在降本增效大趨勢下，發(fā)展高效率電池成為了行業(yè)的當務之急。在演講中，曾祥斌教授為現(xiàn)場觀眾分析闡述了幾種常見的高效率晶體硅太陽能電池，包括IBC電池、HIT電池、PERL電池。

 

　　一、IBC電池

 

　　IBC電池(全背電極接觸晶硅光伏電池)是將正負兩極金屬接觸均移到電池片背面的技術，使面朝太陽的電池片正面呈全黑色，完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線。這不僅為使用者帶來更多有效發(fā)電面積，也有利于提升發(fā)電效率，外觀上也更加美觀

 

　　1.工藝及特點

 

　　從工藝制程來看，IBC電池的工藝流程比傳統(tǒng)太陽能電池復雜很多。IBC的關鍵工藝在于在電池背面形成交叉排列的p+區(qū)和n+區(qū)，以及在上面形成金屬化接觸。因此，IBC電池的制作需要采取局部摻雜法，比如利用光刻或者激光形成所需要的圖案，然后采取兩步單獨的擴散過程來形成p型區(qū)和n型區(qū)。第二個關鍵工藝在于絲網印刷的對準精度問題和印刷重復性問題，因此對電池背面圖案和柵線的設計要求非常高，必須在工藝可靠性和電池效率之間找出平衡點。

 

　　目前，Sunpower研發(fā)的第三代IBC電池最高效率已經達到25%。應用層選擇性激光工藝來制造POLO-IBC電池，功率轉換效率已經達到26.1%，這是P型晶體硅太陽能電池的世界紀錄效率。

 

　　2.產業(yè)趨勢

 

　　IBC電池P-N結和電極全部在背面，完全消除了前表面柵線的遮光，量產平均效率可達23%。但IBC電池對硅片質量要求高，且制程相對復雜，因此成本高昂。使用工業(yè)化技術例如絲網印刷、管式擴散或離子注入來降低IBC電池成本。

 

　　IBC電池成本是普通電池成本的2倍左右，這制約了IBC電池的大規(guī)模應用。隨著中國一線光伏制造商的進入，以及新型工藝和新型材料的開發(fā)，IBC電池將沿著提高電池轉換效率，降低電池制造成本的方向繼續(xù)向前發(fā)展。IBC太陽電池的商業(yè)化應用和推廣，有著廣泛的前景。

 

　　產能產量方面，國家電投集團太陽能電力有限公司西寧公司200兆瓦N型IBC電池及組件項目為中國首條量產規(guī)模IBC電池及組件生產線，2020年初投產后，將成為國內第一條電池轉換效率大于23%的IBC量產示范線，組件功率達到330瓦(60片)。

 

　　二、HIT電池

 

　　異質結( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽能電池是日本三洋公司1997年推出的一種商業(yè)化的高效電池設計和制造方法。

 

　　1.優(yōu)勢特點

 

　　相較于傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池，其具有的優(yōu)點如下：

 

　　1.無需高溫爐管制備，可降低生產耗能并縮短制備時間;

 

　　2.借助非晶硅材料的高帶隙性，可有效增加短波長光的利用;

 

　　3.與傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池相比，其具有較高的轉換效率;

 

　　4.溫度穩(wěn)定性好。

 

　　質結電池的優(yōu)勢在于超高電池轉換效率，低制程溫度以及可向薄型化發(fā)展。但是，由于設備初期投資高以及對制程工藝要求嚴格，大部分廠商對此技術仍在觀望階段。

 

　　效率發(fā)展及技術趨勢

 

　　異質結電池具有能量轉換效率高、簡單的低溫制造工藝、薄硅片應用、溫度系數(shù)和CTM低、可雙面發(fā)電等一系列優(yōu)勢。異質結電池實現(xiàn)低成本量產的關鍵在于設備國產化、提高良率和產能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學品等成本。日本松下、上澎、晉能、福建金石和中智電力等已實現(xiàn)異質結電池量產。2018年，通威、愛康、彩虹等企業(yè)紛紛開建異質結電池產能，且均規(guī)劃了GW級產能布局，熱度可見一斑。

