PERC之后光伏制造技術往何處去?
Date de sortie:
2019-05-13

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引言

過去的三到五年是光伏制造業的電池產品技術急速轉型的幾年。鈍化發射極和局部背接觸電池(PERC/PERL/PERT)在這幾年中迅速成為熱點,逐漸開始蠶食傳統全鋁背場電池的市場份額。今年初發布的第八版ITRPV報告更大膽預測未來十年間PERC電池將一統江湖,占據60%的市場。


從2014年歐洲光伏會議(EUPVSEC)上工業PERC電池的概念和結果被熱炒,到2016年底全球范圍內部署15GW的PERC產能,并且公布20GW的升級/新增產能。光伏制造企業對于PERC技術的吸收、消解不可謂不迅速。各家一級廠商幾乎同一時間發力研發自己的單晶、多晶PERC電池,并且頻頻祭出大面積PERC電池的效率記錄。天合的單晶PERC 22.61%,晶科的多晶PERC 21.63%輪番吸引著業界和媒體的眼球??梢灶A見未來兩年,PERC升級將主導電池技術投資,引來眾多企業蜂擁而入,改產線,買設備,擴產能。


繁華之下,其實應該客觀的看到量產的PERC電池也有其技術難度。增加背表面的鈍化鍍膜,增加激光開槽,使用為局部鋁背場優化的鋁漿等等。為了在效率、良率和成本之間尋找一個動態平衡,制造企業會有些艱難的路要走。


換個角度,我們注意到過去十年,許多權威機構關于光伏技術、產能、裝機容量的預測通常都是失準的。因為這個行業受到技術、政策、經濟周期的影響通常會給基于歷史經驗的預測一個意外。所以身處PERC的大潮中,光伏從業者們多少會問自己——PERC之后,光伏制造技術會往何處去?筆者從事高效硅太陽能電池研究數年,主導過校企合作項目的實踐,愿意從一個學術和產業結合的跨界視角略抒拙見。


PERC之后光伏制造技術往何處去?

圖1:2016-2027十年間PERC電池的世界市場份額將從15%增長至60%(ITRPV 2017)

什么樣的晶硅技術有可能取代PERC?


既然要回答PERC之后制造技術往何處去,不妨先討論一下可能取代PERC的技術應該具有怎樣的特質。在此擷取百家觀點做一綜述,大約可以歸納為以下幾點:


  • 升級現有電池生產線,

  • 可以借鑒以往的生產經驗,并且不必大規模更改生產步驟

  • 帶來至少1%左右的絕對效率提升

  • 抑制光致衰減(LID)和電勢誘導衰減(PID)

  • 適合單晶高效率電池


以此作為標準來評價現在熱議的幾個技術,我們不難看出其各自的優缺點。


首先,選擇性發射極。以尚德的Pluto系列產品為代表的選擇性發射極電池曾在2010年左右紅極一時,然而其熱度隨著尚德的破產重組戛然而止。究其原因,當時在全鋁背場電池上做選擇性發射極,其前表面的量子效率提升并無法彌補后表面的復合損失。如今在PERC電池解決了背表面復合問題的基礎上加上選擇性發射極,似乎顯得更合理一些。然而由于組件中玻璃,封裝劑等對短波光譜的吸收,選擇性發射極在電池層面帶來的效率提升在組件層面被大幅削弱。另一方面,受益于銀漿技術的發展,具有更高方阻的發射極可以和銀漿形成歐姆接觸。這在一定程度上會影響選擇性發射極的受歡迎程度。


其次,異質結電池(HJT)?;诜蔷Ч桠g化的HJT電池在過去三年里頻頻刷新單結晶硅電池的效率記錄。從2014年初Panasonic的25.6%打破UNSW保持了近20年的記錄開始,HJT的“野蠻生長”一發不可收拾。Panasonic,SHARP和Kaneka先后超越25%,其中Kaneka更是在2016年底將記錄刷新到26.6%。雖然實驗室的結果十分耀眼,但工業生產HJT會面臨更多的阻力。HJT需要的本征和參雜非晶硅鍍膜工藝,工藝窗口非常窄,對工藝清潔度要求極高,這對大規模生產中的可靠性和可重復性是一大挑戰。此外,HJT的工藝制程和傳統晶硅電池差別較大,傳統廠商需要購置整條新產線來生產HJT產品。更值得一提的是,HJT電池帶來的組件層面對于新型電池組串技術的要求意味著行業更高的投入?,F在的問題是,市場預計未來2-3年全球光伏電站裝機容量增長放緩,光伏產業有可能面臨新的過度供給問題。因此新增光伏產能將勢必將放緩,光伏廠商會更傾向于升級改造現有產能。像HJT這樣的革命性技術,可能會需要等待較長的時間,在下一個產能擴張周期的時候才會再度受寵。


