從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)透析光伏晶硅高效電池發(fā)展

從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)透析光伏晶硅高效電池發(fā)展一、光伏電池工藝技術(shù)原理及發(fā)展歷史1.1光伏發(fā)電是由半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。晶體硅太陽能電池本質(zhì)上就是一個大面積的二極管，由pn結(jié)、鈍化膜、金屬電極組成。在n型襯底上摻雜硼源，P型襯底上摻雜磷源，分別形成P+或n+型發(fā)射極。并與硅襯底形成pn結(jié)。該pn結(jié)形成內(nèi)建電場，將光照下生產(chǎn)的光生載流子（電子-空穴對）進(jìn)行分離，分別被正面和背面的金屬電極收集。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，常規(guī)晶硅太陽能電池從上到下結(jié)構(gòu)依次為正面柵線電極、正面減反膜SINX，PN結(jié)、硅襯底、背表面場以及背面金屬電極。影響電池性能的參數(shù)主要有開路電壓、短路電流、填充因子等。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，當(dāng)受到光照的太陽能電池接上負(fù)載時，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端產(chǎn)生電壓。可計算出電池性能的外部參數(shù)：開路電壓VOC、短路電流ISC、最佳工作電壓VM，最佳工作電流IM、最大功率PM、填充因子FF，以及串聯(lián)電阻RS、并聯(lián)電阻RSH和電池效率η。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，在太陽能電池負(fù)載特性曲線中，曲線上的每一點(diǎn)稱為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線,斜率為1/RL,工作點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)即為相應(yīng)的工作電壓和工作電流。I-V曲線與V、I兩軸的交點(diǎn)即開路電壓VOC、短路電流ISC。若改變負(fù)載電阻R到達(dá)某一個特定值RM，此時，在曲線上得到一個點(diǎn)M,對應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大我們就稱點(diǎn)M為該太陽能電池的最大功率點(diǎn);其中IM為最佳工作電流，VM為最佳工作電壓，RM為最佳負(fù)載電阻，PM為最大輸出功率。PM與開路電壓、短路電流之積的比值就稱為填充因子（FF）。1.2電池效率的損失歸因：光學(xué)損失、電學(xué)損失、電阻損失在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程中，根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，造成太陽能電池效率損失的主要原因有：1）能量小于電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對；2）能量大于電池吸收層禁帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價帶的高能態(tài)，多余的能量以聲子形式釋放，高能態(tài)的電子-空穴又回到導(dǎo)帶底和價帶頂，導(dǎo)致能量的損失；3）光生載流子在pn節(jié)內(nèi)分離和運(yùn)輸時，會發(fā)生復(fù)合損失；4）半導(dǎo)體材料與光生載流子運(yùn)輸過程金屬電極接觸的非歐姆接觸引起電壓降損；5）光生載流子運(yùn)輸過程中由于材料缺陷、界面缺陷等導(dǎo)致的復(fù)合損失。1.2.1光學(xué)損失概述晶體硅是光學(xué)帶隙為1.12eV的間接帶隙半導(dǎo)體材料。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，對晶體硅太陽能電池而言，太陽光中低于1.12eV能量的長波段光子能量太低,不足以提供足夠的能量來產(chǎn)生自由載流子。這部分光子占比大約30%，電池?zé)o法利用。而短波的光子能量高，激發(fā)一個電子從價帶到導(dǎo)帶只需1.12eV的能量,多余的光子能量又無法利用。光學(xué)損失的另一方面還來自晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工藝。首先，對于晶體硅而言，硅折射率在3.8左右,空氣折射率略大于1，兩者差值很大。當(dāng)太陽光照射在晶體硅表面時,由于折射率的差異,會導(dǎo)致入射光中很大一部分（30%～40%）光被反射出去。