 

　　在異質結太陽電池及組件的研發(fā)和生產領域，日本松下可謂一枝獨秀，是目前市場上主流的異質結電池和組件供應商。該HIT技術(HIT為松下為其異質結技術注冊的商標)起源于松下收購的三洋電機，隨后松下通過反復改良電池結構，在2014年將IBC技術與HIT技術結合，研發(fā)出的HIT-IBC太陽電池最高效率達25.6%，一舉打破了當時晶體硅電池轉換效率的世界紀錄。

 

　　HIT電池雖然效率已達26%，成本也在逐漸降低，但發(fā)電成本仍然遠高于傳統(tǒng)方法的發(fā)電成本。為了滿足國民生產對太陽能電池組件的需求，在以后的研究中，一方面應大力開發(fā)新技術在保證電池轉換效率的前提下降低HIT電池的厚度;另一方面要用廉價材料代替昂貴的單晶硅材料來降低成本，如多晶硅。同時也可以通過開發(fā)新技術來降低單晶硅的生產成本。

 

　　HIT電池今后努力的方向：研制低電阻低溫漿料，優(yōu)化沉積工藝，改善鈍化層性能，尋求光透過率高及導電性好的發(fā)射層取代材料等。同時，精簡工藝流程，嘗試新型組件結構，進一步降低大面積制備成本，才能真正實現(xiàn)HIT異質結電池產業(yè)化。

 

　　產業(yè)化發(fā)展趨勢

 

　　在高效異質結電池產業(yè)化方面，目前中智電力已在江蘇泰興建成首期兩條高效異質結太陽電池生產線并投入量產，年產能160MW，平均轉換效率已達22.8%，最高效率已超過23.5%，預計2018年底異質結平均轉換效率將達23%。60片異質結電池雙面雙玻組件平均功率達325W，最高功率達到335W。

 

　　此外，2018年5月，通威太陽能、上海微系統(tǒng)所、三峽資本在成都正式簽訂硅基異質結SHJ太陽能電池產業(yè)化戰(zhàn)略合作協(xié)議。三方共同建設SHJ太陽能高效電池中試線和產業(yè)化運營，量產化SHJ太陽能電池光電轉換效率將超過23%。五年后計劃將實現(xiàn)超過10GW的SHJ太陽能電池技術的規(guī)?；⑸虡I(yè)化、低成本化的產品轉化。

 

　　異質結太陽電池現(xiàn)階段生產成本仍偏高。但隨著更多企業(yè)的加入，以及設備國產化、硅片減薄、低溫銀漿用量的降低等，異質結電池的成本有望得到大幅降低，異質結技術路線將取得長足發(fā)展!

 

　　三、PERL電池

 

　　PERL(鈍化發(fā)射極背部局域擴散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學的在PERC電池結構和工藝的基礎上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴散制備出PERL電池。2001年，PERL電池效率達到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。

 

　　效率發(fā)展及技術趨勢

 

　　N型PERT雙面電池在近兩年開始備受矚目，其電池的特點是可以雙面吸收入射光線，從而提升電池和組件的最終發(fā)電量。在目前技術階段，N型雙面電池的正面效率約為21.5%，背面效率約為19%。封裝成雙玻組件以后，如果假設背面可以吸光20%，那么組件的最終輸出功率可以達到350W，然而行業(yè)內對雙面電池和組件還沒有一個統(tǒng)一的測量標準。

 

