高效太陽能電池技術(shù)深解

1、光伏產(chǎn)業(yè)之高效太陽能電池技術(shù)深解光伏產(chǎn)業(yè)低迷，腹背受敵。怎樣能挺過寒冬？有技術(shù)實(shí)力而且能將技術(shù)變成生產(chǎn)力的企業(yè)，將最終勝出。高效電池就是光伏的突圍之匙。.高效電池-光伏的突圍之匙光伏當(dāng)前產(chǎn)業(yè)低迷，腹背受敵。外有金融危機(jī)，市場(chǎng)萎靡，歐美雙反，貿(mào)易壁壘；內(nèi)有并網(wǎng)受限，政策滯后，產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品同質(zhì)化，高資產(chǎn)負(fù)債率。很多人都喜歡問一個(gè)問題，你認(rèn)為光伏何時(shí)才能復(fù)蘇 ？”，我覺得這個(gè)問題的意義不太大，因?yàn)榧词鼓茴A(yù)測(cè)出這個(gè)時(shí)間 點(diǎn)，可是你確信自己能挺到復(fù)蘇之時(shí)嗎？行業(yè)的復(fù)蘇不等于你的復(fù)活，也許那時(shí)你已經(jīng)成為一名過客了。那怎樣的企業(yè)才能挺過這次寒潮呢？有技術(shù)實(shí)力，而且能將技術(shù)變成生產(chǎn)力的企業(yè)，將最終勝出，迎來

2、光伏的下一個(gè)高潮。有核心技術(shù)，自然能得到資本的青睞， 解決資金的短缺。自然能夠突破價(jià)格戰(zhàn)和產(chǎn)能過 剩的困局，獲得更高的利潤。據(jù)計(jì)算，太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，將使太 陽能電池組件的發(fā)電成本降低 7%左右。目前國際市場(chǎng)的行情是：同樣是P型硅片制造，轉(zhuǎn)換效率高低成為定價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。下游客戶使用高效太陽電池做的組件，可以在安裝成本不變的情況下提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電。高效電池就是光伏的突圍之匙。光伏暴利的時(shí)代已經(jīng)過去。中國光伏行業(yè)在洗牌整合，在等待政策和貿(mào)易環(huán)境的改善， 在積蓄內(nèi)力提高效率，等待一個(gè)真正輝弘的高潮的到來 -光伏平價(jià)上網(wǎng)：光伏發(fā)電以平等的價(jià)格和傳統(tǒng)能源展開發(fā)電市場(chǎng)競(jìng)爭，

3、走入尋常百姓家。.什么是高效光伏電池目前普通的太陽能電池產(chǎn)業(yè)化水平轉(zhuǎn)換效率：單晶15%17%、多晶12%15%,非晶硅薄膜8%9%。高效電池是指電池產(chǎn)業(yè)化水平轉(zhuǎn)換效率：單晶 18%、多晶16.5%、非 晶硅薄膜10%。要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是我們說的是產(chǎn)業(yè)化的電池轉(zhuǎn)換效率，是指能夠量產(chǎn)制造的，不是實(shí)驗(yàn)室精雕細(xì)刻出來的。實(shí)驗(yàn)室里面有很多電池效率很高，但或者工藝太復(fù)雜、或者技術(shù)不成熟，只具有研發(fā)意義，無法量產(chǎn)，無法降低生產(chǎn)成本，還不具有商業(yè)推廣價(jià)值。大面積、薄片化、高效率以及高自動(dòng)化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。通過降低電池的硅材料成本，提升光電轉(zhuǎn)換效率與延長其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本。 通

4、過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本。通過合理的機(jī)制建立優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán) 隊(duì)、充分保證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏企業(yè)發(fā)展的核心競(jìng)爭力所在。.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)-薄片化降低硅片厚度是減少硅材料消耗、降低晶硅太陽電池成本的有效技術(shù)措施，是光伏技術(shù)進(jìn)步的重要方面。30多年來，太陽電池硅片厚度從70年的450500 dm降低到目前的150180 dm,降低了一半以上，硅材料用量大大減少，對(duì)太陽電池成本降低起到了重要作 用，是技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)成本降低的重要范例之一。硅片厚度的降低如表 1所示。表L太陽電池硅片厚度的降低年份限M酬橢最% MV哪獨(dú)政70和t45O-5M2020也更加弱柄7501630步世虻效用K