其次,晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)相對較低。長波長光入射進(jìn)硅片不能被充分吸收，導(dǎo)致部分光從電池背面透出。此外，晶體硅太陽能電池的正面金屬柵線會遮擋入射光。1.2.2電學(xué)損失概述根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，半導(dǎo)體內(nèi)的缺陷和雜質(zhì)能夠俘獲載流子，增大載流子的復(fù)合概率。復(fù)合陷阱濃度越高，陷阱能級越靠近禁帶的中央陷阱的俘獲截面積就越大，載流子的運(yùn)動速度越快,被陷阱俘獲的數(shù)量就會越多，從而陷阱輔助復(fù)合的速率越大,載流子壽命越短。硅片體內(nèi)由于存在摻雜、雜質(zhì)、缺陷等因素,光生少數(shù)載流子在硅片內(nèi)運(yùn)動時,很容易被復(fù)合掉。另外，半導(dǎo)體材料表面高濃度的缺陷，稱之為表面態(tài)。電子和空穴會通過表面這些缺陷復(fù)合,稱為表面復(fù)合或者界面復(fù)合。復(fù)合損失主要有輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、SRH復(fù)合（Shockley-Read-Hall,非平衡載流子復(fù)合）和表面復(fù)合。輻射復(fù)合：光生載流子的逆過程，對于直接帶隙的半導(dǎo)體而言,輻射復(fù)合是半導(dǎo)體材料內(nèi)部復(fù)合的主要方式，但對于間接帶隙的硅來說，輻射復(fù)合需要聲子的參與，所以其輻射復(fù)合相對要小很多，在晶體硅太陽能電池復(fù)合中不起主導(dǎo)作用。俄歇復(fù)合：當(dāng)電子與空穴復(fù)合時，復(fù)合產(chǎn)生的能量會傳遞給另外一個電子或空穴，使其獲得足夠的動能,躍遷到更高能態(tài)，成為熱載流子，然后在弛豫時間內(nèi),以聲子的形式發(fā)散到晶格中,這就是所謂的俄歇復(fù)合。俄歇復(fù)合速率與載流子的濃度有關(guān)，是高摻雜濃度區(qū)域（發(fā)射極）的主要復(fù)合方式。SRH復(fù)合：晶格缺陷會在禁帶中產(chǎn)生額外的能級,這些能級也會成為復(fù)合的中心。電子和空穴通過禁帶中的陷阱能級進(jìn)行復(fù)合，導(dǎo)帶中的電子可通過這些復(fù)合中心躍遷至價帶，這就是所謂的SRH復(fù)合。表面復(fù)合：晶體硅的表面同樣也存在大量的位錯、懸掛鍵、晶格損傷等缺陷而導(dǎo)致載流子復(fù)合。1.2.3電阻損失概述太陽能電池實(shí)際工作中，串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等寄生電阻會影響轉(zhuǎn)換效率。Rs源于大面積太陽能電池電流流向的電阻和金屬柵線等的接觸電阻，并聯(lián)電阻Rsh主要受pn結(jié)結(jié)構(gòu)和制備過程中的工藝影響。串聯(lián)電阻主要由Si的體電阻、前后電極的接觸電阻、發(fā)射極電阻、細(xì)柵電阻、主柵電阻和焊接帶電阻組成。串聯(lián)電阻的高低與電池的填充因子有強(qiáng)相關(guān)性,當(dāng)串聯(lián)電阻過高時，電池的填充因子會較低。并聯(lián)電阻的形成較為簡單，一般認(rèn)為是在晶體硅太陽能電池邊緣產(chǎn)生的。以p型硅片為例，由于發(fā)射極中的電子能夠通過表面態(tài)與基區(qū)甚至是背面電極的空穴進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生電流通道，導(dǎo)致電池的局部漏電。不恰當(dāng)?shù)墓に囈矔?dǎo)致并聯(lián)電阻的形成，包括邊緣漏電、邊緣pn結(jié)的殘留、硅片隱裂和空洞、pn結(jié)燒穿、表面刮傷、鋁對前表面的污染、嚴(yán)重的晶體損傷和表面反型層的形成等等，都有可能降低并聯(lián)電阻，形成漏電。1.3發(fā)展高效電池技術(shù)的關(guān)鍵工藝：拋光、制絨、擴(kuò)散、鈍化、介質(zhì)開膜和金屬化技術(shù)在電池片生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，常會用到拋光、制絨、擴(kuò)散、鈍化、介質(zhì)開膜和金屬化技術(shù)等工藝來降低光伏電池片的光學(xué)、電學(xué)、電阻損失。拋光：根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，晶體硅電池常規(guī)清洗工藝包括硅片去損傷層、拋光、制絨、背結(jié)刻蝕、發(fā)射極刻蝕、高效電池的O?及RCA清洗等。在整套太陽能電池工藝中，硅片從頭到尾需經(jīng)過多道不同的清洗工藝。切割硅錠形成的硅片，其損傷層厚度大約10μm,需要用氫氧化鉀(KOH)等堿性溶液去除損傷層。