汉能高效硅异质结技术研发和产业化进展-2019

汉能高效硅异质结技术研发和产业化进展 汉能薄膜发电集团成都研发中心 北京工业大学 四川大学 中国科学院电工研究所 2019年5月7日 2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 内容提要 1 汉能成都研发中心介绍 SHJ电池/组件研发技术 120MW产线进展 1 2 3 总结 42019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 汉能成都研发中心介绍 22019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 3 汉能成都研发中心介绍 • 2011 年从福建泉州 搬迁至四川成都 • 非晶硅基薄膜电池 产线投产 a-Si/a-SiGe/µc-Si Triple Junction • 2014 年6 月异质结电池 实验室建成 • 2016 年11 月正式成为 汉能第5 条技术路线 • 2017 年4 月开始24×7 研发实验模式 • 2018 年3 月120MW 异 质结生产线投产 • 2018 年6 月组建钙钛矿 研发团队 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 (n) c-Si • 2019 年1 月研发全尺寸 电 池转换效率达到24.23% （日本JET 认证） a-Si/a-SiGe/a-SiGe Triple Junction2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 内容提要 4 汉能成都研发中心介绍 SHJ电池/组件研发技术 120MW产线进展 1 2 3 总结 4 • SHJ电池技术 • SHJ组件及其应用 • 研发效率路线图2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 硅异质结技术（SHJ）实验设备 5 制绒 清洗 PECVD PVD 丝网 印刷 • 2014年6 月，SHJ研发实 验室 正式 投入 使用 ，新 增2台 设备 ：制 绒清 洗、 丝网 印刷2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 汉能SHJ电池 结构示意图 6 正面TCO 背面TCO a-Si:H(i)/a-Si:H(n) a-Si:H(i)/a-Si:H(p) 前电极 n-type c-Si(100) 背电极 c-Si ITO a-Si ~72nm N 型单晶硅片 PECVD 沉积非晶硅层 钝化＋掺杂层 ~8nm PVD 溅射ITO 层 汉能SHJ电池TEM照片 2.1 SHJ电池技术2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 7 电压 电流 填充因子 SHJ电池主要 影响因素 • 非晶硅钝化层、p/n层性能 • 硅片表面清洁度 • 后续工艺对钝化效果的影响 • 硅片厚度 • i/n 层厚度、光学带隙E g • TCO 厚度、光学带隙和载流子浓度 • 金属栅线宽度、数量 • 硅片厚度和表面金字塔尺寸 • TCO 方阻及其与掺杂层、金属栅线之 间的接 触电阻 • 钝化层厚度和掺杂层电导率 • 金属栅线电阻和数量 • 硅片电阻率 2.1 SHJ电池技术2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 8 0.69 0.7 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 Voc [V] 3 6 9 12 15 18 i layer thickness [nm] low Vd high Vd 双层钝化层：i1 — 提供钝化， 防止外延生长 i2 — 好的非晶硅质量，提升电池FF i 层厚度≤5nm 情况下，不同的工艺对钝化效果影响很大（少子寿命和V OC ） Process 1 Process 2 5nm 非晶硅层总厚度 10nm ⸺ Process 1 ⸺ Process 2 钝化层– 本征非晶硅叠层(i1+i2)2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 钝化层–H 2 等离子体处理 9 SiH 4 Flow H 2 Flow H 2 Treatment H 2 Treatment • 氢处理：提供H离子，提升界面钝化，刻蚀 Si-Si 弱键 • V OC 达到0.741V （@2000W ）, 绝对效率提 升0.24% i1 layer i2 layer2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 10  随着硅片厚度的减薄，电池V OC 呈上 升  V OC 上升的幅度与硅片质量、硅片表 面复合速率等有关  随着硅片厚度的减薄，电池I SC 持续下 降 硅片厚度2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 11  长波光反射和透过损失950-1200nm  硅片厚度每下降10µm ，J SC 下降0.07 mA/cm 2  当硅片厚度减薄，需要进一步提升入 射光的 利 用：优化制绒工艺、增加电池的陷光 等 硅片厚度2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 12 电压 电流 填充因子 SHJ电池主要 影响因素 • 非晶硅钝化层、p/n层性能 • 硅片表面清洁度 • 后续工艺对钝化效果的影响 • 硅片厚度 • i/n 层厚度、光学带隙E g • TCO 厚度、光学带隙和载流子浓度 • 金属栅线宽度、数量 • 硅片厚度和表面金字塔尺寸 • TCO 方阻及其与掺杂层、金属栅线之 间的接 触电阻 • 钝化层厚度和掺杂层电导率 • 金属栅线电阻和数量 • 硅片电阻率 2.1 SHJ电池技术2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 