沈文忠-为什么TOPCon电池技术会脱颖而出？.pdf

为什么TOPCon 电 池 技 术 会 脱 颖 而 出 ？ 2022年12月10 日 沈文忠 上海交通大学太阳能研究所目 录 PERC 电池 发展 及 现 状 1 2 3 4 TOPCon 电 池 技 术 及 产 业 化 总结 TOPCon 电池发展 5 TOPCon 电池优势PERC电池发展及现状 01PERC电池发展及现状 PERC 电 池 简 介 ➢ PERC 电池技术在常规Al BSF 的基础上加入背面钝化层并通过激光开槽实现金属化接触，钝化层显著降低了背面 的复合，同时通过调节背面结构，实现背面长波端的增长 ； ➢ PERC+ 结构由铝栅线替代全铝背场， 独特的局域铝背场，实现了双面发电，双面率为~70% 。 从2015年 正 式 量 产 ， 通 过 全 产 业 链 的 努 力 ， 包 括 设 备 、 辅 材 、 电 池 厂 商 等 ， PERC 技 术 发 展 迅 猛 ， 并 迅 速 占 领 市 场 成 为 主 流 。PERC 电 池 的 发 展 历 程 1989年 新南威 尔士大 学首次 报道 PERC 电池结构 ，实验 室 效率为22.8% 2013年 商 业 化储备 阶段， 晶澳批 量 试 产 效率达 到20.3% 2015年 产 业 化量产 初期， 量 产 效率达 到20.5% 2016 年 2022年 产 业 化量产 开启， 量 产 效率达 到20.8% 经过多 种技术 叠加， 包括选 择性发 射极等 ，主流 量产效 率达 到了23%-23.5% 近几年，PERC 电 池 受 益 于 其 强 大 的 性 能 与 成 本 优 势 ， 在 主 流 市 场 上 占 据 着80% 以 上 的 份 额 。 PERC电池发展及现状电 池 模 拟 中 的 效 率 提 升 的 路 径 MIN et al.: IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 7, NO. 6, NOVEMBER 2017 2017年德国研究人员通过电池模拟给出了PERC 效率超过24% 所需要的工艺路径 （1 ）selEm1 （ 选 择 性 发 射极 ） （2 ）advEm （ 发 射 极 的优 化） （3 ）BSFseg( 背 场 优 化） （4 ）Al-B-BSF （ 铝浆 中含硼 元素） （5 ）base2ms( 将硅片的体寿命提 高至2ms) （6 ）Fng30 μm （ 将 正面栅 线控制 在30 μm) （7 ）Fng30 同时提高栅线根数 （8 ） SiO 2 /SiN 膜 层应用 （9 ） 正 面 栅线 间距匹 配 （10）5BB （11 ）MBB(多主栅） （12）Cnt10 μm （ 正 面 栅线控 制在10 μm ） （13） alneal(钝化膜层的退火优 化） （14） selEm2（选择性发射极优化 ） （15） optAlO （ 优 化 氧 化 铝膜 层 ） PERC电池发展及现状正 面 光 学 提 升 正 面 膜 层 引 入SiON，通过光学模拟优化正 面膜层结构，并最终在电池端验证，其电流 密度提高0.26mA/cm 2 ,电池效率提高0.14% 。 Ma et al., Solar Energy Materials 193: 494 –501. TOPCon电池技术及产业化TOPCon 电 池 效 率 提 升Roadmap 栅线优化 背面吸光结构优化 BSL 氢钝化优化 正面SE 技术 浆料优化 硅片质量改善 现有TOPCon 量产 效 率 在24.8% 左右，2-3 年 内 效 率 可 突 破26% TOPCon电池技术及产业化TOPCon电池发展 03p-IBC 采用p 型硅片，将PERC 与TOPCon 技术结合起来，同时结合IBC 理念，背面做结 升级的优势： ➢ 正面无遮挡 ➢ 无硼扩 ➢ 金属化与PERC 类似 ➢ 多晶硅钝化在背面，寄生光吸收低 ➢ 与PERC 电 池 的 现 有 产 线 兼 容 性 高 升级所需的要求： ➢ 需做双面氧化铝 ➢ 需增加TO/Poly 膜层设备 ➢ 增加激光，且激光图形化 ➢ 丝网端对准要求高 TOPCon电池发展p-IBC研发现状 多家主流厂商采用的全激光工艺路线 ➢ p-IBC 技 术 ， 隆 基 主 推 ， 以p 型硅片为基底，工艺中仅增加poly与激光，90% 与PERC 兼容； ➢ p-IBC 背 结 结 构 ， 效 率 有 优 势 ， 但 为 单 面 结 构 ， 双 面 率 不 到50% ， 定 位 成 分 布 式 产 品 ； ➢ p-IBC 有 机 会 成 本 与PERC 接 近 ， 效 率 预 计 为24.5%-25.0%，另外组件端焊接方式需要更改。 +SiN x TOPCon电池发展p-IBC进一步降本 无Ag 化发展各种p-IBC 电池 2006, Engerlhardt, RISE: 21.5% EFFICIENT BACK JUNCTION SILICON SOLAR CELL WITH LASER TECHNOLOGY AS A KEY PROCESSING TOOL 2010, Robbelein, TOWARDS ADVANCED BACK SURFACE FIELDS BY BORON IMPLANTATION ON P-TYPE INTERDIGITATED BACK JUNCTION SOLAR CELLS 2013, Basoreet al., All-aluminum Screen-printed IBC Cells: Design Concept 2013, Woehl, Back-contact back-junction silicon solar cells with aluminum-alloyed emitter 2014, Dross et al, Quantification Of J02 Losses In p-Type All-Screen-Printed IBC Cells 2014, Desa, Optimization of p-type Screen Printed Interdigitated Back Contact Silicon Solar Cell with Aluminum Back Surface Field 2016, Haase, PVSEC-26 –2.3.2d, IBC solar cells with polycrystalline on oxide (POLO) passivating contacts for both polarities TOPCon电池发展东洋铝提供资料： ➢ Special Aluminum Surface Treatment ➢ Wide Temperature Firing Possibilities (660-900℃) ➢ TLM Results on n+ Silicon 10 mΩcm 2 ➢ TLM Results on p+ Silicon 10 mΩcm 2 ➢ One Paste Contact Both n+ and p+ Silicon TOPCon电池发展 23.83 24.92 24.01 24.74 24.19 24.38 24.56 500 600 700 800 900 1000 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Si resistivity ( Wcm) Si lifetime ( ms) 23.65 23.83 24.01 24.19 24.38 24.56 24.74 24.92 25.10 Eta 优 化 后 的 电 池V OC =713 mV , J SC =41.99 mA/cm 2 , FF=83.65%, Eff=25.09% 基础参数 ◆ Si 衬底厚度140 μm, 正面钝化 5 fA/cm 2 , 背面发射极钝化 4 fA/cm 2 , 背面发射极接触复合 200 fA/cm 2 , ◆ 背表面场钝化 10 fA/cm 2 ，背表面场接触复合200 fA/cm 2 ，串联电阻 0.01 Ωcm 2 ，并联电阻 1E5 Ωcm 2 全铝浆丝网印刷p-IBCp-TOPCon 尽管p-TOPCon 的 背 面 钝 化 接 触 性 能 不 如n 型 ， 但 其 与 现 有产线兼容性非常高，效率 也具有一定的潜力。 