太陽能電池行業(yè)技術(shù)比較與分析

1、太陽能電池行業(yè)技術(shù)比較與分析1.1 不同類別太陽能電池制造技術(shù)現(xiàn)狀 太陽能光 -電轉(zhuǎn)換主要采用太陽能電池來實(shí)現(xiàn)。按照大類劃 分，目前太陽能電池主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩大 類。晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較高，原材料來源簡單，是光 伏電池的主流產(chǎn)品，在全球前 10 大太陽能電池生產(chǎn)商中， 有 9 家是以生產(chǎn)晶體硅太陽能電池為主的。盡管晶硅太陽能 電池技術(shù)相對市場占有率有下降趨勢，但總體上多晶硅太陽 能電池在以年增長率 40%-50% 的速度發(fā)展， 未來市場相當(dāng)可 觀。預(yù)計未來 10 年晶體硅太陽能電池所占份額盡管會因薄 膜電池的發(fā)展等原因而下降，但主導(dǎo)地位仍不會根本改變。 薄膜電池近年來發(fā)展

2、較快。和晶體硅電池相比，薄膜電池制 作成本、 能耗均低于晶體硅電池。 同時， 薄膜電池透光性好， 對于光伏建筑一體化等領(lǐng)域更加實(shí)用。無論是對哪種太陽能電池技術(shù)的發(fā)展，主要都是解決以下幾 個問題：首先是上游原材料加工成本和能耗；其次是提高光 電轉(zhuǎn)換效率；最后是運(yùn)用到光伏產(chǎn)業(yè)中的壽命和維護(hù)成本， 簡單概括就是： 高效率、 長壽命、 高可靠、 低成本和零污染。 不同類別的太陽能電池技術(shù)發(fā)展也是圍繞這幾個目的的。1.1.1 晶體硅電池技術(shù)現(xiàn)狀 晶體硅太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個階段，每一階段效率 的提升都是因?yàn)樾录夹g(shù)的引入。 1954 年貝爾實(shí)驗(yàn)室 Chapin 等人開發(fā)出效率為 6%的單晶硅太陽能電

3、池到 1960 年為第一 發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日 趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這 一期間電池效率在 15%。 1972 年到 1985 年是第二個發(fā)展階 段，背電場電池（BSF）技術(shù)、 淺結(jié)”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密 柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到 17%，電 池成本大幅度下降。 1985 年后是電池發(fā)展的第三階段， 光伏 科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來 改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率： 表面與體鈍化技術(shù)、 Al/P 吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多 新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率

4、達(dá) 24.4%鈍 化發(fā)射極和背面點(diǎn)接觸（PERL ）電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、 材料和設(shè)備正在逐漸突破實(shí)驗(yàn)室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生 產(chǎn)當(dāng)中來。1.1.1.1 表面織構(gòu) 減少入射光學(xué)損失是提高電池效率最直接方法。化學(xué)腐蝕工 藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，也是行業(yè)內(nèi)最廣泛使用的技 術(shù)，工藝門檻低、 產(chǎn)量大； 但絨面質(zhì)量不易控制、 不良率高， 且減反射效果有限（腐蝕后的反射率一般仍在11%以上），并產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方 式。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（ RIE ）是最有發(fā)展前景的技術(shù)，它 首先在硅片表面形成一層 MASK （掩膜）再顯影出表面織構(gòu) 模型，然后再利用反應(yīng)離子刻蝕方法制備表

5、面織構(gòu)。用這種 方法制備出的減反射絨面非常完美，表面反射率最低可降至 0.4，單多晶技術(shù)統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝與設(shè)備都可移植于IC 工業(yè)，如果生產(chǎn)成本能夠進(jìn)一步降低可望取代化學(xué)腐蝕方法而 大規(guī)模使用。京瓷產(chǎn)業(yè)化 17.2%17.7% 的多晶硅電池就是采 用等離子刻蝕工藝的一個成功典范。1.1.1.2 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散PN 結(jié)特性決定了太陽能電池的性能。傳統(tǒng)工藝對太陽能電 池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負(fù)載能 力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過高導(dǎo)致擴(kuò) 散區(qū)能帶收縮、晶格畸變、缺陷增加、 “死層 ”明顯、電池短 波響應(yīng)差。 PN 結(jié)技術(shù)是國際一流電池制造企業(yè)與國內(nèi)電池 企業(yè)的主要技術(shù)

