【CITPV】高效晶硅太阳电池技术进展

Nantong Sumin Renewable EnergyTechnology Ltd. 南通苏民新能源科技有限公司 目录 晶硅太阳电池技术演变历史 PERC结构电池技术进展及升级路径目前先进电池结构、工艺制程及成本对比先进电池产业化的技术瓶颈及关键技术总结 一、晶硅电池技术演变历史 一、太阳电池演变历史（欧姆接触、P-N结原理） 电池类型 晶硅 硅薄膜 叠层多晶 单晶效率 22.28 26.6 14.0 46.0机构 Fraunhofer Kaneka AIST Fraunhofer可靠性 产业化水平 24.06%22.04% 6〞Multi PERC cell23.15%6〞Mono TOPCon cellJolywoodJinko 一、晶硅太阳电池演变历史1954 Bell 4.5% 1958 Space BSR 10-12% 1976 单/多晶BSF电池 15% 2014至今 单/多晶PERC电池 22.5/20.5%HJTTOPCon ？黑马？ 一、晶硅太阳电池演变历史--主流产业化晶硅电池技术路线 N-type Homojunction P-typeHP Mono-silicon 21.0-21.3% 22.8-23.3%22.5-23.0%硅片品质、细栅等工艺优化 P-typeHP Mono-like21.4% 21.90-22.20% 22.5-22.8% 23.2% Efficiency 效率 Time时间19%20%21%22%23% 24% 2017.1 2018.1 2019.1 2020.1 2021.1 P-type HP Multi-silicon19.2% 19.8-20.3% 20.3-20.5% 20.8-21.0%21.3-21.9% 25% nPERT 多晶黑硅PERC+MBB多晶黑硅 多晶黑硅PERC单晶PERCAlOx钝化优化 铸锭单晶PERC 铸锭单晶PERC+SE21.9-22.4%多晶黑硅PERC+MBB+体性能单晶PERC 21.3-21.5% 单晶PERC低电阻率21.6-21.8% 单晶PERC+SE21.8-22.2% 22.4-22.8%单晶PERCMBB 单晶PERCSE+栅线细化+背面掺杂nPERT离子注入 nPERT离子注入 TOPCon nPERTin-suit TOPCon N-type Heterojunction nHJTTCO22.45% nHJTTCO+钝化薄膜22.5-23.5% nHJTTCO+金属化+HBC23.5-25.0%？23.5-24.0%？ 一、晶硅太阳电池演变历史--主流产业化晶硅电池极限效率模拟主流电池结构不发生实质变化前提下，围绕复合电流密度和电阻功率损失模拟结果如下：同质结理论极限 26.6%Kaneka 25.8%Fraunhofer 二、PERC结构电池技术进展及升级路径 二、P-PERC硅电池技术现状产业化pPERC电池技术构成 （~22.2%,5BB）ü硅材料体性能的不断提升；ü选择性发射极设计（LDSE）；ü热氧化/退火技术加载；ü双面电池的技术开发；üAnti-LeTID技术加载。 2 2 .2 %LDSEThermal oxidation Bifacial Reliability Low resistivityBulk τ测试标准 LeTID et al 二、P-PERC 电池效率关键技术突破工 艺 优 化 体 性 能μs 发 射 极fA/cm2 前 金 属 复 合fA/cm2 接 触 电 阻ohm.cm2 背 面 复 合fA/cm2 背 金 属 复 合fA/cm2 接 触 电 阻ohm/.cm2 遮 光 面 积%/线 宽现 阶 段 （ ~22.2%） 300 80 800 1.2 24 23 2.5 BL优 化 后 1000 30 100 0.4 5 4 0.4 细栅-10μm Quakka3 模拟结果 技术升级 0 0.10% 0.10% 0.10% 0.30% 0.50% 0.10% 0.37% 0.30%Baseline 22.0% 22.0% 22.1% 22.2% 22.3% 22.6% 23.1% 23.2% 23.6%Baseline 前表面复合 前表面接触 金属遮蔽 发射极复合 体性能提升 背面复合 背面接触 背场复合21.0%21.5%22.0%22.5%23.0%23.5%24.0%Eff. % 背面TOPCon结构加载（？LPCVD？）23.9%23.1% 二、P-PERC 关键技术突破 -- 前表金面属化优化+0.2%↑l PERC 电池前表面的复合改善途径；l 主栅金属栅线漂浮型浆料加载；l 栅线细化并采用二次印刷。 ①栅线细化 ②主栅非烧穿 ③优化表面扩散30 fA/cm2600 fA/cm2 二、P-PERC 关键技术突破 --前表面MBB+0.3%p 增效原理MBB技术加载，优化电流传输路径。1. 细栅线串联电阻损耗降低≥30%↓，电池片效率提升≥0.3%↑；2. 圆形焊带降低焊带遮光面积28.9%；3. 组件功率提升≥2.0%，同时电池片的银浆耗量减少17%以上；注： 组件功率提升数值计算，基于同一批电 池片制作的常规五栅组件。