制絨：根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，為提高光線在硅片中的折射次數(shù)、提高光電轉(zhuǎn)換效率，清洗后的硅片需制備出正金字塔絨面。硅片通過無機(jī)堿如KOH、NaOH與IPA的混合溶液在70～85℃下一定時間內(nèi)可以制備出大小均勻、形貌一致的正金字塔絨面。為了提升制備出絨面的均勻性或者控制絨面尺寸的大小，需要在堿制絨過程中使用堿制絨添加劑。擴(kuò)散：根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，晶體硅電池的pn結(jié)通常是通過擴(kuò)散方式在硅襯底表面制備一層均勻的摻雜層形成的。擴(kuò)散摻雜濃度分布一般呈余誤差分布和高斯分布，即硅片表面的摻雜濃度較高，隨著深度增加，濃度逐漸降低。由于擴(kuò)散后的硅片表面雜質(zhì)濃度很高，俄歇復(fù)合比較嚴(yán)重，為了有效降低復(fù)合，開發(fā)了兩種優(yōu)化的晶體硅發(fā)射極，一種是淺摻的均勻發(fā)射極(homogenousemitter,HE),另一種是選擇性發(fā)射極(selectiveemitter,SE)。相對于高方阻HE工藝，SE工藝相對復(fù)雜，但電池的絕對光電轉(zhuǎn)換效率可提高0.2%左右。SE的制備方法，目前大規(guī)模使用的有激光摻雜、化學(xué)返刻以及離子注入等。鈍化：根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，常規(guī)p型晶硅電池的正面鈍化膜采用氫化氮化硅（SiNx:H）薄膜。p型晶硅電池正面除了可采用氮化硅鈍化外，二氧化硅（SiO2）由于能很好地鈍化硅片表面懸掛鍵，降低表面缺陷態(tài)密度，也已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于量產(chǎn)。目前主流的p型晶硅電池正面鈍化膜是SiO2/SiNx疊層膜。氧化鋁由于具有良好的鈍化效果，已廣泛應(yīng)用于PERC、IBC、PERT電池的p型層。氧化鋁和晶硅表面生成的氧化硅界面的交界處存在著高密度的負(fù)電荷，實(shí)現(xiàn)了場鈍化。同時氧化鋁的化學(xué)鈍化效果也非常好，通過飽和硅表面懸掛鍵（缺陷復(fù)合中心），降低了界面態(tài)密度。氧化鋁鈍化膜制備技術(shù)要主要包括原子層沉積（ALD）和等離子氣相沉積（PECVD）。由于Al2O3的沉積速率較慢，而且三甲基鋁[Al2（CH3）3]成本又高，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般采用Al2O3/SiNx，疊層膜來鈍化硅片表面，降低成本。除此之外，非晶硅（a-Si）薄膜目前也廣泛應(yīng)用于光伏電池上，包括異質(zhì)結(jié)電池。介質(zhì)開膜：利用背面整面鈍化可以降低背表面復(fù)合速率，但需要在背面局部開膜來實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。開膜的圖形對背面局部接觸影響很大。鈍化膜的開膜方法主要有激光開膜、腐蝕液開膜以及腐蝕漿料開膜等。激光開膜技術(shù)由于其較低的運(yùn)營成本，已經(jīng)在量產(chǎn)上大規(guī)模使用。激光作用在鈍化膜或硅襯底上，可以使鈍化膜或硅吸收能量而發(fā)生蒸發(fā)或崩裂。激光主要采用皮秒（ps）和納秒（ns）激光，皮秒激光對硅的損傷較小，可直接作用在鈍化膜上開膜；納秒激光對硅片損傷較大，但成本相對皮秒激光低。但是隨著漿料技術(shù)的發(fā)展，納秒激光對電池表面的損傷會大大降低，對影響電池的效率較小。金屬化技術(shù)：絲網(wǎng)印刷技術(shù)（screenprinting，SP）是目前晶體硅電池的主流金屬化技術(shù)。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，以PERC電池為例，通常背面印刷Al漿，正面印刷Ag漿。背面的Al漿需要具有良好的局部電接觸性能，對鈍化膜有一定的滲透以保證足夠的拉力，但又不能破壞或燒穿背面鈍化膜。Ag漿料的發(fā)展方向依然是持續(xù)降低AgSi的接觸電阻和提高柵線的高寬比。同時為了滿足高方阻發(fā)射極越來越高的方阻要求，對Ag漿的要求越來越高。金屬化工藝，除了絲網(wǎng)印刷法外，還有如激光轉(zhuǎn)印、移印、噴墨、電鍍、噴霧等方法。激光轉(zhuǎn)印和噴墨打印可以有效降低柵線的寬度，減少硅片碎片率，電鍍工藝一般以Ni/Cu/Sn或Ni/Cu/Ag為電極材料，其中底層的Ni為接觸層，退火后可實(shí)現(xiàn)良好的電接觸，同時可將柵線寬度降至30μm，有效降低光損失。1.4主流電池技術(shù)路線優(yōu)劣勢及關(guān)鍵工藝主流的電池技術(shù)主要包括PERC電池、TOPCon電池、HJT電池和IBC電池。