PERC电池用关键设备发展现状与展望--背钝化设备综述

PERC电池用关键设备发展现状与展望 ---背钝化设备综述王俊朝 教授级高级工程师目录一、产业态势二、 PERC电池及相关设备的现状三、 背钝化设备种类和优劣势分析四、 关键技术参数进步情况五、 主要设备供应商六、背钝化 设备的应用情况七、 与进口设备的差距及努力方向八、 PERC及关健设备的发展展望九、结束语一、产业态势1、电池、组件价格持续下跌，平价上网时代越来越近2、蝴蝶效应，企业规模进入 10GW级， 2018再次洗牌（ 2007年 100MW级， 2010年 500MW级， 2014年 GW级）3、 PERC技术成为量产高效电池的不二之选，产能高速增长4、单晶技术借 PERC之势份额继续扩大5、自动化成为新增产线的标配二、 PERC电池及相关设备的现状（一）大环境是契机，设备突破变可能为现实提升效率途径只有两个1、减少光学损失 ，包括电池前表面反射损失 如何将反射率从 20左右降低 光陷阱结构、减反射膜接触栅线的阴影损失 栅线宽度能否降至 40微米甚至以下 细栅制作、背电极长波段的非吸收损失 背钝化2、减少电学损失 ，包括减弱光生载流子复合 钝化 （热氧、原子氢、表面扩散）、 增加背场 等降低半导体和金属的接触电阻 结构、材料、烧结 等PERC技术两种作用都有结构简单、易于升级改造、没有专利问题、潜在效率 25 PERC的前世今生1983年由新南威尔士大学马丁格林教授等人提出1989年经赵建华博士等人改进优化后做出，效率 22.82008年南京中电在国内开始 PERC类电池研究，曾用氧化硅钝化、腐蚀浆料开孔，后逐步改变为氧化铝钝化、激光开孔2013年 10月晶澳最早推出 PERC技术产品2014年台湾 PERC量产，整体生产品质优异，至今量产效率及良率仍有优势2015年国内一线厂开始 PERC产线扩张，热度一直不减， MAiA几乎是标配2017年， PERC电池线成为不二之选2018年， ALD背钝化设备逐渐成熟，成为市场主要角色之一高效太阳能电池的发展路线常规晶硅电池（单晶 19-20.，多晶 17.8-18.5）PERC电池（单晶 20-21，多晶 18.5 -19.5）N型电池（单面、双面 20.5-21.3）HIT, IBC电池（ 22， 23）Al2O3钝化镀膜在 PERC电池的背表面钝化以及 N型电池的前表面和背表面钝化上都可以应用，不需要改变设备高效太阳能电池的发展路线可实现单晶提升 1，多晶提升 0.75效率 国内现有约 70GW电池产能，预计今后 3年设备市场需求超过100亿 “领跑者”计划拉动效率提升，约半数中标组件采用PERC电池现有产线效率提升的有效技术路线PERC已成为高效电池主流标配技术，市场潜力巨大 PERC 技术可以提升单晶电池绝对转换效率1，至 21以上；多晶电池提升 0.5-1，至 19.8以上。目前该技术已经导入量产。 PERC 工艺只需在现有电池工艺基础上增加Al2O3SiNx镀膜和激光划线两步，与其它工艺相比，技术难度较小，设备投资成本低 。PERC 背钝化设备市场预测亿元（ RMB）（二）获业界广泛认可1、近年来唯一获公认的高效量产主流技术2、一线大厂蜂拥建线，产能连续四年翻倍增长●竞争激烈，常规电池降本无空间、市场需求萎缩●以规模采购、规模产出降本抢位●技术物化于设备3、为什么是 PERC而不是 HIT、 MWT、 IBC、 N型等●兼容现有产线，效率提升明显（ 0.75--1）●投资度可接受（ 1400～ 1800万 /100MW）●结合其他工艺后手多多（ 多主栅 SE， MWT， 双面技术 ）4、背钝化技术路线明晰，量产设备及工艺均逐渐成熟（三） PERC电池的技术路线在原有产线上增加镀钝化膜及激光开孔两三个环节、两种设备，效率就可提升 0.75～ 1首次在背光面想办法 增加背钝化层，降低背表面复合，提高背面内反射率三、背钝化设备种类及优劣势分析（一）常用钝化介质材料1、氮化硅 应用广泛，适应大生产，能够对迎光面钝化，但背面钝化易引发短路电流密度损耗。2、氧化硅 900度以上高温热生长制备。近一半膜厚的生长靠消耗硅片表面的硅，且覆铝后高温至 500度介质膜不稳定。3、氮氧化硅 低温 PECVD生长，方法简单，成本低廉。但氮氧化硅沉积面难以可靠接触，有宣称钝化效率超过 21案例。期待4、碳化硅 制备的介质膜 450度以上不稳定5、 氧化铝 固定负电荷密度高，物理及化学性能均利于作背面钝化膜，主要的不足是折射率低（ 1.65）。