沈文忠-为什么TOPCon电池技术会脱颖而出？.pdf

为什么TOPCon 电 池 技 术 会 脱 颖 而 出 2022年12月10 日 沈文忠 上海交通大学太阳能研究所目 录 PERC 电池 发展 及 现 状 1 2 3 4 TOPCon 电 池 技 术 及 产 业 化 总结 TOPCon 电池发展 5 TOPCon 电池优势PERC电池发展及现状 01PERC电池发展及现状 PERC 电 池 简 介 ➢ PERC 电池技术在常规Al BSF 的基础上加入背面钝化层并通过激光开槽实现金属化接触，钝化层显著降低了背面 的复合，同时通过调节背面结构，实现背面长波端的增长 ； ➢ PERC 结构由铝栅线替代全铝背场， 独特的局域铝背场，实现了双面发电，双面率为70 。 从2015年 正 式 量 产 ， 通 过 全 产 业 链 的 努 力 ， 包 括 设 备 、 辅 材 、 电 池 厂 商 等 ， PERC 技 术 发 展 迅 猛 ， 并 迅 速 占 领 市 场 成 为 主 流 。PERC 电 池 的 发 展 历 程 1989年 新南威 尔士大 学首次 报道 PERC 电池结构 ，实验 室 效率为22.8 2013年 商 业 化储备 阶段， 晶澳批 量 试 产 效率达 到20.3 2015年 产 业 化量产 初期， 量 产 效率达 到20.5 2016 年 2022年 产 业 化量产 开启， 量 产 效率达 到20.8 经过多 种技术 叠加， 包括选 择性发 射极等 ，主流 量产效 率达 到了23-23.5 近几年，PERC 电 池 受 益 于 其 强 大 的 性 能 与 成 本 优 势 ， 在 主 流 市 场 上 占 据 着80 以 上 的 份 额 。 PERC电池发展及现状电 池 模 拟 中 的 效 率 提 升 的 路 径 MIN et al. IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 7, NO. 6, NOVEMBER 2017 2017年德国研究人员通过电池模拟给出了PERC 效率超过24 所需要的工艺路径 （1 ）selEm1 （ 选 择 性 发 射极 ） （2 ）advEm （ 发 射 极 的优 化） （3 ）BSFseg 背 场 优 化） （4 ）Al-B-BSF （ 铝浆 中含硼 元素） （5 ）base2ms 将硅片的体寿命提 高至2ms （6 ）Fng30 μm （ 将 正面栅 线控制 在30 μm （7 ）Fng30 同时提高栅线根数 （8 ） SiO 2 /SiN 膜 层应用 （9 ） 正 面 栅线 间距匹 配 （10）5BB （11 ）MBB多主栅） （12）Cnt10 μm （ 正 面 栅线控 制在10 μm ） （13） alneal钝化膜层的退火优 化） （14） selEm2（选择性发射极优化 ） （15） optAlO （ 优 化 氧 化 铝膜 层 ） PERC电池发展及现状正 面 光 学 提 升 正 面 膜 层 引 入SiON，通过光学模拟优化正 面膜层结构，并最终在电池端验证，其电流 密度提高0.26mA/cm 2 ,电池效率提高0.14 。 Ma et al., Solar Energy Materials 193 494 –501. TOPCon电池技术及产业化TOPCon 电 池 效 率 提 升Roadmap 栅线优化 背面吸光结构优化 BSL 氢钝化优化 正面SE 技术 浆料优化 硅片质量改善 现有TOPCon 量产 效 率 在24.8 左右，2-3 年 内 效 率 可 突 破26 TOPCon电池技术及产业化TOPCon电池发展 03p-IBC 采用p 型硅片，将PERC 与TOPCon 技术结合起来，同时结合IBC 理念，背面做结 升级的优势 ➢ 正面无遮挡 ➢ 无硼扩 ➢ 金属化与PERC 类似 ➢ 多晶硅钝化在背面，寄生光吸收低 ➢ 与PERC 电 池 的 现 有 产 线 兼 容 性 高 升级所需的要求 ➢ 需做双面氧化铝 ➢ 需增加TO/Poly 膜层设备 ➢ 增加激光，且激光图形化 ➢ 丝网端对准要求高 TOPCon电池发展p-IBC研发现状 多家主流厂商采用的全激光工艺路线 ➢ p-IBC 技 术 ， 隆 基 主 推 ， 以p 型硅片为基底，工艺中仅增加poly与激光，90 与PERC 兼容； ➢ p-IBC 背 结 结 构 ， 效 率 有 优 势 ， 但 为 单 面 结 构 ， 双 面 率 不 到50 ， 定 位 成 分 布 式 产 品 ； ➢ p-IBC 有 机 会 成 本 与PERC 接 近 ， 效 率 预 计 为24.5-25.0，另外组件端焊接方式需要更改。 SiN x TOPCon电池发展p-IBC进一步降本 无Ag 化发展各种p-IBC 电池 2006, Engerlhardt, RISE 21.5 EFFICIENT BACK JUNCTION SILICON SOLAR CELL WITH LASER TECHNOLOGY AS A KEY PROCESSING TOOL 2010, Robbelein, TOWARDS ADVANCED BACK SURFACE FIELDS BY BORON IMPLANTATION ON P-TYPE INTERDIGITATED BACK JUNCTION SOLAR CELLS 2013, Basoreet al., All-aluminum Screen-printed IBC Cells Design Concept 2013, Woehl, Back-contact back-junction silicon solar cells with aluminum-alloyed emitter 2014, Dross et al, Quantification Of J02 Losses In p-Type All-Screen-Printed IBC Cells 2014, Desa, Optimization of p-type Screen Printed Interdigitated Back Contact Silicon Solar Cell with