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光伏产业之高效太阳能电池技术深解

[ 作者:Novtec  日期:2013-12-24 ]

光伏产业之高效太阳能电池技术深解
光伏产业低迷,腹背受敌。怎样能挺过寒冬?有技术实力而且能将技术变成生产力的企业,将最终胜出。高效电池就是光伏的突围之匙。
   1.高效电池-光伏的突围之匙
  光伏当前产业低迷,腹背受敌。外有金融危机,市场萎靡,欧美双反,贸易壁垒;内有并网受限,政策滞后,产能过剩,产品同质化,高资产负债率。很多人都喜欢问一个问题,“你认为光伏何时才能复苏?”,我觉得这个问题的意义不太大,因为即使能预测出这个时间点,可是你确信自己能挺到复苏之时吗?行业的复苏不等于你的复活,也许那时你已经成为一名过客了。那怎样的企业才能挺过这次寒潮呢?有技术实力,而且能将技术变成生产力的企业,将最终胜出,迎来光伏的下一个高潮。
  有核心技术,自然能得到资本的青睐,解决资金的短缺。自然能够突破价格战和产能过剩的困局,获得更高的利润。据计算,太阳能光伏电池转换效率每提高一个百分点,将使太阳能电池组件的发电成本降低7%左右。目前国际市场的行情是:同样是P型硅片制造,转换效率高低成为定价的标准。下游客户使用高效太阳电池做的组件,可以在安装成本不变的情况下提高太阳能光伏发电系统的年发电。高效电池就是光伏的突围之匙。
  光伏暴利的时代已经过去。中国光伏行业在洗牌整合,在等待政策和贸易环境的改善,在积蓄内力提高效率,等待一个真正辉弘的高潮的到来---光伏平价上网:光伏发电以平等的价格和传统能源展开发电市场竞争,走入寻常百姓家。
  2.什么是高效光伏电池
  目前普通的太阳能电池产业化水平转换效率:单晶15%~17%、多晶12%~15%,非晶硅薄膜8%~9%。高效电池是指电池产业化水平转换效率:单晶》18%、多晶》16.5%、非晶硅薄膜》10%。要强调一点的是我们说的是产业化的电池转换效率,是指能够量产制造的,不是实验室精雕细刻出来的。实验室里面有很多电池效率很高,但或者工艺太复杂、或者技术不成熟,只具有研发意义,无法量产,无法降低生产成本,还不具有商业推广价值。
  大面积、薄片化、高效率以及高自动化集约生产将是光伏硅电池工业的发展趋势。通过降低电池的硅材料成本,提升光电转换效率与延长其使用寿命来降低单位电池的发电成本。通过集约化生产节约人力资源降低单位电池制造成本。通过合理的机制建立优秀的技术团队、充分保证技术上的持续创新是未来光伏企业发展的核心竞争力所在。
  3.技术发展趋势-薄片化
  降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施,是光伏技术进步的重要方面。30 多年来,太阳电池硅片厚度从70 年的450~500μm 降低到目前的150~180μm,降低了一半以上,硅材料用量大大减少,对太阳电池成本降低起到了重要作用,是技术进步促进成本降低的重要范例之一。
  4.光伏技术发展战略目标
  典型商业组件的效率期望能从2010年的16%增长到2030年的25%,2050年增长到40%。随着能源和材料在制造业的使用更加高效,光伏系统能源回收期的时间会不断缩短的。预计能源回收期会从2010年的两年降低到2030年的0.75年,到2050年会下降到0.5年。使用寿命期望从25年增加到40年。
  5.光伏产业技术路线图   
  晶体硅电池发展的趋势是低成本高效率,这是光伏技术的发展方向。低成本的实现途径包括效率提高、成本下降及组件寿命提升三方面。效率的提高依赖工艺的改进、材料的改进及电池结构的改进。成本的下降依赖于现有材料成本的下降、工艺的简化及新材料的开发。组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。因而,晶体硅电池发电的平价上网时间表除了与产业规模的扩大有关外,最重要的依赖于产业技术(包括设备和原材料)的改进。
  仅靠工艺水平的改进对电池效率的提升空间已经越来越有限,电池效率的进一步提升将依赖新结构、新工艺的建立。具有产业化前景的新结构电池包括选择性发射极电池、异质结电池、背面主栅电池及N型电池等。这些电池结构采用不同的技术途径解决了电池的栅线细化、选择性扩散、表面钝化等问题,可以将电池产业化效率提升2~3个百分点。
  为了进一步降低成本、提高效率,各国光伏研究机构和生产商不断改善现有技术,开发新技术。他们根据自己的技术实力和科研回报的期望,选择不同的研究方向和路径,共同促进光伏技术的不断进步。
  高效电池类型介绍
  1.高效晶体硅太阳能电池-MWT电池
  MWT 电池是金属穿孔卷绕(metallization wrap-through, MWT)硅太阳能电池的简称。
  MWT技术是荷兰规模最大的太阳能电池生产商Solland Solar开发的用于其Sunweb电池的方法。该技术应用P型多晶硅,通过激光钻孔将电池正面收集的能量穿过电池转移至电池的背面。这种方法使每块电池的输出效率提高了2%,再与电池组件相连接,所得的输出效率能提高9%,如图5所示。
