晶体硅电池可工业化技术分析和前瞻(20180813152820)

晶体硅电池可工业化技术分析和前瞻 (一 )近来传统晶体硅太阳能电池的技术开发水平大幅度提升， 出现如 STP 的 PLUTO 电池， 英利的 PANDA电池， CSUN 的 SE 电池， JA 利用硅墨形成 SE 等已工业化技术。这些技术各有其优劣。这里不做详细评论，下面将探讨除上述电池结构外可工业化的电池结构或技术（资料来源于网络及文献）。根据各国太阳能电池开发实验室及部分企业的研究成果，有如下几种技术具有潜在的发展：1. 德国 ISE 的 LFC (laser fired contact) PERC cells ，该电池制作利用 Nd:YAG 激光烧蚀沉积在氧化硅或者氮化硅上面的薄膜铝金属，实现低串联电阻的欧姆接触。由于背面电池采用了点接触的结构，金属复合大幅度减少，背面电池的钝化性能大幅度增加。该技术解决了传统电池背面复合高的缺陷。利用这种技术在 P 型衬底上，该机构获得了 21.6% 的转换效率。下图一显示了其典型的电池结构及不同基底材料 LFC 电池典型的 I-V 参数。图一： ISE 典型的 LFC 电池结构 表一：不同基底材料 LFC 电池的典型特点：结合激光技术，金属成膜技术，衬底要求低，易推广，可实现高效电池的批量制作 I-V 参数2. 背接触电池，该电池工艺利用光刻或精密丝网印刷技术，结合分区扩散工艺，实现电池背面 PN 结的形成。 该电池背面金属电极呈手指形状， 也有人称其为 IBC 电池， 焊接位置位于边缘的 6 个接触点上。 但是，由于该技术需要使用电镀工艺（ Ni+Cu+Ag/Sn ），该工艺技术的实现需要很强的技术势力。目前通过工艺的不断优化，在 2010 年 SUNPOWER 获得 24.2% 的最高工业化电池转换效率，刷新了工业化电池的效率记录。下图二显示了其典型的电池结构图二：典型的背接触电池结构 表二： Sunpower 电池某一天产线典型的效率分布图 (实心柱状图）及对应 A300 的效率分布（空心柱状图）特点：电池高效，唯一已工艺化的背接触电池，外观美观，尤其是组件外观，零衰减。原材料的特殊需求（高寿命的 N 型硅片），成本（复杂的工艺）3. SANYO 的 HIT 电池，该电池工艺同样采用在 N 型硅片衬底上利用异质结技术实现高效电池的制作。该电池采用非晶硅钝化发射结和薄发射结的技术，实现高 VOC 电池的制作（ 747mV 的 Voc:2010 年西班牙PVSEC 上展示的最新成果） ,近来获得了 22.8% 的电池光电转换效率。由于采用了非晶硅钝化技术和薄发射结技术，其技术对设备的要求苛刻。该公司目前已经在不同国家转让其技术和设备，据说设备成本非常昂贵。下图三，四分别显示了其典型的电池结构及 AIST2009 年的测试结果。图三：典型的 HIT 电池结构 图四： 2009 年 7 月日本 AIST 测试的最高 HIT 电池 I-V 参数特点：电池高效，唯一工业化的利用非晶硅钝化的异质结电池；可做双面电池结构，做 BIPV 应用的话，组件外观漂亮，电池零衰减。由于非晶硅特点，需要研究其长期稳定性。实际的薄膜工艺控制是难点。4. 正面结 N 型电池（ Fraunhofer ISE ）：该电池工艺采用新的表面钝化技术（ Al2O3 ）在 N 型硅片衬底上实现高效电池的制作。该电池采用 Al2O3钝化发射结技术， 实现 23.9% 效率电池的制作 ,。 由于采用了 Al2O3 钝化技术， 该技术的导入引起业内 Al2O3钝化技术的井喷式发展（工艺研究和设备制作）。现在研究有成型的设备，如 R&R, BENQ 等。下图五显示了其典型的电池结构图五： 典型的正面结 N 型电池结构 表三： 2010 年正面结 N 型电池的最高效率电池的 I-V 参数特点：高效，比背接触电池具有低的技术要求及可能的成本优势，不足之处是正电极要进行金属蒸镀。