ü MBB有效地提升电荷的收集效率，降低前表面的接触电阻；ü MBB可以降低背面铝栅线接触电阻对效率的影响，为提升双面电池效率和单面类点型激光开槽图形提供空间 二、P-PERC 关键技术突破 --前表面SE掺杂+0.25%↑1. 对位精度决定激光重掺线宽；2. 主要影响对位精度的参量：① 激光位置重复精度（±15μm）② mark点对准精度（±5μm）③ 网版印刷张力（±15μm）④ 印刷机台机械误差（±15微米）3. 非接触重掺区面积占比~5.5% 5.5% → 2.7% （重掺线宽120μm → 80μm） 复合电流密度Joe降低10fA/cm2 二、P-PERC 关键技术突破 --金属化‘硼’局域掺杂+0.2%↑ 常规PERC Alp-type SiSiNxSiN x/Al2O3局域硼背场 Ag轻掺杂重掺杂p-type Si SiNx SiN x/Al2O3Local BSF Ag PERC(SE)+双面+局域‘硼’掺杂背场背面金属化及浆料升级1.增加局域接触的有效掺杂，改善接触电阻；2.增强场钝化效应，提升选择性透过性，改善光生载流子吸收系数；3.均匀开孔设计，改善电流传输机制，降低光生载流子到达结区（包括高低结）的传输距离； n [cm-3] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 50100150 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24 1.26 1.28 x 1015 electron J [mA/cm2] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 50100150 5 10 15 20 25 30 35 hole J [mA/cm2] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 50100150 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 500 1000 1500 2000 2500 30006.8 6.9 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 x 10 4 detected luminescence intensity [a.u.] x [m] Quokka v2.2.5 二、P-PERC 关键技术突破—正面选择性透过薄膜类型及对比Electron-selective J0,e(fA/cm2) ρc,e(Ω.cm2) Ref Hole-selective J0,e(fA/cm2) ρc,e(Ω.cm2) RefP-diffused n+ 109 0.26 [1] Al-doped p+ 550 0.005 [3]a-Si:H(i)/a-Si:H(n) 2 0.1 [2] a-Si:H(i)/a-Si:H(p) 2 0.4 [4]SiOx/poly-Si(n+) 2-10 c-Si a-Si:Hnc-SiOx:Hnc-SiOx:HAgHJT+纳/微米晶膜层产业化PERC电池 or ？迭代电池？ 三、可产业化高效晶体电池竞争力分析P PERC+SE N TOPCON N HJT HBC 没有最 优，只有最匹配工艺难点 氧化铝钝化，激光开孔 硼扩散，多晶硅生产/掺杂，氧化铝钝化 高效清洗，非晶硅制备，TCO制备，生产过程控制 高效清洗，高性能硅片，金属电极设计，生产过程控制工序步骤 10 12 4 11量产平均效率 22.0-22.5% 22.6-23.0% 22.5-23.5% 24.5%实验室最高效率 隆基 24.06% Fraunhofer 25.8% Panasonic 25.2% Kaneka 26.6%双面率 75% 85% 90% -核心设备 ALD，PECVD，激光 LPCVD，硼扩散炉 PECVD，PVD/RPD成本系数 1.0 1.2 ？ 2.0 1.2？ 2.5？国内代表 乐叶，晶科，阿特斯，晶澳 天合，中来，乐叶，晶科 上澎，晋能，中智，钧石，通威 科研院所衰减 首年2.5%，以后0.5%/年 首年1.5%，以后0.5%/年 零PID,零LID 零PID,零LID兼容性 常规量产升级，兼容性高 大部分工艺兼容，兼容性适中 完全新建车间，与常规产品不兼容 完全新建车间，与常规产品不兼容 综合评价 性价比高，需解决较高光衰问题，特别是背面的衰减 工序增加，购置增加，潜力较大，是PERT电池的未来升级方向 效率较高，工艺步骤少，适于产业化，但成本较高 效率高，工艺复杂，成本较高不适宜于量产 先进电池产业化的技术瓶颈及关键技术TOPCon电池产业化瓶颈及技术路线 N型TOPcon电池结构产业化技术技术进展★ 25.8%： TOPCon mono ——FraunhoferVoc/mV Jsc/mAcm-2 FF/%7 2 4 .9 4 2 .5 8 3 .3 R. Goslich, https://idw-online.de/en/news688784. 