氧化铝薄膜生长设备及工艺率先突破，开始批量应用（二）、氧化铝成膜的四种工业化路线及设备现有的背钝化方案PECVD方案ALD SiNx方案板式 PECVD管式 PECVD 板式 ALD管式 ALD至 2016年 ALD市场份额不到 10，但从 2018年至今的新增 PERC产能中ALD工艺路线占比已超过 60。单片 ALD SoLayTecLeviTech理想能源丰盛装备（三）、几种背钝化设备的特点分析1、平板 PECVD法制备 Al2O3优点设备工艺相对成熟，成膜均匀性好，良率高，集成度好，需要人工少，最新FABiA 4.1型 3 in 1 系统（ 4000wph），正面氮化硅、背面氧化铝与氮化硅层一台设备完成。缺点膜质一般， TMA的耗量高，维护成本高PM时间长且间隔时间只有 5天， UP-TIME只有 94腔体大，会有锅巴状 AlOx粉末充斥在腔体里，难清洁。Meyer Burger的 MAiA 6.1系统几种背钝化设备的特点分析2、管式 PECVD法制备 Al2O3优点膜质好，效率提升潜力大，可在背面氧化铝及氮化硅膜之间沉积一层氧化硅，钝化效果更好， UP-TIME高。易于传统线升级改造缺点TMA消耗大，易发生绕镀，制备过程易损伤硅片表面，工艺待提升丰盛装备的 432片 /管高产能管式 PECVD 几种背钝化设备的特点分析3、平板 ALD法制备 Al2O3优点低温（ 200250度）沉积，可以精控薄膜厚度和质量，单面生长，对正面银浆要求低， TMA消耗少， 板式承载方式，碎片率低，生产兼容性和上下料自动化程度高。缺点沉积速度慢，只能完成氧化铝的沉积，需另增 PECVD设备 完成氮化硅覆膜，体积大，产能提高难度大。理想能源的 In-line方式的平板 ALD几种背钝化设备的特点分析4、管式 ALD法制备 Al2O3优点低温（ 200250度）沉积，可以精控薄膜厚度和质量，双面生长， TMA消耗少，管管叠加架构，产能增加容易， PM间隔时间长，片盒 承载方式。缺点沉积速度慢，长厚膜产率下降快，只能完成氧化铝的沉积，需另增 PECVD设备 完成氮化硅覆膜。NCD的 Lucida GS 1600系列几种背钝化设备的特点分析5、单片悬浮式 ALD法制备 Al2O3优点低温（ 200250度）非真空沉积，可以精控薄膜厚度和质量，单面生长，低功耗、 TMA消耗少， in-line 方式、占地小 。缺点沉积速度慢，易碎片，只能完成氧化铝的沉积，需另增 PECVD设备 完成氮化硅覆膜沉积。SoLayTec的 In-Passion空间型 ALDALD与 PECVD两种成膜方式工艺线路对比ALD管式 SiNx工艺优点 钝化效果更好， PERC电池效率更高 设备维护简单，整体开机率高 Al2O3膜厚相对较薄，耗源量少，降低运行成本 电池流程可灵活选择，背 Al2O3背SiN正 SiN，或是 背正背 正背背 N型高效电池上能应用PECVD工艺优点 Al2O3膜 与 SiN膜在同一台设备内完成，减少了一步自动化设备，降低了因此步自动化造成的不良，设备占地面积相对较少，操作人工相对少 可以扩展为三合一设备，进一步减少占地面积和人工操作两种方案都已得到量产验证。随着 ALD设备的成熟，其工艺优点和性价比被市场认同。其份额由 2016年不到 10，到 2017年至今的新增 PERC线占比超过 50。平板式 ALD与管式 ALD对比平板式 ALD 管式 ALD电池效率 单晶多晶目前较PECVD都有优势，生产效率稳定单晶持平 PECVD多晶效率略低（仍需更多量产验证）绕镀问题 单面镀，无绕镀 采用双面镀规避绕镀问题，正面需使用特殊银浆匹配，单面绕镀较严重划痕与碎片 硅片平面放置，无划痕，碎片少密集放置插片较容易产生划痕最大产能 6000片 /小时3-10nm 厚度产能基本不变6000片 /小时，增加容易产能与镀膜厚度成反比占地面积 较大 较小两类量产 ALD的工作原理背钝化设备PECVD厂家Meyer Burger（板式）、 CT、丰盛装备（管式）、 Manz、 Singulus、 SemcoALD厂家 SolayTec（ 单片 ）、 BeneQ、 Levitech（ In-Line）、Picosun、理想能源（平板）、江苏微导、 NCD（管式）APCVD厂家 SchmidPVD 无量产设备厂家国产背钝化设备凭借 