1.4.1PERC電池根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，對比其他高效電池技術(shù)，PERC技術(shù)受到推崇主要是因為只需在普通全鋁背場（AI-BSF)電池生產(chǎn)線基礎(chǔ)上增加背面鈍化膜沉積和介質(zhì)層開槽設(shè)備。利用存量BSF產(chǎn)線設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)單晶硅和多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率大幅度提升。隨著電池制造裝備的國產(chǎn)化，PERC電池產(chǎn)線投資大幅度降低。PERC技術(shù)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在與其他高效電池和組件技術(shù)的兼容性，以及進(jìn)一步提升效率的潛力。通過與多主柵、選擇性發(fā)射極和先進(jìn)陷光等技術(shù)的疊加，PERC電池效率可以進(jìn)一步提升。而雙面PERC電池在幾乎不增加制造成本的情況下實(shí)現(xiàn)雙面發(fā)電，提升發(fā)電量。PERC關(guān)鍵工藝：1）選擇性發(fā)射極制備：常規(guī)晶體硅太陽能電池采用均勻高濃度摻雜的發(fā)射極。發(fā)射區(qū)摻雜濃度對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響較大,較高濃度的摻雜可以改善硅片和電極之間的歐姆接觸，降低電池的串聯(lián)電阻。但是在高濃度摻雜的情況下，電池的頂層摻雜濃度過高，造成俄歇復(fù)合嚴(yán)重，少子壽命也會大大降低，使得發(fā)射極區(qū)所吸收的短波長效率降低，降低短路電流。同時重?fù)诫s表面濃度高，造成了表面復(fù)合提高，降低了開路電壓，進(jìn)而影響了電池的轉(zhuǎn)換效率。為了解決均勻高濃度發(fā)射極對電池效率的限制，研究人員提出了選擇性發(fā)射極（SE)，即在金屬柵線（電極）與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜深擴(kuò)散,而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜淺擴(kuò)散。2）背面鈍化結(jié)構(gòu)：PERC電池在背面采用鈍化膜與局域金屬接觸結(jié)構(gòu)取代了常規(guī)全鋁背場(Al-BSF)結(jié)構(gòu)。這種背面鈍化結(jié)構(gòu)可以降低背表面的復(fù)合速率，提升背表面反射,從而提高了電池的開路電壓和短路電流，提升電池效率。電池正面增加光吸收可通過構(gòu)建高效的陷光結(jié)構(gòu)、優(yōu)化減反膜系、降低柵線遮光來實(shí)現(xiàn)，目的是為了使更多的光能進(jìn)入硅片內(nèi)部，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對。而增加背面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主要是為了增加長波段光在電池內(nèi)部的光學(xué)路徑以實(shí)現(xiàn)對光的二次利用。PERC也有其缺點(diǎn):①背面的金屬與半導(dǎo)體硅材料接觸處仍然存在復(fù)合，對電池效率造成損失;②背面由金屬電極與半導(dǎo)體硅基體材料直接接觸。1.4.2TOPCon電池首先在電池背面制備一層1～2nm的隧穿氧化層，然后再沉積一層摻雜多晶硅，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，為硅片的背面提供了良好的界面鈍化。該鈍化結(jié)構(gòu)可以使電子隧穿進(jìn)入摻雜多晶硅層，同時阻擋空穴，降低了金屬接觸復(fù)合電流，而進(jìn)入摻雜多晶硅層的電子縱向傳輸被背面全接觸金屬收集,因而該結(jié)構(gòu)具有載流子選擇性。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，理想的全面背面鈍化接觸太陽能電池的優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn):①背面全鈍化,徹底避免了背面金屬電極與硅基體材料的直接接觸,大大降低了背面復(fù)合速率，提升了開路電壓和短路電流；②背面載流子直接匯集到電極、背面全接觸區(qū)域，避免局部接觸而造成的橫向傳導(dǎo)電阻，降低串聯(lián)電阻，改善填充因子；③背面鈍化膜無損傷，不需要對背面鈍化層進(jìn)行開槽處理，避免損傷。良好的鈍化接觸既要有好的界面鈍化效果，又要能實(shí)現(xiàn)良好的電接觸，為此隧穿接觸層材料的選擇極為苛刻:①隧穿接觸層的材料本身需具有良好的界面懸掛鍵鈍化效果，如果能有電荷注入，形成電荷場鈍化效果的話會更佳,若在材料制備過程中還能有氫注入,也是非常有益的;②材料需要具有良好的隧穿效果，可以協(xié)助完成多數(shù)載流子在吸收層和摻雜層間的快速輸運(yùn)。