宽带隙钝化层–WBG+HPT 13 钝化层 Eff [%] Voc [mV] Isc [A] FF a-Si:H (i) 22.12 735.6 9.17 0.795 WBG+HPT 22.52 739.4 9.23 0.800 Effective Total Transmittance (TT e ) ( ) TT TT 1 TR e = − 入光面采用WBG+HPT 钝化层，提升短波I SC ，绝 对电池效率提升0.4%2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 14 µc-SiO x :H(n) 宽带隙窗口层 μc-SiOx:H(n) layer ITO layer wafer 电池结构 Seed layer a-Si:H(i) layer µc-SiOx:H(n)  µc-SiOx:H(n)代替a-Si:H(n)，可 以有效 减少n 型窗口 层对短 波段光 的吸收 损失  µc-SiOx:H(n)折射率介 于a-Si:H 和ITO 之间 ，起到 降低电 池表面 反射的 作用  优化µc-SiOx:H(n)层的 要求： 良好的 导电性 、合适 的光学 带隙、 对非晶 钝化层 的 轰击小、与ITO 层的接触电阻小2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 15 “Eff [%]”的变异性图 Eff [%] 23 23.2 23.4 23.6 23.8 24 A B1 B2 B3 B4 B5 3013 3015 3023 3030 3031 3032 CVD condition “”中的“” CVD炉号 “Voc [V]”的变异性图 Voc [V] 0.738 0.739 0.74 0.741 0.742 A B1 B2 B3 B4 B5 3013 3015 3023 3030 3031 3032 CVD condition “”中的“” CVD炉号 “Isc [A]”的变异性图 Isc [A] 9.28 9.32 9.36 9.4 9.44 A B1 B2 B3 B4 B5 3013 3015 3023 3030 3031 3032 CVD condition “”中的“” CVD炉号 “FF”的变异性图 FF 0.81 0.815 0.82 0.825 0.83 A B1 B2 B3 B4 B5 3013 3015 3023 3030 3031 3032 CVD condition “”中的“” CVD炉号 Sample B X c (%) = 54.9 Sample A X c (%) = 4.7  样品A: 无种子层  样品B: 有种子层  种子层可以提升μc-SiO x :H(n)层的晶化率X c ，优化 种子层 掺 杂浓度，电池效率提升约0.2% µc-SiO x :H(n) 宽带隙窗口层2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 16 窗口层 Avg Eff (%) Voc(V) Isc(A) FF a-Si:H (n) 23.70 739.5 9.36 82.84 μc-SiOx:H(n) 23.79 739.9 9.42 82.63  μc-SiOx:H(n)窗口层可提升电池I SC 60~70 mA µc-SiO x :H(n) 宽带隙窗口层2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 17 电压 电流 填充因子 SHJ电池主要 影响因素 • 非晶硅钝化层、p/n层性能 • 硅片表面清洁度 • 后续工艺对钝化效果的影响 • 硅片厚度 • i/n 层厚度、光学带隙E g • TCO 厚度、光学带隙和载流子浓度 • 金属栅线宽度、数量 • 硅片厚度和表面金字塔尺寸 • TCO 方阻及其与掺杂层、金属栅线之 间的接 触电阻 • 钝化层厚度和掺杂层电导率 • 金属栅线电阻和数量 • 硅片电阻率 2.1 SHJ电池技术2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 多层TCO技术 18  种子层：改善TCO 层结晶性，提高光 学及电 学特性  接触层：降低 a-Si:H(n)/TCO 界面接触电阻 TCO Film Eff. (%) V OC (V) I SC (A) FF (%) Baseline TCO 22.56 0.735 9.283 80.17 Multilayer TCO 1 22.69 0.736 9.322 80.14 Multilayer TCO 2 23.07 0.738 9.361 80.95 a-Si:H (n) 层 接触层 种子层 TCO 多层TCO 22.0 22.2 22.4 22.6 22.8 23.0 23.2 23.4 Baseline ITO Multilayer ITO 1 Multilayer ITO 2 0.730 0.732 0.734 0.736 0.738 0.740 0.742 Baseline ITO Multilayer ITO 1 Multilayer ITO 2 9.15 9.20 9.25 9.30 9.35 9.40 9.45 Baseline ITO Multilayer ITO 1 Multilayer ITO 2 FF 0.780 0.785 0.790 0.795 0.800 0.805 0.810 0.815 0.820 0.825 Baseline ITO Multilayer ITO 1 Multilayer ITO 2 2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 19 监控数据对比 IV results BL EXP 体电阻率 (u Ω·cm) 6.0 5.0 线宽 (um) 51.8 53.5 线电阻 ( Ω) 1.8 1.2  低电阻率银浆实 验组：线宽比BL 略宽，3D 测 试线型无明显差别，线电阻低于BL  低电阻率银浆实验组：串联电阻Rss 低于BL ， 与 线电 阻数 据相符。