ALD强势崛起现在的优势不意味永远的优势，哪种技术实现突破，很可能现在的劣势会变成优势2017年以前，平板 PECVD一家独大， 2018年开始 ALD剑露锋芒背钝化设备氧化铝膜厚（ nm）TMA 消耗量（ mg/片）氮化硅覆膜氮化硅覆膜厚度（ nm）反应气体沉积 工艺温度沉积速率nm/min.）Up-timePM间隔钝化工序良率产能（ wph）/台1 平板PECVD20-25 10 有 100-120N2O、TMA、氩气单面沉积4010094 短 95-98 60002 管式PECVD15-25 9 有 100-120N2O、SiH4、TMA、NH3、氩气、N2、CH4单面沉积400-500度≥8 98-99 长 96-97 2800-31003 ALD 5-6 2-3.3 无 100-120H2O、TMA、氩气单面 /双面沉积100-250度2 95-97 较长 95-97 4000-60004 APCVD15-25 15 无 100-120－ / 长 / 3000四、几种背钝化设备关键技术指标五、主要量产背钝化设备制造商1、平板 PECVD钝化设备 Meyer Burger 2、管式 PECVD钝化设备 Centrotherm、丰盛装备等3、管式 ALD设备芬兰 PICOSUN、 BeneQ、韩国 NCD、江苏微导、 Singulus4、平板 ALD设备理想能源5、单片 In-line ALD荷兰 SoLayTec、 Levitech6、 APCVD德国 Schmid2011年， SoLayTec首次评估 ALD技术2012年， Roth Rau和 InnoLas宣布平板 PECVD激光开孔方案2013年， 3D-Micromac激光开孔设备的 on-the-fly技术，提升激光开孔效率2014年， SoLayTec的 ALD设备 “InPassion”系统进入市场2014年， Meyer Burger的 MAiA设备，批量应用2014年，台企 PERC电池率先量产，多种设备技术路线，产能 1GW2015年， SolarWorld大量使用 MAiA 2.1设备，国内大厂开始扩产 PERC电池主要选择 MAiA系统2015年，国内配套的激光开孔设备，获得市场青睐2015年，国产 Ideal ALD设备开始试产 PERC多晶电池，后多家跟进试用2016年，国内一线大厂批量应用 MAiA 设备，市场份额高达 80以上，中国PERC电池产能跃居全球第一。2017年， ALD管式 PECVD（镀 SiNX膜）方案渐成熟， MAiA份额下降2018年， ALD管式 PECVD覆膜份额首次领先 ,新增市场份额约占 60，国产设备逐渐开始得到批量应用，累计订单量超过 10GW六、背钝化设备的应用情况钝化设备的选择要素产品性能（效率）产品良率一次购入成本Uptime使用维护成本售后服务技术提升空间1、平板 PECVD钝化设备 国内基础薄弱，关键零部件受限制，差距大，突破难2、管式 PECVD钝化设备 常规氮化硅减反射膜 PECVD国内有良好设备基础，性能、稳定性均与国外相当，性价比远超国外同行，只是 PERC电池的配套工艺是弱项。最易于旧产线升级，可能是国产设备在 PERC领域 的突破点之一3、管式 ALD设备 市场势头猛 ，性价比高，增大产能容易，结合国产管式PECVD淀积氮化硅覆膜已显露优势 。设备的长期稳定性有待考验。4、板式 ALD设备 国内基础良好，设备性能稳定，累计订单约 8GW，尤其在多晶 PERC电池经验丰富。单机产能的提高较难。性价比有待提高。所有国产设备的售后服务都是强项七、国产设备与进口设备的差距及努力方向八、 PERC电池背钝化设备的发展展望（一）技术潜力大，应用空间广1、 PERC技术与现有产线兼容度高，易于进行产线升级，常规电池产线超过 50GW的巨大存量产能，可以部分升级盘活利用。2、 PERC技术在 P型单晶上效率可提高 1，在多晶上效率可提高 0.75。未来 PERC可以 多主栅 SE B局部掺杂 TOPCon 双面 PERC技术等进一步提升效率，潜力可达 25。多晶电池则组合金钢线切割和黑硅技术，提升性价比2016年 10月，德国机械制造商协会（ VDMA）公布了第七版国际光伏技术路线图（ ITRPV）预测PERC及相关的 PERT、 PERL电池，在 2015年市场份额 10的基础上，2016年将增至 15， 2018年将增至 20， 2020年接近 30。