目前,在晶體硅電池上研究較多和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的隧穿層主要采用的是SiO2,材料。SiO2薄膜作為隧穿接觸層的材料,再通過沉積一層高濃度摻雜的多晶硅薄膜形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。TOPCon電池技術(shù)成熟，已具備量產(chǎn)性價比優(yōu)勢。當(dāng)前TOPCon電池在轉(zhuǎn)換效率、雙面率、溫度系數(shù)、弱光表現(xiàn)、首年衰減率等方面優(yōu)于PERC，從而可帶來發(fā)電效率的提升及度電成本的下降。TOPCon電池具有更優(yōu)秀的溫度系數(shù)：根據(jù)晶科能源，P型組件的溫度系數(shù)為0.35%/℃，N型Topcon組件優(yōu)化溫度系數(shù)至-0.30%/℃，在高溫環(huán)境下發(fā)電能力更優(yōu)秀。根據(jù)晶科能源，相同的外部環(huán)境，晶科N型組件相較PERC組件工作溫度降低1℃以上，熱損更低。TOPCon衰減率更低：根據(jù)晶科能源，相較于傳統(tǒng)PERC組件，N型組件功率質(zhì)?？蛇_(dá)30年，首年衰減小于1%，保證30年后輸出功率不低于原始輸出功率的87.40%，而PERC組件25年后輸出功率僅有原始功率的84.8%。雙面率提升：根據(jù)晶科能源，相較于傳統(tǒng)PERC組件70%的雙面率，晶科N型TOPCon組件優(yōu)化雙面率至85%。根據(jù)理論公式計算，在標(biāo)準(zhǔn)工況及平均地面反射率條件下，傳統(tǒng)PERC組件因雙面率帶來的發(fā)電增益約為9.45%，而N型組件背面增益可達(dá)到11.48%。根據(jù)晶科能源公眾號公布的澳大利亞昆士蘭州某100MW光伏發(fā)電項目數(shù)據(jù)顯示，公司N型TOPCon組件較常規(guī)P型PERC組件的25年全生命周期總發(fā)電量提升4.17%，度電成本LCOE下降約3.68%。關(guān)鍵制備過程：根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，n型鈍化接觸的電池，首先生長一層電子選擇性隧穿的氧化硅層,厚度在1.2～1.6nm左右，再生長多晶硅薄膜層，然后進(jìn)行磷的重?fù)诫s，最后再覆蓋SiNx層進(jìn)行背表面的光學(xué)減反以及氫原子注入。1.4.3HJT電池根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，在理想的HJT太陽能電池中,若光生載流子在吸收層中存在足夠長的時間,可以擴(kuò)散/漂移到收集它們的適當(dāng)接觸處，而不會通過重新復(fù)合導(dǎo)致載流子損失，而且載流子選擇性接觸產(chǎn)生不對稱的勢壘,可以收集多數(shù)載流子，阻擋少數(shù)載流子。HJT太陽能電池技術(shù)一般涉及兩種或更多種不同的材料。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，通常通過沉積薄膜來實(shí)現(xiàn)載流子的選擇性,薄膜提供與吸收層費(fèi)米能級不同的功函數(shù)，因而在吸收層表面產(chǎn)生電勢差,從而實(shí)現(xiàn)載流子收集,這種薄膜通常稱為電子和空穴傳輸層（ETL和HTL)。在HJT太陽能電池中，接觸還包含插入在ETL和HTL下方的非常薄的緩沖層，用于表面鈍化。由兩種不同半導(dǎo)體材料組成的pn結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，與同質(zhì)結(jié)不同，異質(zhì)結(jié)中兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、導(dǎo)電類型、介電常數(shù)、折射率和消光系數(shù)等電學(xué)和光學(xué)參數(shù)不同，因而為半導(dǎo)體器件的設(shè)計提供了更大的靈活性。由導(dǎo)電類型相反的兩種半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為反型異質(zhì)結(jié)，而由導(dǎo)電類型相同的兩種半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)稱為同型異質(zhì)結(jié)。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，發(fā)射極在正面的HJT太陽能電池的結(jié)構(gòu)：以n型單晶硅為襯底，在其正面依次沉積厚度為5～10nm的本征a-Si:H薄膜、p型a-Si:H薄膜，從而形成pn異質(zhì)結(jié)。