研 发 效 率 纪 录 ： 隆 基25.19% TOPCon电池发展PERC+PSK 钙 钛 矿 叠 层 电 池 https://doi.org/10.1021/acsami.2c01191 2T叠层结构电池的的 设计策略 各种叠层电池结构以及效率记录 TOPCon电池发展PERC+PSK 叠 层 电 池 ： 低 成 本 钙 钛 矿 电 池 两 端 叠 层 结 构 中 选 择 合 适 的 硅 基 上 层 结 构 ， 其 中TOPerc结构由于其 导 电 性 高 ， 光 学 吸 收 小 ， 性 能 最 佳 ， 其 转 换 效 率 超 过30% 。 Messmer et al., Prog Photovolt Res Appl. 2022;1 –15. front-side concepts TOPCon电池发展PERC+PSK 叠 层 电 池 ： 与n 型 硅 衬 底 的 叠 层 电 池 对 比 Messmer et al., Prog Photovolt Res Appl. 2021;29:744 –759 对 比 其 它 电 池 ， TOPerc 结 构 的 成 本 最 低 ， 即PERC+PSK 为产业化成本最低的叠层电池。 TOPCon电池发展TOPCon电池优势 04PERC+ 后 续 的 电 池 发 展 PERC N-Topcon N-HJT 工 艺难点 氧化铝钝化/ 激 光开 孔 硼扩散/ 多 晶硅 掺杂/ 氧化 铝钝化 高效清洗/ 非晶 硅制备/TCO制备/ 过程 控制 效 率记录 Trina 24.5% Jinko 25.7% Longi 26.5% 综 合评价 性 价比高， 但下一步 提效手段 有限 工 序增加， 潜力较大 效 率高，工 序少，适 于产业化 ，但成本 较高 目 前 主 流 两 种 技 术 ， 均 采 用n 型硅片，TOPCon步骤增加，而HJT 不 接 兼 容 现 有 产 线 ， 设 备 投 资 高 （3.8-4.0 亿/GW）。 TOPCon电池优势主 电 池 技 术 的 成 本 对 比 Solar Energy Materials & Solar Cells 227(2021)111100 TOPCon电池优势主 电 池 技 术 的 成 本 对 比 经济 性分 析 ➢ 多 方 实 证 数 据 ， 在 同 等 条 件 下 ，n 型 组 件 要 比p 型组件多发3% 以上 的发电量 。 根据内部收益率（IRR ） 的 计 算 方 式 ： 假 设IRR 值 不 变 ， 发电量增加3% ， 那么其组件成本可增加0.14-0.15 元/W 。 ➢ 同 尺 寸 的 组 件 版 型 ，n 型 组 件 比p 型 组 件 在 单 片 组 件 上 功 率 要 高 出 15-20W ， 则意味着功率提高了2.67% 。2.67% 的效率提升则可给除 组件以外的EPC 成本节约至少有0.04 元/W以上的成本。 ➢ 经 过 实 际 测 算 ， 在n 型 组 件 比p 型组件 贵0.20 元/W 的 情 况 下 ， 依然 可以给项目带来相同的内部收益率 。 TOPCon电池优势机 构 对 于 电 池 未 来 市 场 的 预 测 n 型 p 型 ⚫ n型电池市场将在2025年占50%，2030年占90%以上； ⚫ PERC升级n-TOPCon 将 主 导 未 来 晶 硅 电 池 。 TOPCon电池的优势总结 05过去40年 光 伏 产 业 发 展历 史 ⚫ 快速发展的一定是主流技术路线：Al BSF → PERC → PERC+ → PERC++ (n-TOPCon) ； ⚫ 孤独的电池技术被证实是很难获得快速发展。 总结 ⚫ 主流的n-TOPCon技术将主导晶硅电池，量产效率超过26% ； ⚫ 目前布局n-TOPCon时机好，有望在新一轮电池技术变革 中脱颖而出。 未来5年光伏产业发展预测为什么2022年TOPCon 技 术 会脱 颖 而 出？ ⚫ 主流PERC电池打下的坚实基础； ⚫ 核心装备国产化已成熟； ⚫ 技术路线竞争促进TOPCon发展； ⚫ TOPCon技术已具有高性价比； ⚫ 全产业链n 型TOPCon新生态已形成。 总结感谢聆听！