　　在工藝制程方面，N型PERT電池比傳統(tǒng)P型電池增加了硼元素摻雜(通過擴散diffusion或者APCVD工藝)和雙面漿料印刷等工藝。由于N型PERT電池技術不需要使用激光工藝，因此制作工藝并不會對硅片造成額外晶體傷害。此外，N型電池具備零光致衰減、弱光效應好以及組件穩(wěn)定性高等特點。最近兩年，在N-PERT電池工藝的基礎上，德國弗朗霍夫研究所開發(fā)出TOPCon (隧穿氧化層鈍化接觸)技術。通過在背面制備超薄氧化硅SiO2和摻雜多晶硅薄層Poly-Si，二者共同形成了接觸鈍化結構。該技術可以極大地降低背面的表面復合和金屬復合，因此大幅度的提升N型電池的VOC和轉換效率。

 

　　PERL電池具有高效率的原因在于：

 

　　1.電池正面采用“倒金字塔”，這種結構受光效果優(yōu)于絨面結構，具有很低的反射率，從而提高了電池的JSC;

 

　　2. 淡磷、濃磷的分區(qū)擴散。柵指電極下的濃磷擴散可以減少柵指電極接觸電阻;而受光區(qū)域的淡磷擴散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應好的要求;

 

　　3.背面進行定域、小面積的硼擴散P+區(qū)。這會減少背電極的接觸電阻，又增加了硼背面場，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器，從而進一步提高了電池的轉化效率;

 

　　4. 雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài)，同時減少了前表面的少子復合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時光譜響應也得到改善;但是這種電池的制造過程相當繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產工藝。

 

　　產業(yè)化發(fā)展趨勢

 

　　N-PERT和N-PERL電池結構簡單，效率提升潛力大，可雙面發(fā)電。英利、中來、林洋、LG等已經實現(xiàn)了N型單晶雙面高效電池的量產。2018年9月底，在比利時布魯塞爾舉行的EU PVSEC大會上，Imec宣布，最新一代大面積單面絲網印刷背面發(fā)射極nPERT電池的轉換效率達到了23.03%，已經通過弗勞恩霍夫ISE研究所認證。

 

　　Imec表示，預計今年年底，nPERT技術的效率會達到23.5%，這種技術清晰的路線圖指向的最終效率超過了24%。

 

　　PERT/PERL電池由于比較大的效率提升潛力，相對比較簡單的電池結構，且與現(xiàn)有產業(yè)化生產比較好的兼容性，成為近些年行業(yè)研究的熱點，不同國家不同機構的研究人員開展了大量富有成效的工作。

 

　　中國英利公司與ECN合作開發(fā)的PANDA雙面電池已經實現(xiàn)大規(guī)模量產，并充分利用了原有電池線的生產設備;韓國LG公司利用離子注入工藝和絲網印刷實現(xiàn)量產的電池效率達到21.5——22%，是比較高的量產效率。

 

　　需要特別指出的是德國Fraunhofer利用Topcon技術制備的n-PERT電池轉化效率達25.1%，是非常值得產業(yè)界期待的技術路線。

 

　　總結

 

　　最后，經過一系列的分析，曾祥斌認為當下的高效電池具備以下5大趨勢：

 

　　1.高效率電池種類很多，產業(yè)化前景良好的主要是硅基電池。

 

　　2.硅基電池中，發(fā)展空間大的是基于PERC(PERLPERT)系列太陽能電池。

 

　　3.異質結電池是效率最高的一種硅基電池，目前是電池性能記錄保持者，但市場空間有待進一步擴大。

 

　　4.N型電池越來越受到重視和發(fā)展。到2020之前，預測可實現(xiàn)低成本批產平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年，N型電池市場占有率將超過30%。

 

　　5.新技術開發(fā)和先進技術的融合進一步提升電池性能。HJ-IBC，TOP-contact，N型襯底的結合等。

 

　　4.N型電池越來越受到重視和發(fā)展。到2020之前，預測可實現(xiàn)低成本批產平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年，N型電池市場占有率將超過30%。

 

　　5.新技術開發(fā)和先進技術的融合進一步提升電池性能。HJ-IBC，TOP-contact，N型襯底的結合等。