倍 PERC电池银浆耗量约 80-90 mg。 ▪ 随着光伏规模的不断扩大 ， 银的需求量也在增加 ， 现有技术在将来很难看见较大的降本空间 。 电极导电性差 ▪ 低温银浆的电阻率是高温银浆的 3倍 ， 组件 CTM损失大 电极附着差 ▪ 容易造成组件焊接时主栅脱落等可靠性问题 生产节拍长 ▪ 3040分钟 （ PERC 2分钟 ） 丝印降本路径 PERC SHJ 技术路线 9 BB 5 BB 9 BB 12 BB SWCT 12 BB 1/3 银包 铜 银耗量 90 mg 300-350 mg 240 mg 190 mg 150-180 mg 130 mg 银浆价格 640-710 €/kg 760-830 €/kg 30-40 min退火时间 2 min 银浆单耗 0.061 € 0.256 € 0.176 € 0.152 € 0.120 € 0.104 € 通过主栅数量的增加可以一定程度上降低银浆耗量； SWCT技术壁垒； 银包铜的浆料导电性和组件可靠性还有待进一步验证。 铜金属化技术 S HJ S ubst ra te nbsp; a Subst r at e nbsp;S HJ S ubst ra te nbsp; b B i f aci al Seedl ay er nbsp;S HJ S ubst ra te nbsp; c B i f aci al pat t er ni ng nbsp;S HJ S ubst ra te nbsp; d B i f aci al C u/ Sn pl at i ng nbsp;S HJ S ubst ra te nbsp; e R es i st st r i pi ng nbsp;S HJ S ubst ra te nbsp; f Etc hback nbsp;异质结电池电镀的流程设计 双面种子层 双面掩膜 ， 工艺流程复杂 ； 曝光 、 显影增加成本 ； 部分工艺需要在黄光间 ； 核心工艺步骤较多 ， 良率 难以保障 ； 成本没有显著降低 。 Jlich选择性种子层沉积技术 2 3b 4 1 - - - - - - 6 7 5 8 8 4 3a 2 4 3b 2 9 Patent Verfahren zur Metallisierung eines Bauelements sowie auf diese Weise hergestellte Bauelemente 选择性种子层原位还原沉积技术 ； 无需有机掩膜的制备 ， 无需曝光显影及黄光间 ； 工艺步骤大大简化 ； 组件端配合 MBB， 实现全铜互联 ； Eff [] Voc [mV] Jsc [mA/cm2] FF [] Size [cm] comment ITO Reference 23.9 739 39.4 82.1 244 AZO on rear 23.6 741 39.0 81.6 244 光电特性有待进一步提升 AZO on bifacial 22.7 741 38.3 79.9 244 更厚的非晶硅薄膜补偿了溅射损伤 Jlich廉价 TCO的研发 [1] [2] ➢ 利用 ITO作为种子层 ， 提高光电特性 ， 扩大工艺窗口 ➢ 减少 ITO的使用量 [1]Z. Wu et.al., Appl. Surface. Sci. 54223148749. [2]H. Yang et.al., Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014, 456 3016-3020. SHJ电池组件封装 ⚫ 大尺寸硅片成为降本增效的重要手段 ； ⚫ 新建异质结产线 ， 均基于 166尺寸硅片并兼容 210； ⚫ 短路电流可达 11 A， CTM损耗不容忽视 ； ⚫ 组件端通过半片组件 、 叠瓦组件提高组件发电功率 。 大尺寸硅片 → 必须切片 电池片切片处理 → 激光切割损伤 Jlich激光无损切割技术 1/3 激光切割 叠瓦 组件效率 22 1/3 激光切割 MBB 组件效率 23 激光切割前后，开路电压损失在 2 mV以内； 无需水冷，避免影响钝化层； Laser scribing area Mechanical separation part 电池效率 23.3 异质结组件应用的多元化 异质结组件应用于 VIPV Prius VI ▪ 高功率输出 ▪ 低热系数（ 0.3 /C.），在运行状态下可获得高能源 产量 ▪ 与传统的硅太阳能电池相比，与更薄的硅片（ 100m） 的兼容性高。 ▪ 低温（ 200C）、简单、可低成本的大规模生产 From Next2Sun https//www.next2sun.de/ 垂直双面农业光伏 系统概念背后的核心思想是垂直安装特殊的太阳能模块，可以利用两边的太阳辐射。双面模块面 向东方或西方。这意味着电力主要在早上和晚上生产。 Thanks for your attention w.duanfz-juelich.de/p