再次,全背接觸電池(IBC)。以SunPower為代表的IBC電池技術一直以高效率、高價格的奢侈品身份存在于光伏市場??v然轉換效率最高,但由于兩電極都處于背表面,其擴散、隔離、金屬化等工藝較普通電池要復雜,成本也相應增加。高價格決定了IBC電池只能占有對于輸出功率要求極高的高端細分市場,難以成為大宗產品。與HJT技術一樣,想進入IBC電池的廠商同樣需要通過購買整條新的生產線來實現。


最后,鈍化接觸。故名思議,鈍化接觸意味著原本復合速率極高的金屬與半導體界面被鈍化了,使得選擇性發射極完全沒有必要,甚至連發射極本身也不需要(下文將會詳述)。鈍化接觸電池的生產工藝簡單,且步驟相似,所以可以借鑒以往經驗,靠升級產線來獲得新的產能。一些鈍化接觸電池,比如德國弗勞恩霍夫研究所的TOPCon技術已經在實驗室中實現了25.1%的效率,為其理論效率提升背書。此外,荷蘭研究所ECN在再發表的報告中宣布其PERPoly鈍化接觸電池技術可以通過控制鈍化接觸層的厚度來抑制PID。最重要的是,鈍化接觸在單晶電池中的優勢大于多晶,與當下市場對于高效能組件的需求和日益擴大的單晶硅產能趨勢相合。因此,筆者認為鈍化接觸電池技術極有可能成為PERC之后的又一個光伏技術風口。


以下簡要介紹一下鈍化接觸技術的理論、應用和前沿成果。


鈍化接觸理論


我們把太陽能電池抽象成一個三個理想化的基本組成部分,即吸收層,鈍化層和接觸,包括電子接觸和空穴接觸。吸收層在吸收光子之后被激發出電子/空穴對分別沿著導帶和價帶自由遷移。由于電池的表面被鈍化層完美的“鈍化”了,載流子不會在表面復合,而是最終移動到接觸區域。假設接觸對于電子和空穴存在某種選擇性,即電子接觸會更傾向于導出電子并且阻擋空穴,那么在電子接觸區域會有大量的電子(多子)電流流出,根據P=(I^2) R,多子電流會產生較大的電阻損耗。另一方面,流向電子接觸的空穴(少子)電流會在接觸區域被阻擋,并且和電子復合產生復合損耗,這一復合損失通常用J_0c來表示。

PERC之后光伏制造技術往何處去?

圖2:鈍化接觸描述了一個既對多子有足夠的導電性(低電阻損耗),又對少子有極佳的鈍化性能(低復合電流密度)的接觸區域。(Cuevas et al., Skin care for healthy siliconsolar cells.IEEE PVSC, 2015)


如果一個接觸區域既對多子有足夠的導電性(低電阻損耗),又對少子有極佳的鈍化性能(低復合電流密度),我們就可以稱這一類接觸為鈍化接觸。鈍化接觸是一個很寬泛的概念。廣義的講HJT電池中本征/參雜非晶硅疊層形成的接觸也是鈍化接觸。鈍化接觸對于電子和空穴的選擇性一般通過參雜和功函數匹配來實現,以下我們就以制備鈍化接觸的工藝溫度來劃分成高溫鈍化接觸技術(參雜)和低溫鈍化接觸技術(功函數匹配)兩類來分別討論。


高溫鈍化接觸技術

高溫鈍化接觸技術通常包含了擴散工藝,通過參雜的非晶硅或微晶硅和一個鈍化層的疊層來實現鈍化接觸。非晶硅的沉積溫度通常在250攝氏度以上,而擴散溫度通常高于800攝氏度。比如圖3(左)日本Kaneka公司的HJT結構中,本征非晶硅(i-Si)起到了鈍化的作用,降低J_0c;n或p型參雜的非晶硅起到選擇性導出電子/空穴的作用,降低p_c。同樣在圖3(右)德國弗勞恩霍夫ISE研究所的TOPCon結構中,后表面超薄二氧化硅層起鈍化作用,而n型參雜的微晶硅層選擇性導出電子,共同形成一個鈍化接觸。

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圖3:(左)2015年日本Kaneka報道的25.1%硅HJT電池(Adachi et al.,Applied Physics Letters.2015),(右)2015年德國弗勞恩霍夫ISE報道的25.1%TOPCon電池。(Hermleet al., IEEE PVSC. 2015)