6、差距。為了在提高電池的填充因子的同時避 免表面 “死層 ”，選擇性擴(kuò)散發(fā)射極電池技術(shù)是最有望獲得產(chǎn) 業(yè)化生產(chǎn)的低成本革命性高效電池技術(shù)，其技術(shù)原理簡單且 通過現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，但如何降低制造成本是該 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)某些大公司 對外宣傳的超過 17.6%以上的高效電池其技術(shù)核心均來源于 此，相信隨著配套裝備與輔助材料的及時解決近二年內(nèi)將會迅速普及與推廣。在制造工藝上采用氮?dú)鈹y帶三氯氧磷管式高溫擴(kuò)散是目前 主流生產(chǎn)技術(shù)，其特點(diǎn)是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡單。隨著 電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質(zhì)濃度（表 面方塊電阻80120Q/口、均勻性3%以內(nèi)），減壓

7、擴(kuò)散技 術(shù)（LYDOP ）優(yōu)勢非常明顯，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸汽壓、 提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對 156 尺寸的硅片每批次產(chǎn)量 400 片的情況下其擴(kuò)散均勻性仍優(yōu)于 3%，是高品質(zhì)擴(kuò)散的 首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈?zhǔn)綌U(kuò)散設(shè)備不僅適應(yīng) Inline 自動化生產(chǎn)方式，而且處理硅片尺寸幾乎不受限制、 碎片率大大降低而迅速受到重視，其工藝有噴涂磷酸水溶液 擴(kuò)散與絲網(wǎng)印刷磷漿料擴(kuò)散二種。 在鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)上， BTU 、 SCHMID 以及中電集團(tuán)第 48 所均已有長時間的研究及工業(yè) 化應(yīng)用，只要能在擴(kuò)散質(zhì)量上獲得突破其一定會取代目前管 式擴(kuò)散成為主流生產(chǎn)裝備與技術(shù)。1.1.1.3 去邊技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的

8、周邊 PN 結(jié)去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法 技術(shù)成熟、產(chǎn)量大，但存在過刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不 僅影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而且導(dǎo)致電池片蹦邊、色差與缺角 等不良率上升。激光開槽隔離技術(shù)根據(jù) PN 結(jié)深度而在硅片 邊緣開一物理隔離槽，但與國外情況相反，據(jù)國內(nèi)使用情況 來看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術(shù)，因此該方法有待 進(jìn)一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術(shù) 化學(xué)腐蝕去 邊與背面腐蝕拋光技術(shù)集刻蝕與去 PSG 一體，背面絨面的拋 光極大降低了入射光的透射損失、提高電池紅光響應(yīng)。該方 法工藝簡單、易于實(shí)現(xiàn) inline 自動化生產(chǎn)，不存在 “鉆刻 ”與 刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對穩(wěn)定，因此盡管配

9、套設(shè)備昂貴但 仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。1.1.1.4 表面減反射膜生長技術(shù)早期采用 TiO2 膜或 MgF 2/ZnS 混合膜以增加對入射光的吸 收，但該方法均需先單獨(dú)采用熱氧化方法生長一層1020umSiO2 使硅片表面非晶化、且對多晶效果不理想。SixNy 膜層不僅減緩漿料中玻璃體對硅的腐蝕抑制 Ag 的擴(kuò) 散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范圍更寬易于調(diào)節(jié)，而且致 密的 SixNy 膜層是有害雜質(zhì)良好的阻擋層。同時生成的氫原 子對硅片具有表面鈍化與體鈍化的雙重作用，可以很好地修 復(fù)硅中的位錯、表面懸掛鍵，提高了硅片中載流子的遷移率 因而迅速成為高效電池生產(chǎn)的主流技術(shù)。 雙層 SiN 減反射膜， 通

10、過控制各膜層中硅的富集率實(shí)現(xiàn)了5.5%的反射率； 而另一種 SiN 與 SiO 混合膜， 其反射率更是低至 4.4% ，目前廣泛采 用的單層 SiN 膜減反射率最優(yōu)為 10.4%。在電池背面生長一層 10 30nmSiN 膜以期最大限度對電池 進(jìn)行鈍化與缺陷的修復(fù)從而提高電池的效率是目前的一個 熱點(diǎn)課題，由于該技術(shù)牽涉到與后面的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、電極 漿料技術(shù)及燒結(jié)工藝的配合目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，但它 肯定是今后的一個發(fā)展趨勢。匹配封裝材料對光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的 實(shí)際使用效果是光伏企業(yè)技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)。如何減少電磁波 對電池表面 PN 結(jié)輻射損傷以及損傷的有效修復(fù)是該工藝的 核心技