如果利用丝网印刷技术的话，其技术应用前景广阔。5. EWT/MWT 技术，该电池结构设计源于 Sunpower 的背接触电池，利用激光技术将硅进行钻孔（ laser drilling ）处理 ,然后进行腐蚀去损伤层处理。由于在工艺工程中需要采用分区扩散的掩膜技术，注定其工艺成本较高。利用这种技术，在 P 型多晶硅衬底上，已获得了 18.8% 的转换效率。下图六显示了其典型的电池结构。图六：典型的 EWT/MWT 电池结构特点 1：目前最高效的多晶体电池制作工艺，结合电池封装工艺，可以实现非常小的 power loss. 难点要关注起激光的选择，激光打孔工艺的优化及金属浆料的选择。此外，由日本三菱公司开发的多晶硅电池在 2010 年也获得了 19.1% 的多晶最高效率。但是由于其使用 RIE 技术，激光打孔技术，其成本昂贵。下图七仅简单显示其电池结构。图七：日本三菱公司开发的高效多晶电池结构晶体硅电池可工业化技术分析和前瞻（二）作者： JACK NI随着 2008 年中电光伏的 SE 电池的成功量产，打开了高效实验室产品工业化的闸门。 SE 工艺作为实现高效电池制作的必要工艺之一，越来越引起各晶体硅太阳能电池制作商和设备商的关注。不管是晶奥的高效率晶体硅电池还是比利时 IMEC 的 i-PERC 高效电池， 都成功利用了 SE 技术。 下面将详细讨论 SE 工艺可能实现工艺路径及相关设备（资料来源于网络及文献）。根据各大设备和电池制作公司网络、展会及专业杂志发布的消息，有如下几种 SE 工艺技术：1、 激光开槽技术 （ Laser grooved buried contacted solar cells, LGBC ） ， 该技术源于新南威尔士大学 （ UNSW ）开发的技术，而 BP 公司是最早利用激光技术在晶体硅电池制作中实现 SE 技术工业化的公司，其产品命名为 Saturn 。该产品利用先进的激光技术实现细而窄的金属栅线接触区，结合电镀工艺实现了高效电池的制作。图 1 显示该技术与普通晶体硅电池制作技术的异同。图 1： UNSW 和 BP 公司普遍采用的 LGBC 工艺与普通晶硅电池制作工艺流程特点：结合激光技术、二次扩散技术和电镀技术，实现了高效率产品的研制；需要考虑激光损伤层、电池制作成本及电镀金属的可靠性；是最早的工业化高效电池。2、激光掺杂技术（ Laser doping selective emitter, LDSE ） ,该技术是在原 LGBC 基础上衍生出来的、可实现 SE 电池制作的技术。目前使用该技术的厂家有 Suntech 、 Manz 和云南天达等公司。图 2 显示了利用激光技术实现 SE 电池的制作的多种工艺途径：（ 1） “ 干 ” 激光处理工艺典型的技术工艺核心就是各激光公司采用的激光辐照含磷薄膜或 PSG 薄膜。一般使用激光主要在绿光和红光，波长各为 532nm 和 1064nm ，也有公司采用紫外激光光源。这几种激光对电池制作的主要区别是产生热影响层程度不同。图 2：各种激光掺杂技术（图片来源于杂志）图 3 显示了 J. R. K? hler 在 2009 年 Hamburg 报告的研究结果，他利用激光技术，将硅片扩散后形成的 PSG 层作为杂质源进行掺杂处理， 实现了 SE 电池的制作。 实验对比结果显示 SE 电池比普通电池有 0.5%效率的提升（表 1）。图 3：各种激光掺杂 PSG 技术 表 1： SE 工艺与普通电池工艺制作电池效率的对比（ J. R. K? hler ）此外，国内著名的上市公司 STP 制作的 Pluto 电池就是利用激光掺杂工艺，结合电镀工艺实现了高效电池的制作。 