由于FF提升约0.6% ，Eff提升0.15%. 46.0 48.0 50.0 52.0 54.0 56.0 58.0 60.0 BL-L359 Q116 Ag paste 线宽 3D 低电阻率银浆2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 研发电池效率提升曲线–24.23% • 6 寸双面电池，5BB • PVD 溅射 ITO (90:10) • 丝网印刷电极 • 研发转换效率每年增长 ~1% 23.84 24.23 202019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 与Kaneka全面积世界纪录的对比 Kaneka 24.5% Hanergy 24.2% Hanergy Kaneka Area (cm 2 ) 242.5 239.0 V OC (mV) 742 741 J SC (mA/cm 2 ) 39.4 40.1 FF 83.0 82.5 Eff (%) 24.2 24.5 Finger shadowing a-Si / TCO bandgap, thickness 提高J SC 的途径 （模拟分析）  新型宽带隙、高迁移率TCO 材料  µc-SiO x / µc-SiC x 层等 212019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 SHJ电池 & 组件 太阳能 汽车、船只 无人机 棚顶、路灯 隔音墙等 渔光 互补 终端消 费品 … 地面/ 屋 顶电站 发电建筑 材料 中国公路、铁 路总计900万 公里，10% 安 装隔音墙，市 场规模预计超 100GW 。 中国鱼塘4500万亩， 按20% 可进行商业化 安装量，预计规模大 于240GW 。 22 2.2 SHJ组件及其应用2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 2.3 研发效率路线图– SHJ 和SHJ+ 24 24.2 24.4 24.5 24.8 25 25.2 25.3 24 24.7 25.5 26.2 26.8 27.1 27.3 25 26.5 28 29 30 30.5 31 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 2019-Q1 2019-Q2 2019-Q3 2019-Q4 2020-Q2 2020-Q4 2021-Q2 2021-Q4 转换效率 (%) 2019 年SHJ 研 发工作:  硅片减薄  硅基薄膜合金材料  微晶合金材料  新型TCO 材料 RPD Cu 电镀 …… 技术路线 世界纪录 2021Q4目标 SHJ 25.1% (Kaneka) 25.3% SHJ+IBC 26.7% (Kaneka) 27.3% SHJ+PSC 28% (Oxford PV) 31% 232019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 29.0% 42.5% 47.5% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 1 2 3 AM1.5G 转换效率 P-N 结数量 理论转换效率 SHJ + PSC 叠层电池技术 24 • 将钙钛矿电池插入ITO与a-Si:H(n)层之间 • 已开发关键隧穿结技术 • 易于与现有SHJ工艺对接 钙钛矿电池 钙钛矿电池 钙钛矿/SHJ 叠层电池 SHJ 电池2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 内容提要 25 汉能成都研发中心介绍 SHJ电池/组件研发技术 120MW产线进展 1 2 3 总结 42019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 3.1 SHJ 120MW产线布局图2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 硅片检测设备 清洗制绒设备 PECVD设备 PVD设备 丝网印刷设备 层压机 3.2 SHJ 120MW产线设备介绍2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 21.81 22.14 22.38 22.60 22.78 23.20 23.50 23.60 23.75 23.80 23.19 21.45 21.75 22.08 22.27 22.36 22.62 22.70 22.86 23.01 23.00 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 转换效率 [%] 研发冠军批次 产线冠军批次 产线日均效率 3.3 SHJ 120MW产线– 电池效率2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 3.3 SHJ 120MW产线– 电池效率2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 30 3.6 SHJ双面组件应用实例 • 超过40 个户外测试电站 • 行业内较齐全的户外发电对比数据 • 包含非晶硅锗，p-多晶，p/n-单晶（单/双 面），异质结（单/双面），铜铟镓硒（柔 性/玻璃基），碲化镉等不同技术路线2019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 内容提要 31 汉能成都研发中心介绍 SHJ电池/组件研发技术 120MW产线进展 1 2 3 总结 42019异质结与薄膜太阳电池论坛 ∙ 中国 ∙ 成都 总结 32 • SHJ研发电池效率超过24.3%，目标效率25% • 产线获得23.19%的批次平均效率，天平均效率23.01%，2019年有望 超过23.5% • SHJ+技术路线：包含和钙钛矿形成叠层电池，目标效率30%感谢关注！ Thank you for your attention!