11、術(shù)，處理不好往往導(dǎo)致電池效率一致性較差。裝備方 面有連續(xù)式間接 HF-PECVD 、管式直接 LF-PECVD 。1.1.1.5 絲網(wǎng)印刷與金屬漿料技術(shù) 絲網(wǎng)印刷技術(shù)是低成本太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)， 其主要技術(shù)進(jìn)步與電極漿料及網(wǎng)版制版技術(shù)緊密相聯(lián)。電極 漿料技術(shù)進(jìn)步是提升電池效率的捷徑，也是一些實(shí)驗(yàn)室技術(shù) 向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。根據(jù)電池表面擴(kuò)散薄層方塊電阻、擴(kuò) 散結(jié)深以及表面減反射膜厚度與密度等開發(fā)相對應(yīng)的漿料 已經(jīng)成為國際一流光伏企業(yè)領(lǐng)先同行的一個有力武器：如摻 P 的正銀漿料實(shí)現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術(shù)；向漿料中添 加添加劑實(shí)現(xiàn)80100um細(xì)柵技術(shù)；配合超薄片的低翹曲背 鋁漿料等等

12、。硅片厚度不斷減薄、電池面積不斷增大，如何 降低碎片率與電池片的翹曲度成為設(shè)備制造廠商與電池制 造企業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題。設(shè)備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應(yīng)120um 厚度硅片的全自動印刷設(shè)備。1.1.1.6 晶體硅太陽能電池技術(shù)中存在的問題 工藝方面：盡管晶體硅太陽能電池制造是一個短工藝生產(chǎn)流 程，光伏技術(shù)與檢測手段也有了長足的發(fā)展，但太陽能電池 工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無法從電池的不合理 電參數(shù)來準(zhǔn)確判斷問題具體所在，對每一工序質(zhì)量也還沒有 完全行之有效的檢測方法與手段，在線檢測技術(shù)遠(yuǎn)落后于工 藝技術(shù)的發(fā)展。設(shè)備方面：目前國內(nèi)外各制造廠商設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)， 導(dǎo)致上下道工序之間無法有效銜接

13、，導(dǎo)致較大的時間與資源 浪費(fèi)，物化新工藝的裝備滯后于市場的發(fā)展。原材料方面：原材料市場特別是硅片質(zhì)量良莠不齊，許多企 業(yè)缺乏自律性，導(dǎo)致我國光伏產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng) 一權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入制度。1.1.2 薄膜電池技術(shù)現(xiàn)狀 薄膜電池，常常被稱作第二代光伏電池，包括了許多不同的 技術(shù)。不同的薄膜電池主要區(qū)別在： （1）光吸收材料； （2） 薄膜電池組件的基板是剛性還是柔性。目前發(fā)展的不同薄膜 電池技術(shù)都有一個共同點(diǎn)，都大幅降低了光吸收材料的用 量。薄膜電池使用不到 1%的生產(chǎn)硅片電池的原材料，這顯 著降低了生產(chǎn)成本。薄膜電池的缺點(diǎn)是其轉(zhuǎn)換效率比晶硅電池低很多。目前主流的薄膜電池主要包括：非晶硅電

14、池 （a-Si）、 CdTe 電池和 CIS/CIGS 電池。 薄膜電池行業(yè)處于發(fā)展初期， 但未來市場空間巨大， 在 BIPV 等應(yīng)用需求推動下將迅猛發(fā)展。 此外，隨著技術(shù)的快速發(fā)展， 薄膜太陽能電池成本快速下降，有望先于晶體硅電池實(shí)現(xiàn)平 價上網(wǎng)。下面將分別討論三種不同薄膜太陽能電池的技術(shù)現(xiàn)狀。1.1.2.1 非晶硅電池 非晶硅電池是目前發(fā)展的主流的薄膜電池技術(shù)。非晶硅材料 的原子排列無序，沒有形成晶體結(jié)構(gòu)，包含大量的結(jié)構(gòu)性和 連接缺點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)不均一，晶帶寬度為 1.11.7eV ，因 此非晶硅在光譜的可見區(qū)，比晶體硅有更高的光學(xué)吸收系 數(shù)，可以有更薄的結(jié)構(gòu)，甚至可以低于 1 微米。 電池元件