Aluminum Back Surface Field 2016, Haase, PVSEC-26 –2.3.2d, IBC solar cells with polycrystalline on oxide POLO passivating contacts for both polarities TOPCon电池发展东洋铝提供资料 ➢ Special Aluminum Surface Treatment ➢ Wide Temperature Firing Possibilities 660-900℃ ➢ TLM Results on n Silicon 10 mΩcm 2 ➢ TLM Results on p Silicon 10 mΩcm 2 ➢ One Paste Contact Both n and p Silicon TOPCon电池发展 23.83 24.92 24.01 24.74 24.19 24.38 24.56 500 600 700 800 900 1000 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Si resistivity Wcm Si lifetime ms 23.65 23.83 24.01 24.19 24.38 24.56 24.74 24.92 25.10 Eta 优 化 后 的 电 池V OC 713 mV , J SC 41.99 mA/cm 2 , FF83.65, Eff25.09 基础参数 ◆ Si 衬底厚度140 μm, 正面钝化 5 fA/cm 2 , 背面发射极钝化 4 fA/cm 2 , 背面发射极接触复合 200 fA/cm 2 , ◆ 背表面场钝化 10 fA/cm 2 ，背表面场接触复合200 fA/cm 2 ，串联电阻 0.01 Ωcm 2 ，并联电阻 1E5 Ωcm 2 全铝浆丝网印刷p-IBCp-TOPCon 尽管p-TOPCon 的 背 面 钝 化 接 触 性 能 不 如n 型 ， 但 其 与 现 有产线兼容性非常高，效率 也具有一定的潜力。 研 发 效 率 纪 录 隆 基25.19 TOPCon电池发展PERCPSK 钙 钛 矿 叠 层 电 池 https//doi.org/10.1021/acsami.2c01191 2T叠层结构电池的的 设计策略 各种叠层电池结构以及效率记录 TOPCon电池发展PERCPSK 叠 层 电 池 低 成 本 钙 钛 矿 电 池 两 端 叠 层 结 构 中 选 择 合 适 的 硅 基 上 层 结 构 ， 其 中TOPerc结构由于其 导 电 性 高 ， 光 学 吸 收 小 ， 性 能 最 佳 ， 其 转 换 效 率 超 过30 。 Messmer et al., Prog Photovolt Res Appl. 2022;1 –15. front-side concepts TOPCon电池发展PERCPSK 叠 层 电 池 与n 型 硅 衬 底 的 叠 层 电 池 对 比 Messmer et al., Prog Photovolt Res Appl. 2021;29744 –759 对 比 其 它 电 池 ， TOPerc 结 构 的 成 本 最 低 ， 即PERCPSK 为产业化成本最低的叠层电池。 TOPCon电池发展TOPCon电池优势 04PERC 后 续 的 电 池 发 展 PERC N-Topcon N-HJT 工 艺难点 氧化铝钝化/ 激 光开 孔 硼扩散/ 多 晶硅 掺杂/ 氧化 铝钝化 高效清洗/ 非晶 硅制备/TCO制备/ 过程 控制 效 率记录 Trina 24.5 Jinko 25.7 Longi 26.5 综 合评价 性 价比高， 但下一步 提效手段 有限 工 序增加， 潜力较大 效 率高，工 序少，适 于产业化 ，但成本 较高 目 前 主 流 两 种 技 术 ， 均 采 用n 型硅片，TOPCon步骤增加，而HJT 不 接 兼 容 现 有 产 线 ， 设 备 投 资 高 （3.8-4.0 亿/GW）。 TOPCon电池优势主 电 池 技 术 的 成 本 对 比 Solar Energy Materials Solar Cells 2272021111100 TOPCon电池优势主 电 池 技 术 的 成 本 对 比 经济 性分 析 ➢ 多 方 实 证 数 据 ， 在 同 等 条 件 下 ，n 型 组 件 要 比p 型组件多发3 以上 的发电量 。 根据内部收益率（IRR ） 的 计 算 方 式 假 设IRR 值 不 变 ， 发电量增加3 ， 那么其组件成本可增加0.14-0.15 元/W 。 ➢ 同 尺 寸 的 组 件 版 型 ，n 型 组 件 比p 型 组 件 在 单 片 组 件 上 功 率 要 高 出 15-20W ， 则意味着功率提高了2.67 。2.67 的效率提升则可给除 组件以外的EPC 成本节约至少有0.04 元/W以上的成本。 ➢ 经 过 实 际 测 算 ， 在n 型 组 件 比p 型组件 贵0.20 元/W 的 情 况 下 ， 依然 可以给项目带来相同的内部收益率 。 TOPCon电池优势机 构 对 于 电 池 未 来 市 场 的 预 测 n 型 p 型 ⚫ n型电池市场将在2025年占50，2030年占90以上； ⚫ PERC升级n-TOPCon 将 主 导 未 来 晶 硅 电 池 。 TOPCon电池的优势总结 05过去40年 光 伏 产 业 发 展历 史 ⚫ 快速发展的一定是主流技术路线Al BSF → PERC → PERC → PERC n-TOPCon ； ⚫ 孤独的电池技术被证实是很难获得快速发展。 总结 ⚫ 主流的n-TOPCon技术将主导晶硅电池，量产效率超过26 ； ⚫ 目前布局n-TOPCon时机好，有望在新一轮电池技术变革 中脱颖而出。 未来5年光伏产业发展预测为什么2022年TOPCon 技 术 会脱 颖 而 出 ⚫ 主流PERC电池打下的坚实基础； ⚫ 核心装备国产化已成熟； ⚫ 技术路线竞争促进TOPCon发展； ⚫ TOPCon技术已具有高性价比； ⚫ 全产业链n 型TOPCon新生态已形成。 总结感谢聆听