在硅背面依次沉積厚度為5~10nm的本征a-Si:H薄膜、n型aSi:H薄膜形成背場。在摻雜a-Si:H薄膜兩側(cè)分別沉積透明導(dǎo)電薄膜(TCO)，最后通過絲網(wǎng)印刷在兩側(cè)的頂層形成金屬電極，構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)的HJT電池。根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，HJT電池具有高對稱性、低溫工藝、高開路電壓、光照特性好、光照穩(wěn)定性好和雙面發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)：1）高對稱性：標(biāo)準(zhǔn)HJT電池是在單晶硅的兩面分別沉積本征層、摻雜層、TCO層和金屬電極，這種對稱結(jié)構(gòu)可以減少工藝步驟和設(shè)備，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2）低溫工藝：由于HJT電池是基于非晶硅薄膜的pn結(jié)，因而最高工藝溫度約200℃，不需要傳統(tǒng)晶體硅電池通過熱擴(kuò)散（約900℃)形成pn結(jié)，節(jié)約能源的同時也使硅片的熱損傷和形變較小。3）高開路電壓：由于異質(zhì)結(jié)和優(yōu)異的表面鈍化,HJT電池的開路電壓要比常規(guī)晶體硅高。4）溫度特性好：太陽能電池的性能數(shù)據(jù)通常是在25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件測量的，然而光伏組件的實(shí)際工作溫度通常都會高于此溫度，因此高溫下的電池性能非常重要。由于HJT電池是帶隙較大的a-Si:H與c-Si形成的異質(zhì)結(jié)因而溫度系數(shù)比晶體硅電池優(yōu)異。5）光照穩(wěn)定性好：非晶硅薄膜的一大問題是由Staebler-Wronski效應(yīng)導(dǎo)致的光致衰減很嚴(yán)重，而HJT電池沒有此效應(yīng)，而且用n型晶硅做襯底的HJT電池不存在B-O對導(dǎo)致的光致衰減，因此光照穩(wěn)定性很好。6）雙面發(fā)電：標(biāo)準(zhǔn)HJT電池結(jié)構(gòu)對稱,正反面受光后都能發(fā)電,封裝為雙面組件后年發(fā)電量比單面組件多20%。關(guān)鍵工藝：1）非晶硅沉積：硅片經(jīng)過濕化學(xué)處理后，下一道工序是非晶硅薄膜的沉積，這里包括本征非晶硅層和摻雜非晶硅層的沉積。沉積本征a-Si:H鈍化層，通常通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）或熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD）。PECVD技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長的一種制備技術(shù)；熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD）是利用高溫?zé)峤z催化作用使SiH4分解從而制備硅薄膜。2）透明導(dǎo)電膜沉積：HJT太陽能電池與傳統(tǒng)晶體硅電池相比，一個重要區(qū)別是發(fā)射極導(dǎo)電性差，只通過金屬柵線從發(fā)射極收集電流是不夠的，因此通常需要沉積導(dǎo)電透明氧化物(TCO薄膜來輸運(yùn)電荷。TCO可以實(shí)現(xiàn)兩個目的:①用作減反射涂層（ARC);②增加橫向?qū)щ娦?。目前常用的沉積方法有濺射法(包括磁控濺射、離子束濺射等）和蒸發(fā)法（包括熱蒸發(fā)、離子束蒸發(fā)等)。濺射法的工藝穩(wěn)定性更好，制備薄膜的質(zhì)量也較好。錫摻雜In2O3(ITO)通常用作雙面設(shè)計中正面和背面a-Si:H層頂部的TCO層。因為ITO電阻率較低(10～4Q·cm),其帶隙足夠高約3.8eV)，不會吸收太陽光譜中的光。目前商業(yè)上沉積TCO薄膜的方法主要有兩種：RPD（反應(yīng)等離體沉積)、PVD（物理化學(xué)氣相沉積)。異質(zhì)結(jié)電池實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設(shè)備國產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學(xué)品等的成本。1.4.4IBC電池IBC電池的特點(diǎn)是電池正面無電極，正負(fù)電極金屬柵線指狀交叉排列于電池背面。由于不用考慮對電池光學(xué)方面的影響，設(shè)計時可以更加專注于電池電性能的提高，根據(jù)丁健寧等《高效晶體硅太陽能電池技術(shù)》，其常見結(jié)構(gòu)特征如下：1）一般采用載流子壽命較高的晶硅片。