在 2009 年官方消息发布了经德国 Fraunhofer 的太阳能系统研究所认证过的电池效率结果，单晶硅太阳能电池的转换效率达到 18.8% ，多晶硅电池达到 17.2% 。（ 2） “ 湿 ” 激光处理工艺，该技术目前主要是由湿制程设备制造商 RENA 联合一家激光公司共同开发的技术。该技术的主要特点是利用含磷化学溶液对激光进行导向，并利用激光进行介质层烧蚀并形成重掺杂区，随后利用 RENA 公司的 InCell Plate 自调性电镀工艺 (Ni/Ag 或 Ni/Cu/Ag) 实现金属电极的制作。利用该技术可以获得比普通电池高 0.5% 效率的电池。特点：该技术暂无在企业界规模化使用的案例，是否有如此高的效率提升值得考究；技术优势明显，但成本及产品的可靠性需要进一步考量。图 4：典型的 “ 湿 ” 激光 SE 电池制作工艺3、 Etching back 技术，该技术利用腐蚀浆料将非掩膜区域进行刻蚀实现淡扩散区域的制备，具体工艺路线见图 5。该图显示了 Sch - mid 公司如何利用 Inkjet 技术涂覆石蜡来保护实现金属接触的区域，如何对非接触区域利用化学溶液腐蚀和实现 “ 浅 ” 发射结的制备。据说业内已经有多名厂家在使用该成套设备，而且获得了单晶 18.5% 左右的效率。图 5：典型的 Etching back 技术（ Schmid 公司典型的工艺路线图）特点：该工艺单多晶电池兼容，但石蜡的去除、原始方块电阻及结深的控制是技术难点；同时如何实现均匀腐蚀也是需要关注的地方，即刻蚀后电池的方块电阻的均匀性及批次的重复性。4、硅墨水技术（ Silicon Ink ），该技术利用工业化的 Inkjet 设备将 Innovolight 公司开发的掺杂硅墨水印刷在与金属将要接触的区域，然后在高温炉进行一次扩散形成淡磷扩散分区。目前 JA 公司已经规模化使用该技术，而 SOLARFUN 、 YINGLI 等公司已经与 Innovolight 达成共识，开始制备规模化推广该技术。据最新报道， Innovalight 公司最近将该产品的效率提升到 19% 以上，并计划年底实现 20% 的水平（见图 7 及表 2）。鉴于此，晶澳太阳能控股国内公司与 Innovalight 公司签署的一项联合开发协议，这表明 Innovalight公司准备将 JA 公司近期推出的 SE - CI UM 高效太阳能电池的转换率提高至 20% 以上。特点：该技术工艺简单，只需增加一台印刷机，就可实现效率的大幅度提升，在现有工艺设备基础上也容易升级；难点是如何保证该硅墨物料的充分供应及产品的稳定性。同时，硅墨的成本也需要考虑，一般纳米材料的价格都不菲。图 6：典型的 Silicon Ink 技术图 7 及表 2： Innovalight 最新研究结果5、 CT 公司 SE 工艺， CT 公司采用了一种叫 “ 一次扩散 ” 的工艺，利用薄介质层做掩膜，将与电极接触的区域进行去掩膜处理，然后在扩散炉中，利用掩膜层对 POCL3 的局部阻挡效应，在电极区形成重掺杂区，在掩膜区形成轻掺杂区。图 8 显示了 CT 公司典型的 SE 工艺流程， 该工艺流程较简单。 据文献报道， 该工艺已经获得了 18.3%左右的电池转换效率。详细的 I-V 参数见表 3。特点：该电池工艺采用一次扩撒工艺，工艺简单，但是需要解决介质层的均匀性问题，以及如何匹配浓扩与淡扩散的关系，优化浓扩区开孔的尺寸。图 8： CT 公司典型的 SE 工艺流程表 3： CT 公司 SE 电池最新测算结果（ B+L ）此外， 作为 SE 开发的先驱者， 中电光伏公司开发的 SE 电池至 2008 年量产以来， 获得了广大客户的赞誉。 该公司开发的 SE 电池使用多次扩散工艺， 已经获得了平均 18% 以上、 最高 18.6% 的电池转换效率。特点： SE 电池制作的成本及高温对电池效率的影响是该工艺的难点。