  在MWT器件中,工艺的难点包括:激光打孔和划槽隔绝的对准及重复性、孔的大小及形状的控制、激光及硅衬底造成的损伤及孔内金属的填充等。一般MWT每块硅片需要钻约200个通孔。
  MWT电池的制作流程大致为:
  硅片-》激光打孔-》清洗制绒-》发射极扩散-》去PSG-》沉积SIN-》印刷正面电极-》印刷背面电极-》印刷背电场-》烧结-》激光隔绝-》测试。
  2.高效晶体硅太阳能电池-EWT电池
  EWT 电池是发射极环绕穿通(emitter-wrap-through,EWT)硅太阳能电池的简称。
  与MWT电池不同的是,在EWT电池中,传递功率的栅线也被转移至背面。与MWT电池类似,EWT电池也是通过在电池上钻微型孔来连接上、下表面。相比MWT电池的每块硅片约200个通孔,EWT电池每块硅片大约有2万个这种通孔,故激光钻孔成为唯一可满足商业规模速度的工艺,如图所示。
  EWT电池由于正面没有栅线和电极,使模组装配更为简便,同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子,使光生电流有大幅度的提高。用于工业化大面积硅片的EWT电池工艺多采用丝网印刷和激光技术,并对硅片质量具有一定的要求,这为EWT电池工艺技术提出诸多的要求,比如无损伤激光切割的实现、丝网印刷对电极形状的限制、孔内金属的填充深度以及发射极串联电阻的优化等。利用这种新型几何结构生产出来的早期电池获得了超过17%的效率。
   3.高效晶体硅太阳能电池-LGBC电池
  LGBC电池是有激光刻槽埋栅电极 (Laser groove bury contact) 工艺电池的简称。由UNSW开发的技术,是利用激光技术在硅表面上刻槽,然后埋入金属,以起到前表面点接触栅极的作用。如图所示,发射结扩散后,用激光在前面刻出20μm宽、40μm深的沟槽,将槽清洗后进行浓磷扩散,然后槽内镀出金属电极。电极位于电池内部,减少了栅线的遮蔽面积,使电池效率达到19.6%。
  与传统工艺的前表面镀敷金属层相比,这种电池具有的优点是:栅电极遮光率小、电流密度高,埋栅电极深入硅衬底内部可增加对基区光生电子的收集,浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗,提高了电池的开路电压。
  这种电池既保留了高效电池的特点,又省去了高效电池制作中的一些复杂的工艺,很适合利用低成本、大面积的硅片进行大规模生产。目前这一技术已经转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂。如英国的BP SOLAR和美国的SOLAREX等。
  激光刻槽埋栅电池的大致工艺流程为:
  硅片-》清洗制绒-》淡磷扩散-》热氧化钝化-》开槽-》槽区浓磷扩散-》背面蒸铝-》烧背场-》化学镀埋栅-》背面电极-》减反射膜-》去边烧结-》测试。
  4.高效晶体硅太阳能电池-OECO电池
  OECO 电池是倾斜蒸发金属接触(Obliquely evaporated contact,OECO)硅太阳能电池的简称。
  OECO 太阳电池是德国ISFH研究所从九十年代就开始研制的一种新型单晶硅电池。与其他高效电池相比,具有结构设计新颖、制作简单、电极原料无损耗、成本低廉和适合大批量生产等优点。OECO电池结构基于金属-绝缘体-半导体(MIS)接触,利用表面沟槽形貌的遮掩在极薄的氧化隧道层上倾斜蒸镀低成本的Al作为电极,无需光刻、电极烧穿、电极下重掺杂和高温工艺即可形成高质量的接触,并且一次性可蒸镀大批量的电池电极。更为重要的是当这种电池制作面积从4 cm2扩大到100 cm2时,效率也只是从21.1%略微降到20%,仍然属于高效范围,所以这种结构的电池更适宜于工艺生产。
  OECO结构示意图如图8所示,电池的表面由许多排列整齐的方形沟槽组成,浅发射极n+位于硅片的上表面,在其上有一极薄的氧化隧道层,Al电极倾斜蒸镀于沟槽的侧面,然后利用PECVD蒸镀氮化硅作为钝化层和减反射膜
  OECO电池有以下特点:
  (1)电极是蒸镀在沟槽的侧面,有利于提高短路电流;
  (2)优异的MIS结构设计,可以获得很高的开路电压和填充因子;
  (3)高质量的蒸镀电极接触;
  (4)不受接触特性限制的可以被最优化的浅发射极;
  (5)高质量的低温表面钝化。
  电池的制作具体过程为:
  前表面机械开槽→化学腐蚀清洗→背面掩膜(扩散)→前表面化学制绒→使用液态源POCl3进行磷扩散制作n+发射极→打开背面接触→真空蒸镀Al作为背电极→前表面低温热氧化形成氧化隧道层→前表面无需掩膜直接倾斜蒸镀Al作为面电极→使用导电胶将各个面电连接起来→采用PECVD法在前表面蒸镀氮化硅作为钝化和减反射层。
5.高效晶体硅太阳能电池-N型晶体硅电池