IBC電池前表面附近形成的光生載流子必須穿透整個電池，擴(kuò)散到背表面的pn結(jié)才能形成有效的光電流，因此襯底材料中少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度要大于器件厚度，且電荷的表面復(fù)合速率要非常低，所以IBC電池通常需要采用載流子壽命較高的晶硅片，一般為n型單晶硅片；2）電池柵線全都位于背面。IBC電池的柵線都在背面，可以更加靈活地設(shè)計柵線，采用柵線寬度加寬或者高度增加的方式，降低串聯(lián)電阻。3）????????或????????/????????疊層鈍化減反膜與??+層結(jié)合。在高壽命n型硅片襯底的前表面采用??????2或????????/????????疊層鈍化減反膜與??+層結(jié)合，形成前表面場，并制備金字塔狀絨面來增強(qiáng)光的吸收。4）背面為P區(qū)和N區(qū)的叉指狀間隔排列。背面分別進(jìn)行磷、硼局部擴(kuò)散，形成指交叉排列的p^+和n^+擴(kuò)散區(qū)，重?fù)诫s形成的p^+區(qū)和n^+區(qū)可有效消除高聚光條件下的電壓飽和效應(yīng)，兩個摻雜區(qū)中間一般還存在一個間隙，其中發(fā)射極用來收集空穴載流子，背表面場用來捕獲電子；5）與鈍化接觸技術(shù)相結(jié)合。背面采用??????2、??????2、????????等鈍化層或疊層，并通過在鈍化層上開金屬接觸孔，實(shí)現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的金屬接觸。從電池結(jié)構(gòu)上看，IBC有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1）更高的短路電流密度：pn結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以叉指形狀全部處于電池的背面，正面沒有金屬電極遮擋，因此具有更高的短路電流密度；2）更高的開路電壓：正面不需要考慮電池的接觸電阻問題，可以最優(yōu)化地設(shè)計前表面場和表面鈍化，提升電池的開路電壓；3）提升填充因子：正負(fù)電極全部在背面，可以采用較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻，從而提高填充因子。IBC電池能夠獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，但是工藝復(fù)雜，良率低，成本較高，如何改進(jìn)設(shè)計和工藝，使其滿足工業(yè)化量產(chǎn)的要求是IBC電池研究的重點(diǎn)。IBC電池的工藝流程大致為：清洗、制絨、擴(kuò)散（??+）、刻蝕光阻、刻蝕p擴(kuò)散區(qū)、擴(kuò)散（??+）、減反射鍍膜、熱氧化、絲網(wǎng)印刷電極、燒結(jié)、激光燒結(jié)。IBC的關(guān)鍵工藝技術(shù)挑戰(zhàn)有如下幾點(diǎn)：1）前表面陷光和鈍化要求較高：為了保證光生載流子在流動到背面電極前不被復(fù)合，需要對前表面進(jìn)行很好的鈍化，降低表面的復(fù)合速率；2）電池背面叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)制備：在電池背面制備出質(zhì)量較好、呈叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)摻雜區(qū)，摻雜濃度和分布至關(guān)重要；3）背面柵線金屬化設(shè)計：IBC電池的柵線都在背面，可以更加靈活地設(shè)計柵線，采用柵線寬度加寬或者高度增加的方式，降低串聯(lián)電阻。金屬接觸區(qū)的復(fù)合通常都較大，所以需要降低柵線接觸區(qū)域面積，降低復(fù)合，提升開路電壓；4）工藝復(fù)雜：從技術(shù)層面上來看，BC電池制成流程復(fù)雜，技術(shù)難度大、對材料的要求高、成本難受控制，對硅片少子壽命要求高，未來還需要解決系列問題，包括制備流程長，成本與一致性等問題。二、高效電池片降本增效優(yōu)勢明顯2.1高效電池片對組件實(shí)際功率提升明顯假設(shè)相同尺寸且相同CTM條件下，高效組件溫度系數(shù)較常規(guī)組件高0.05%，雙面率高10%。根據(jù)我們模型測算，23.5%轉(zhuǎn)換效率的電池與普通電池相比，組件實(shí)際功率增益達(dá)到4.23%，若使用25.5%轉(zhuǎn)換效率的電池，組件實(shí)際功率增益可達(dá)13.10%。2.2高效率組件可攤薄電站成本實(shí)際功率的提高可降低電站的BOS成本。根據(jù)CPIA，2022年，我國地面光伏系統(tǒng)的初始全投資成本為4.13元/W左右，在光伏電站BOS成本中，與面積相關(guān)的成本主要有一次性土地成本、支架、建安費(fèi)用、管理費(fèi)用，其中2022年光伏電站BOS成本大約為2.20元，其中面積相關(guān)的占BOS成本比大約為57%，約為1.26元。