由于此類鈍化接觸的層疊結構簡單,工藝窗口大,很多光伏實驗室嘗試把這一鈍化接觸用于不同的電池結構,結果都取得了不錯的電池效率(見表1)。其中,美國佐治亞理工和荷蘭ECN分別在156mm全尺寸硅片上實現了21%左右的電池效率,并且ECN宣布這一電池結構相比n型PERT電池會有0.5%的絕對效率提升。值得一提的是,高溫鈍化接觸相比傳統的PERC電池更易實現雙面電池結構,從而迎合未來對于n型電池,雙面、雙玻組件的不斷增長的需求。


表1:全球各著名光伏研究中心在高溫鈍化接觸領域的進展

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低溫鈍化接觸技術

顧名思義,低溫鈍化接觸全部工藝制程不需要經過高溫。所謂低溫和高溫的分界線并沒有十分科學的定義,但學界通常以200攝氏度為分野,所以低溫鈍化接觸的全部工藝可以在200攝氏度以下的環境里完成。


低溫鈍化接觸對電子空穴的選擇性由接觸材料本身的功函數(work function)和硅本身導帶和價帶的匹配來決定。低功函數的材料如果與硅的導帶向匹配則利于導出電子,阻擋空穴;相反的,高功函數的材料若可以和硅的價帶相匹配,就可以導出空穴而阻擋電子。


這里以p型鈍化接觸材料氧化鉬(MoOx)為例做個形象的解釋。氧化鉬的功函數為5.5-6.7eV,與硅的價帶相匹配,于是適合做空穴導出材料。圖4顯示在金屬/氧化鉬/硅的界面,因為氧化鉬和硅的價帶相匹配,空穴可以在靠近界面的勢阱中聚集利于導出,而電子則在界面出遇到一個勢壘并被排斥。


相反的,功函數只有2.9eV的氟化鋰(LiFx)可以和硅的導帶相匹配,并且在氟化鋰/硅界面形成電子勢阱,利于電子導出。于是氟化鋰被看作硅的n型鈍化接觸材料。


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圖4:(左)空穴聚集在由氧化鉬/硅功函數匹配形成的勢阱中,易于導出。因此氧化鉬被看作是硅的p型鈍化接觸材料。(右)為了保證氧化鉬鈍化接觸層的低電阻率,其厚度不能超過10nm。(Bullocket al., Applied Physics Letters. 2015)

按照這個功函數匹配的思路,光伏學者們任性的把元素周期表搜索了一遍,發現了許多具備鈍化接觸潛力的材料。對于n型電子鈍化接觸,已知的材料有氟化鋰LiFx,氟化鎂MgFx,氧化鎂MgOx,氧化鈦TiO2,以及具有極低功函數的堿土金屬,比如鎂Mg,鈣Ca。對于p型空穴鈍化接觸,目前發現的大多為過渡金屬氧化物,比如氧化鉬MoOx,氧化鎢WOx,氧化亞銅Cu2O,氧化鎳NiOx,等等。所有的材料都可以通過蒸鍍,濺射或者原子層沉積(ALD)的方式在不高于200攝氏度的溫度下沉積,并且所需厚度僅在10nm以內。因為備選材料很多,目前的研究重點已經轉向尋找最經濟、穩定的材料為下一步商業化做鋪墊。


功函數的匹配形成鈍化接觸對載流子的選擇性,讓設計完全沒有參雜和擴散工藝的電池成為可能。2016年,在鈍化接觸領域獨樹一幟的澳大利亞國立大學與美國加州大學伯克利分校和瑞士洛桑聯邦理工合作,設計和制備了世界上第一個效率接近20%的無參雜DASH電池,結果發表在當年的Nature Energy上。在DASH電池中,硅片僅作為吸收層;電池的全表面由本征非晶硅鈍化;最后空穴接觸由ITO/氧化鉬實現,電子接觸由鋁/氟化鋰完成;最終在無參雜的條件下實現714mV的開壓和19.4%的電池效率。DASH電池在實驗上證實了鈍化接觸技術的可行性,為這一技術的產業化向前推進了重要的一步。


PERC之后光伏制造技術往何處去?

圖5:發表于Nature Energy的完全無參雜的DASH電池,電子和空穴鈍化接觸分別由氟化鋰/本征非晶硅和氧化鉬/本征非晶硅實現。(Bullocket al., Nature Energy. 2016)

結語

身處PERC電池的風口中,光伏從業者們應當具有戰略的眼光,看到PERC之后的光伏制造技術路線圖,提前布局。筆者認為短期內,高溫鈍化接觸技術依靠它與傳統硅電池生產工藝的高度一致性,高出PERT電池0.5%的絕對效率提升,以及抗PID等性能,會逐漸成為PERC技術的有力競爭者。長期展望,隨著低溫鈍化接觸技術逐漸提高其穩定性,以及光伏制造業對于降低成本的需求不斷增強,以DASH電池為代表的低溫、無參雜、鈍化接觸電池技術將開始占領市場。


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