  N型硅衬底的优点:N型硅(n-Si)相对于P型硅来说,由于对金属杂质和许多非金属缺陷不敏感,或者说具有很好的忍耐性能,故其少数载流子具有较长而且稳定的扩散长度。
  目前只有Sunpower和sanyo两家企业N型Si衬底生产高效太阳能电池做得较好。英利“熊猫”N型单晶硅高效电池项目填补了国内N型电池技术的空白。
  如何在N型硅衬底上实现PN结:硼扩散制结、非晶硅/晶硅异质结以及Al扩散制结三种基本方法。
  硼扩散制结需要高温,高温是太阳能电池制备工艺最忌讳的!
  HIT电池只有Sanyo做得较好,没有推广。
  Al推进制结目前受到普遍关注,因其价格低廉而又容易实现。具体工艺参数信息见附图,对专业人士很有参考价值。
晶硅太阳能电池转换效率 
  1.硅太阳能电池的转换效率损失机理
  太阳能电池转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制。对于单晶硅硅太阳能电池,由于上光子带隙的多余能量透射给下带隙的光子,其转换效率的理论最高值是28%。只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。
  影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面,如图1所示:
  (1)光学损失,包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。
  (2)电学损失,它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的接触电阻,以及金属和半导体的接触电阻等的损失。这其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳能电池的开路电压。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。
  2.提高晶硅太阳能电池转换效率的方法
  (1) 光陷阱结构。一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术,制得绒面的反射率可达到10%以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术(RIE),该技术的优点是和晶硅的晶向无关,适用于较薄的硅片,通常使用SF6/O2混合气体,在蚀刻过程中,F自由基对硅进行化学蚀刻形成可挥发的SiF4,O自由基形成SixOyFz对侧墙进行钝化处理,形成绒面结构。目前韩国周星公司应用该技术的设备可制得绒面反射率低于在2%~20%范围。
  (2) 减反射膜。它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜,可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。单晶硅电池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至2%左右。
  (3) 钝化层:钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化,或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。热氧钝化是在电池的正面和背面形成氧化硅膜,可以有效地阻止载流子在表面处的复合。原子氢钝化是因为硅的表面有大量的悬挂键,这些悬挂键是载流子的有效复合中心,而原子氢可以中和悬挂键,所以减弱了复合。
  (4) 增加背场:如在P型材料的电池中,背面增加一层P+浓掺杂层,形成P+/P的结构,在P+/P的界面就产生了一个由P区指向P+的内建电场。由于内建电场所分离出的光生载流子的积累,形成一个以P+端为正,P端为负的光生电压,这个光生电压与电池结构本身的PN结两端的光生电压极性相同,从而提高了开路电压Voc。同时由于背电场的存在,使光生载流子受到加速,这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度,因而增加了这部分少子的收集几率,短路电流Jsc也就得到提高。
  (5) 改善衬底材料:选用优质硅材料,如N型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。
  3.高效晶体硅太阳能电池-PERL电池
  PESC、PERC、PERL电池是新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列,前两个子母PE(Passivated Emitter)代表前表面的钝化(选择性扩散),后两个子母代表后表面的扩散和接触情况。其中PERL衍生了南京中电的SE电池与尚德的PLUTO电池。