2018. F. Schindler, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 185, 198 (2018).Armin Richter, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2017. 173: p. 96-105.Voc/mV Jsc/mAcm-2 FF/%7 2 6 .6 4 2 .6 2 8 4 .2 8 Voc/mV Jsc/mAcm-2 FF/%6 7 4 .2 4 1 .1 8 0 .5 ★ 22.3%: TOPCon multi ——Fraunhofer26.1%:IBC-POLO mono ——ISFH Di Yan, App. Phy. Lett., 2018. 113: p. 061603.Armin Richter, Prog. Photovoltaics Res. App. 2017. 26(8): p. 579.Voc/mV Jsc/mAcm-2 FF/%7 1 4 .2 4 2 .4 8 0 .824.3%： rear-junction mono ——Fraunhofer 23%： BSF mono ——ANUVoc/mV Jsc/mAcm-2 FF/%7 0 1 4 1 .1 7 9 .9 n-typep-type 实验室已经取得了令人瞩目的成绩，尤其是Fraunhofer和ANU分别在n型和p型硅衬底上都取得了被认为是PERC电池瓶颈的电池效率。 TextureBoron DiffusionRear Side PolishLPCVD/PECVDAnnealingCleaningEdge etchingAL2O3 Depo Front/Rear PECVDMetal Printing/LIP N型TOPcon电池工艺方案x p 短路电流改善ü 光学匹配，提升电池短波QE，电流提升；p 背面复合改善ü 优化掺杂工艺及退火工艺，降低背面复合ü 优化背面金属化实现良好接触，引导电流一维传输； nPERT nTOPCon N型TOPcon电池结构产业化技术现状及能效损失分析TOPCon Voc Isc Jsc FF Efficiency Mass production AVE 692.4 9.926 40.32 80.83 22.56Mass production best 694.5 9.978 40.53 81.24 22.85Simulation 692.4 9.978 40.28 80.81 22.5422.00 22.50 23.00 23.50 24.00 24.50 25.00 other lossPoly Contact Recom.Eemetter Contact Recom.Emitter Recom.Bulk lifetimeContact RcEmetter RsheetBulk RseriesExternal RsBaseline1. 外接电路的电阻功率损失2. 金属化欧姆接触复合损失3. 发射极复合ü 优化接触电极，降低光遮挡及串联电阻损失;ü 降低界面复合；ü 降低串联电阻损失。纳/微米晶是方向 ～RFHJT电池结构产业化技术瓶颈（装备、材料国产化，设计工艺创新）效率优势幅度小设备/产线投资门槛高没有明确技术路线非晶硅薄膜制备均匀性掺杂非晶硅的光学吸收特气的使用（磷烷） TCO薄膜难以兼顾光学吸收和迁移率靶材昂贵 制约资本投入该结构电池的核心工序 1. 非晶硅薄膜的光学吸收；2. 特气审批难度大技术瓶颈 数据分析 预期解决方案Eta~23%a-Si光学吸收CVD/PVD设备昂贵 1. 单瓦成本高；2. 设备工艺需验证3. 效率↑24%; 光学吸收 迁移率平衡 1. 低温浆料工艺；2. 光电特性矛盾；3. 辅材昂贵； 1. 设备国产化2. 电池效率提升3. 工艺优化1. 膜层替代材料2. 过渡金属氧化物，降低光学吸收 1. TCO薄膜研发2. 电极工艺研发--电镀、MBB等3. 新型靶材研发辅材昂贵膜层实现方式待定 HJT太阳电池工艺产业化进展--HJT成本下降预测Current成 本 Thin wafer: 180150125 Voc(1) Metallization MBB，Smart wire, Cu plating, new paste Jsc FF(2) (3) Jsc Voc FF(4)主要途径：1.降低料耗2.设备升级改造3.工艺优化，电池效率提升2018年 2020年 2022年 2024年 2026年1.46 元/瓦1.13 元/瓦1.06 元/瓦0.90 元/瓦1.76 元/瓦 （项目建设期） Modification ofPECVD/Cat-CVDRPD/PVDCell cost will be reduced by 50% in 3-5 years by equipment, material and process optimization 先进电池产业化的技术瓶颈及关键技术迭代电池产业化技术研发路线