基于PECVD路线的高效TOPCon晶硅太阳电池技术发展现状---中国科学院叶继春

中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 江苏无锡 2020.11.05 基于PECVD 路线 的 高 效TOPCon 晶 硅 太 阳 电 池 技 术 发 展 现 状 叶 继 春 中国科学院宁波材料技术与工 程研究 所 2020 1中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 报告目录 1 2 3 TOPCon PECVD PECVD 4 2中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 PERC: 22.5%-22.8% → ~23.5% TOPCon: 23.5%-24% → ~25% ◆ 钝化接触技术是高效晶硅太阳电池的发展方向（TOPCon ，SHJ ）。 ◆ 隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon ）技术具有效率高、 兼容现有产线 等优点，受到行业广泛认可。 ◆ 根据亚化咨询统计：2020 年7 月-10月国内新增建设和规划 中的高效太阳电池产能高达173 GW 。TOPCon 技术市场前 景广阔，尤其是平价上网时代即将到来的时候。 晶硅电池技术发展趋势 3中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 Tunnel Oxide Passivated Contact TOPCon n 1.2~2.5nm TOPCon 技术的定义 4 + ✓ J 0,pass ~1-2 fA/cm 2 ✓ J 0,met ~30 fA/cm 2 Pilot line ~24%中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 5 硅片 氧化硅 掺杂多晶硅 5大作用 氧化硅的化学钝化作用 扩散掺杂原子的场钝化作用 氧化硅的氢捕获钝化作用 掺杂多晶硅的吸杂作用 掺杂多晶硅的载流子选择性收集 氧化硅/ 掺杂多晶硅作用机理 Sol Energy Mater Sol Cells, 2020. 206: 110256 ACS Appl Energy Mater, 2018. 1(5): 2275 Sol Energy, 2017. 155: p. 654 Sol Energy Mater Sol Cells, 2020. 208:110389. Sol RRL, 2019. 3(10): p. 1900105 Sol Energy Mater Sol Cells 2014.131: 100中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 Electron-selective J 0,e fA/cm 2 ρ c,e m Ω.cm 2 S 10,e 1 P-diffused n + 100 260 12.0 2 a-Si:H(i)/a-Si:H(n) 0.9 100 14.5 3 SiO x /poly-Si(n + ) ~1 5 15.7 Hole-selective J 0,h fA/cm 2 ρ c,h m Ω.cm 2 S 10,h 4 Al-doped p + 550 5 12.9 5 PERC ( 开孔率4.5%) ~60 10 13.6 6 a-Si:H(i)/a-Si:H(p) 2 400 13.5 7 SiO x /poly-Si(p + ) ~3 8 15.0 1. IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 6, No. 6, November 2016 2. Solar Energy Materials and Solar Cells 187 (2018) 39–54 ( ) 选择因子 定义： 理论效率 预测： TOPCon 技术在钝化、接触、理论效率等方面的优势 ◆ 1. TOPCon 2. TOPCon 6中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 • 硝酸 • 臭氧水 • 混合酸 • 臭氧 • 等离子氧化 • 热氧化 • 等离子体增 强原子层沉 积 • …… 湿化学氧化法 气相氧化法 LPCVD PECVD • 本征多晶硅 • 掺杂多晶硅 晶化处理 • 常规炉退火 • 快速热退火 • 链式炉退火 • 其它方法 多晶硅薄掺杂 • 管式炉扩散 • 离子注入 • 旋涂扩散 • 掺杂非晶硅 氢化处理 氧化硅制备 掺杂多晶硅薄膜制备 氢化处理 • 氮化硅 • 氧化铝 • 氧化铝/ 氮 化硅 • 混氢退火 • 水汽处理 • …… Sputtering • 掺杂非晶硅 TOPCon 结构的制备方法 7中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 高效TOPCon 电池及其技术路线 8 25.8% Front junction 26.0% Rear junction ◆ 截至2020 年10 月 ， 全世 界 总共 发 表230 余篇 期 刊和 会 议论 文 ， 为晶硅电池技术的研究热点。 ◆ 高效TOPCon电池效率 ✓ 26.1% ( 全背面电极结构，德国 哈梅林) ：LPCVD ✓ 26.0% ( 双面电极背结结构，德 国Fraunhofer) ：PECVD ✓ 25.8% ( 双面电极正结结构，德 国Fraunhofer) ：PECVD ✓ 24.87% ( 双面电极正结结构，晶科 能源) ：LPCVD ✓ 24.0% ( 双面电极正结结构，中 来股份) ：PECVD 26.1% (IBC+POLO) ◆LPCVD PECVD TOPCon LPCVD PECVD中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 报告目录 1 2 3 TOPCon PECVD PECVD 4 9中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 PECVD 工作原理 10 LPCVD 工作原理 载版 硅片衬底 多晶硅薄膜 反应气体 SiH 4 载版 硅片衬底 非晶硅薄膜 反应气体 SiH 4 H 2 PH 3 热场 等离子体场 LPCVD 与PECVD 技术的原理中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 ◆LPCVD发展时间较久，技术成熟较 高，然 而过 去2-3 年 间，良率提升缓慢，成本较高， 市场推 广缓 慢 ◆ 主要技术问题：  成膜速率低，提高产能代价大  难以原位掺杂，二次掺杂繁琐， 且增加 成本  存在绕镀，刻蚀均匀度难以准确 控制， 且增 加成本  定期停机维护，更换石英炉管和 载具， 成本 高 LPCVD 技术的不足 11中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 12 LPCVD路线 PECVD路线 PECVD 技术优势 成膜速度 3-5 nm/min (intrinsic) 1-3 nm/min (in-situ doping) 10 nm/min (in-situ doping) 掺杂方式 二次掺杂 磷扩散 or 离子注入结合退火 原位掺杂 薄膜绕镀 绕镀，需增加额外刻蚀，且刻 蚀控制较为复杂 原则上可实现无绕镀沉积 轻微绕镀也易清洗 工艺时间 本征非晶硅沉积 （120 min ） 磷扩散 or 离子注入结合退火 掺杂非晶硅沉积（20-40 min ） 晶化退火（30 min ） 耗材成本 较高 无耗材成本 其他 - - 易于制备硼掺杂及其它掺杂非晶 硅 待行业验 证的工作 电池效率 23.3%-24% (量产) 24.87% （最高） 24%（中来），需进一步提升 产品良率 90%-97% 有待验证 设备需求 LPCVD，扩散炉 or 离子注入机/ 退火炉，刻蚀机 PECVD，退火炉 取决于技术方案的配套设备 技术成熟度 较成熟 尚未成熟 LPCVD 与PECVD 技术的技术优缺点中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 13 中来于2020年10 月15 日发 布 全新 一 代J-TOPCon2.0 技 术： 基 于新一代 隧穿氧化层 和 无绕镀原位掺杂 非晶 硅沉积的钝化接触技术制造的J- TOPCon 2.0 电 池 ， 其 量产 平 均效 率 可以实现24% 以 上， 良 率 达到97% 以 上。 中来对PECVD 技 术 的 肯 定 ：LPCVD →PECVD 摘自：每日光伏新闻 PV-Tech 10月15日中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 量产装备技术研发现状 普乐、艾科威智能、 磁 控溅射) 金辰/中科院材料所、CT 、 微导、松煜 、 ( 管式PECVD) Mayer Burger 、中电48 所、理 想万里晖、 板式PECVD) SEMCO 、Tempress 、普乐、 拉普拉斯、捷佳伟创、 江苏杰太( 板式PECVD) 概念验证 样机开发 量产机台  LPCVD  PECVD PECVD PECVD 14中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 15 ◆板式PECVD 1. √ 科研界验证多年，技术可信度 高 2. √ 有SHJ 设备可以借鉴，设备成 熟度较 高 3. 设备价格较高 4. 占地面积较大 5. ？或需定期停机维护 ◆管式PECVD 1. √ 设备价格较低 2. √ 占地面积小 3. √ 维护需求小 4. 无现成设备可借鉴 5. ？开发可量产的设备及工 艺 板式与管式PECVD中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 报告目录 1 2 3 TOPCon PECVD PECVD 4 16中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 开发产业用管式PECVD 装备 17 ◆ 2016 年1 月，宁波材料 所TOPCon 项目 研究启 动。 ◆ 2016 年4 月，受博威尔 特公司 委托进 行TOPCon 技术 开发。 ◆ 2018 年底，分别与常州 时创新 能源联 合验证 管式PECVD 技术、与 上海理 想万里 晖联合验证板式PECVD 技术。 ◆ 2019 年8 月 ， 与 苏 州 拓 升智 能 装备 有 限公 司 （ 金辰 股 份子 公 司 ） 共同开发面向 TOPCon电池的管式PECVD 装备及成套工艺。 金辰注册了一个商标PERTOP ， 认 为 该 电池 既 是PERC 技 术 的延 续 ，也 体 现了 钝 化 隧穿 的 概念中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 1）实现了管 式PECVD 连 续稳定高速沉 积 掺杂非晶硅 2）实现了管 式PECVD 制 备 高质量非晶 硅薄膜并集成 氧化硅技术 3 ）实现了管 式PECVD 的 大面积、大产 能、厚度均匀 薄膜制备技术 4）实现了具 有 产业化前景 的TOPCon 电 池制备 研制单位 平均统计数据 中科院宁波材料所 2. Fraunhofer (26.0%); 3. ANU (24.7%); 4. NIMTE (24.3%); 5. Delft UT (23.0%) 3. 在Sol Energy Mater PECVD 可以赋予TOPCon结构更多的变量来满足叠层电池的需求。 27中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 • 感谢中科院宁波材料所的支持！ • 感谢全体同事和研究生的辛勤努力，尤其是闫宝 杰研究员、曾俞衡研究员、廖明墩工程师、王玉 明总经理、陈晖博士等项目核心成员！ • 感谢项目资助方及合作单位的信任与帮助！ 致谢 28中 科 院 宁波 材料 技术 与工 程研 究所 太阳能及光电子器件研究团队： 创于2012.08 • 14位全职员工（4 位研究员，3 位副研，1 位 高 工 ，6 位 中 级 ） • 50位研究生 叶继春联系电话：18868979669, 微 信 同 号 jichun.ye@nimte.ac.cn 29