關(guān)鍵假設(shè)：1）高效組件尺寸和常規(guī)組件一致；2）高效組件溫度系數(shù)相比常規(guī)組件高0.05%；3）高效組件雙面率比常規(guī)組件高10%。通過敏感性分析，測算可得，當(dāng)電池片效率提升0.5%，BOS成本可降低約0.02-0.03元/W。高效組件擁有更好的衰減系數(shù)，在首年衰減和次年衰減上均具備優(yōu)勢，增益光伏電站全生命周期發(fā)電量，降低光伏電池全生命周期度電成本。假設(shè)常規(guī)組件首年衰減為2%，次年及以后為0.45%。通過敏感性分析，當(dāng)首年衰減每降低0.2%，次年衰減不變時，地面光伏電站LCOE將約降低0.0005元；當(dāng)首年衰減不變，次年衰減每降低0.05%，地面光伏電站LCOE將降低0.0012元；當(dāng)首年衰減降低0.2%，同時次年衰減降低0.05%時，地面光伏電站LCOE將降低0.0017元。三、N型電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化如火如荼N型電池技術(shù)主流時代即將到來。目前N型高效晶硅電池技術(shù)在效率提升和成本下降均處在快速進(jìn)步階段，在電池技術(shù)正面臨新的技術(shù)拐點(diǎn)的背景下，包括TOPCON、HJT、IBC等在內(nèi)的N型電池具備轉(zhuǎn)換效率高、低衰減和更低LCOE潛力等優(yōu)勢，根據(jù)ISFH（2019）報告分析，以Topcon和HJT為代表的N型電池理論極限效率遠(yuǎn)高于PERC電池，我們認(rèn)為隨著時間的推移和技術(shù)的逐漸成熟，N型電池有望實(shí)現(xiàn)更高的量產(chǎn)電池效率，成為新一代主流電池技術(shù)。3.1TOPCon產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程：量產(chǎn)成本具備性價比，產(chǎn)能擴(kuò)張迅速TOPCon目前量產(chǎn)效率已達(dá)25.7%，仍有向上突破空間。根據(jù)通威股份公司公告，公司作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，其TOPCon電池量產(chǎn)效率已達(dá)25.7%，良率超過98%，根據(jù)ISFH（2019）報告分析，TOPCon電池極限理論效率可達(dá)28.7%，轉(zhuǎn)換效率仍有提升空間。TOPCon提效路徑：正、背面增加SE技術(shù)：SE工藝也稱為選擇性發(fā)射極技術(shù)，選擇性發(fā)射極的應(yīng)用可以降低Ag-Al和P++層的接觸電阻，提高電池的開路電壓和填充因子。細(xì)化主柵，減少電池表面遮擋：將主柵細(xì)化可減少電池表面遮光面積，降低遮光損失，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。雙面POLY鈍化：當(dāng)前TOPCON電池片主要采用背面隧穿氧化層鈍化，后續(xù)有望加入正面隧穿氧化鈍化，進(jìn)一步提升電池片轉(zhuǎn)換效率。量產(chǎn)成本具備性價比，TOPCon電池產(chǎn)能擴(kuò)張迅速。TOPCon電池目前設(shè)備成本約為1.8億/GW，與其他新技術(shù)路線相比投資成本更低，量產(chǎn)更具性價比。更具性價比的優(yōu)勢吸引行業(yè)加碼TOPCon產(chǎn)能擴(kuò)張，根據(jù)集邦新能源網(wǎng)，現(xiàn)階段N型產(chǎn)能的擴(kuò)張中，TOPCon擴(kuò)產(chǎn)產(chǎn)能較多，預(yù)計2023年TOPCon電池片名義產(chǎn)能約441GW，行業(yè)中龍頭公司也持續(xù)加大TOPCon產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模。3.2HJT產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程：降本路線清晰，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展可期HJT領(lǐng)先企業(yè)量產(chǎn)效率達(dá)到26%，電池降本與行業(yè)量產(chǎn)加速可期。根據(jù)東方日升公司公告，公司作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，目前公司HJT電池量產(chǎn)效率已達(dá)26%，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)線良率可達(dá)98.5%，根據(jù)ISFH（2019）報告分析，HJT理論極限效率可達(dá)27.5%，后續(xù)仍有進(jìn)步空間。目前HJT量產(chǎn)規(guī)模相對較小