5、350-4002008180-M012-IJJGIfl150-13010-112080-10087。el,efan$com電島或就發(fā).光伏技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)典型商業(yè)組件的效率期望能從 2010年的16%增長到2030年的25%,2050年增長到40%。 隨著能源和材料在制造業(yè)的使用更加高效，光伏系統(tǒng)能源回收期的時(shí)間會(huì)不斷縮短的。 預(yù)計(jì)能源回收期會(huì)從 2010年的兩年降低到2030年的0.75年，至IJ 2050年會(huì)下降到0.5年。使用 壽命期望從25年增加到40年。2012202020302050典型商業(yè)組件效率16%23%25%40%系統(tǒng)能源回收期ctsookvwkwp）2年1年口 75年0

6、5年使用壽命就地8稽曜3i忒闈8?戰(zhàn)略技術(shù)指標(biāo).光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖晶體硅電池發(fā)展的趨勢(shì)是低成本高效率，這是光伏技術(shù)的發(fā)展方向。低成本的實(shí)現(xiàn)途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進(jìn)、材料的改進(jìn)及電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。成本的下降依賴于現(xiàn)有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發(fā)。 組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)時(shí)間表除了與產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大有關(guān)外，最重要的依賴于產(chǎn)業(yè)技術(shù)（包括設(shè)備和原材料）的改進(jìn)。僅靠工藝水平的改進(jìn)對(duì)電池效率的提升空間已經(jīng)越來越有限，電池效率的進(jìn)一步提升將依賴新結(jié)構(gòu)、新工藝的建立。具有產(chǎn)業(yè)化前景的新結(jié)構(gòu)電池包括

7、選擇性發(fā)射極電池、異質(zhì)結(jié)電池、背面主柵電池及 N型電池等。這些電池結(jié)構(gòu)采用不同的技術(shù)途徑解決了電池的柵線 細(xì)化、選擇性擴(kuò)散、表面鈍化等問題，可以將電池產(chǎn)業(yè)化效率提升23個(gè)百分點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商不斷改善現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)新技術(shù)。他們根據(jù)自己的技術(shù)實(shí)力和科研回報(bào)的期望， 選擇不同的研究方向和路徑， 共同促 進(jìn)光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步。工 NRELVdim Vdim qi5 wf IFiiiiiri c-Sia fKMMu如圖所示為不同光伏技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及前景高效電池類型介紹1.高效晶體硅太陽能電池 -MWT電池MWT電池是金屬穿孔卷繞 (metallization w

8、rap-through , MWT)硅太陽能電池的簡稱。MWT技術(shù)是荷蘭規(guī)模最大的太陽能電池生產(chǎn)商Solland Solar開發(fā)的用于其 Sunweb電池的方法。該技術(shù)應(yīng)用P型多晶硅，通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池轉(zhuǎn)移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%,再與電池組件相連接，所得的輸出效率能提高9%,如圖5所示。在MWT器件中，工藝的難點(diǎn)包括：激光打孔和劃槽隔絕的對(duì)準(zhǔn)及重復(fù)性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內(nèi)金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個(gè)通孔。MWT電池的制作流程大致為：硅片-激光打孔-清洗制絨-發(fā)射極擴(kuò)散-去PSG-沉積SIN-印

9、刷正面電極- 印刷背面電極-印刷背電場(chǎng)-燒結(jié)-激光隔絕-測(cè)試。front contactsSiN coabngfront contacts(AR coADng p4郭/atkxn n dopings pajurKbcn$iwhr. p dopd /MWT - bkMd*M*hl 8 0 n g Si base實(shí)驗(yàn)室類型Ag.plated conlid fingec wiTiPMg lyvSQor SOJ&NARC Inwrtedpyrannids P /T FSFAgplated contact finger on aerosol seed layerSkNARCRandom pyramids

10、PW FSF大面積類型Christian Schmtga era/v 24thEPSEC2f- 25 Sep.2009. Hamburg, Germany, Largo area N-type Silicon solarceUs with printed contaas and Alum川unalloyed rcat cunucielecfans com電&埃死良 uwvrvfvt.uvuy晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率.硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是

11、 28%。只有盡量減少損失才能開發(fā)出效率足夠高的太陽能電池。影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個(gè)方面，如圖1所示：(1)光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損 失。(2)電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸 電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合， 它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面 引入大量的復(fù)合中心。此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時(shí), 背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽能電池特性的影響也很明顯。圖1:普通太陽能

12、電池多種損失機(jī)制.提高晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法(1)光陷阱結(jié)構(gòu)。一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)(RIE),該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無關(guān)，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過程中，F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4, O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備可制得絨面反射率低于在2%20%范圍。(2)減反射膜。它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級(jí)反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池