  PESC(钝化发射极背接触)电池1985年问世,可以做到大于83%的填充因子和20.8%(AM1.5)的效率。
  PERC(钝化发射极背场点接触)电池,用背面点接触来代替 PESC电池的整个背面铝合金接触,这种电池达到了大约700mV的开路电压和22.3%的效率。
  PERL(钝化发射极背部局域扩散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。1990年,新南威尔士大学的J.ZHAO在PERC电池结构和工艺的基础上,在电池背面的接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池,如图所示。2001年,PERL电池效率达到24.7%,接近理论值,是迄今为止的最高记录。
   4.高效晶体硅太阳能电池-HIT电池
  HIT 电池是异质结( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太阳能电池的简称。1997年,日本三洋公司推出了一种商业化的高效电池设计和制造方法,电池制作过程大致如下:利用PECVD在表面织构化后的N型CZ-Si片的正面沉积很薄的本征α-Si:H层和p型α-Si:H层,然后在硅片的背面沉积薄的本征α-Si:H层和n型α-Si:H层;利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜(TCO),用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。值得注意的是所有的制作过程都是在低于200 ℃的条件下进行,这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。
  HIT电池具有高效的原理是:
  (1)全部制作工艺都是在低温下完成,有效地保护载流子寿命;
  (2)双面制结,可以充分利用背面光线;
  (3)表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性;
  (4)采用的n型硅片其载流子寿命很大,远大于p型硅,并且由于硅片较薄,有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集;
  (5)织构化的硅片对太阳光的反射降低;
  (6)利用PECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化,这是该电池取得高效的重要原因。
  2009年5月,这种电池的量产效率达到了19.5%,单元转化效率达到23%。
  HIT电池的工艺流程是:
  硅片-》清洗-》制绒-》正面沉积-》背面沉积-》TCO溅射沉积-》丝网印刷Ag电极-》测试
  这种电池具有结特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点,所以在光伏市场上受到青睐,商业化生产速度发展很快,仅仅两三年时间,产品已占整个光伏市场的5%
  5.高效晶体硅太阳能电池-IBC电池
  IBC 电池是背电极接触( Interdigitated Back-contact )硅太阳能电池的简称。由Sunpower公司开发的高效电池,其特点是正面无栅状电极,正负极交叉排列在背后。利用点接触(Point-contact cell,PCC)及丝网印刷技术。
  这种把正面金属栅极去掉的电池结构有很多优点:
  (1)减少正面遮光损失,相当于增加了有效半导体面积;
  (2)组件装配成本降低;
  (3)外观好。
  由于光生载流子需要穿透整个电池,被电池背表面的PN节所收集,故IBC电池需要载流子寿命较高的硅晶片,一般采用N型FZ单晶硅作为衬底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅复合膜与N+层结合作为前表面电场,并制成绒面结构以抗反射。背面利用扩散法做成P+和N+交错间隔的交叉式接面,并通过氧化硅上开金属接触孔,实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分,十分有利于电流的引出, 结构见图。
  这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”,增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分复杂,工艺中的难点包括P+扩散、金属电极下重扩散以及激光烧结等。2009年7月SunPower公司上市了转换效率为19.3%的太阳能电池模块。
  IBC电池的工艺流程大致如下:
  清洗-》制绒-》扩散N+-》丝印刻蚀光阻-》刻蚀P扩散区-》扩散P+-》减反射镀膜-》热氧化-》丝印电极-》烧结-》激光烧结。

 
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