13、一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使 反射率降至2%左右。(3)鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽電 池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。熱氧鈍化是在電池 的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復(fù)合。原子氫鈍化是因?yàn)楣璧谋砻嬗写罅康膽覓戽I，這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵， 所以減弱了復(fù)合。(4)增加背場(chǎng)：如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結(jié)構(gòu), 在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由

14、P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場(chǎng)。由于內(nèi)建電場(chǎng)所分離出的光生載流 子的積累，形成一個(gè)以 P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這個(gè)光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的 PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時(shí)由于背電場(chǎng)的存在，使光因而增加了這部分少子生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長度, 的收集幾率，短路電流 Jsc也就得到提高。因而增加了這部分少子(5)改善襯底材料：選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、 電導(dǎo)率好、飽和電流低等。.高效晶體硅太陽能電池-PERL電池PESC、PERC、PERL電池是新南威爾士大學(xué)研究了近 20年的先進(jìn)電池系列，前兩個(gè) 子母

15、PE(Passivated Emitter)代表前表面的鈍化(選擇性擴(kuò)散),后兩個(gè)子母代表后表面的擴(kuò)散 和接觸情況。其中 PERL衍生了南京中電的 SE電池與尚德的PLUTO電池。PESC(鈍化發(fā)射極背接觸)電池1985年問世，可以做到大于 83%的填充因子和 20.8%(AM1.5)的效率。PERC(鈍化發(fā)射極背場(chǎng)點(diǎn)接觸)電池，用背面點(diǎn)接觸來代替PESC電池的整個(gè)背面鋁合金接觸，這種電7達(dá)到了大約700mV的開路電壓和22.3%的效率。PERL(鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散 )(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍 化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)

16、散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出 PERL電池，如圖所示。2001年，PERL電池效率達(dá)到24.7%,接近理論值，是迄今為止的最高記錄。圖2 :新南威爾士大學(xué) PERL電池h=24.7%.高效晶體硅太陽能電池-HIT電池HIT 電池是異質(zhì)結(jié)(hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT)太陽能電池的簡稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)和制造方法，電池制作過程大致 如下：利用PECVD在表面織構(gòu)化后的 N型CZ-S

17、i片的正面沉積很薄的本征a-Si:H層和p型”-Si:H層，然后在硅片的背面沉積薄的本征”-Si:H層和n型”-Si:H層;利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜(TCO),用絲網(wǎng)印刷的方法在 TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200 C的條件下進(jìn)行，這對(duì)保證電池的優(yōu)異性能和節(jié)省能耗具有重要的意義。HIT電池具有高效的原理是：(1)全部制作工藝都是在低溫下完成，有效地保護(hù)載流子壽命(2)雙面制結(jié)，可以充分利用背面光線；(3)表面的非晶硅層對(duì)光線有非常好的吸收特性(4)采用的n型硅片其載流子壽命很大，遠(yuǎn)大于 p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載 流子擴(kuò)散穿過襯底被電

18、極收集；(5)織構(gòu)化的硅片對(duì)太陽光的反射降低；(6)利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產(chǎn)生的原子氫對(duì)其界面進(jìn)行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。2009年5月，這種電池的量產(chǎn)效率達(dá)到了19.5%,單元轉(zhuǎn)化效率達(dá)到 23%。HIT電池的工藝流程是：硅片-清洗-制絨-正面沉積-背面沉積- TCO濺射沉積-絲網(wǎng)印刷Ag電極- 測(cè)試這種電池具有結(jié)特性優(yōu)秀、溫度系數(shù)低、生產(chǎn)成本低廉和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在光伏市場(chǎng)上受到青睞，商業(yè)化生產(chǎn)速度發(fā)展很快，僅僅兩三年時(shí)間，產(chǎn)品已占整個(gè)光伏市場(chǎng)的 5%圖3:三洋公司 HIT電池 h=23%.高效晶體硅太陽能電池-IBC電池IBC 電池是背電極接觸(Interdigitated Back-contact )硅太陽能電池白簡稱。由 Sunpower 公司開發(fā)的高效電池，其特點(diǎn)是正面無柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背后。利用點(diǎn)接觸 (Point-contact cell , PCC)及絲網(wǎng)印刷技術(shù)。這種把正面金屬柵極去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)減少正面遮光損失，相當(dāng)于增加了有效半導(dǎo)體面積；(2)組件裝配成本降低；(3)外觀好。由于光生載流子需要穿透整個(gè)電池，被電池背表面的PN節(jié)所收集，故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片，一般采用N型FZ單晶硅作為襯底；正面采用二氧化硅或氧化硅 /氮化硅復(fù)合膜與N+層結(jié)合作為前表面電場(chǎng)，并制成絨面結(jié)構(gòu)以