HIBC电池技术调研报告-solarbe文库

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1 高效晶硅太阳电池技术调研报告第一章引言晶体硅太阳电池一直是太阳电池应用中的主导技术，并占有绝大部分光伏市场。由于太阳电池应用在本世纪中得到飞速的发展，晶体硅太阳电池的性能也得到迅速的提高规模化生产的单晶硅和多晶硅太阳电池的转换效率在本世纪初只有 14和 15，现在已经达到了 19.8和 18.4左右。同时，晶体硅电池的制造方法却与十几年前基本没有变化，晶硅电池性能的提高，主要依赖电池辅料性能、生产工艺等的改进。如正面银浆、背面铝浆的不断更新换代，使正、背面金属接触的性能得到改善，提高了晶硅电池的开路电压（ Voc）和短路电流（ Isc）；电池加工设备的性能的提高，加上印刷网板的改进优化，正面银栅线有的采用了两次对准印刷。这些优化使印刷栅线宽度从 150μ m 下降到如今的 40μ m 左右，减少了栅线对光的遮挡，同时提高了栅线的高宽比，减小了栅线本身的电阻。因此，这一阶段电池性能的提高都应当归功于晶硅电池产业链上各级优化的结果。而随着晶体硅太阳电池效率逐步接近 20的光电转换效率，人们发现继续靠优化这些传统的晶硅电池技术和工艺来进一步提高电池的效率越来越困难。从而，相对不同的高效率晶硅电池技术受到了越来越多的重视。高效晶体硅太阳电池的概念是上世纪 80 年代提出来的，关键在于引进了热氧化表面钝化技术和陷光效应理论。高效电池与普通电池的一个主要区别在于电池背表面的钝化。目前生产上采用的传统电池都是用全面积背面铝烧结形成铝背场，这种铝背场虽然比金属直接接触的表面复合有所下降，但下降的程度不大。铝背场比绝缘层形成的表面钝化作用相差甚远，因此，传统电池的 Voc 并不是很高，大多数在 620～ 640mV 之间。而高效电池要对电池的正反表面全面积钝化，复合损失大幅降低，它们的 Voc 大多在 660～ 750mV 左右。另外，传统铝背场的内部光反射率很低，接近于零，因而穿透硅材料的红外线在铝背场附近几乎全部损失掉了。另外，传统电池的电流密度（ Jsc）在 37mA/cm2 左右，而高效电池的背表面镜以及陷光机理的合理设计，可以使 Jsc达到 40～ 42mA/cm2。而且有了陷光作2 用，电池的厚度可以进一步减薄，这样可在极小电流损失的条件下进一步提高电池的 Voc，特别是背面发射结电池和 IBC 电池。第二章晶硅太阳电池的发展历程晶体硅太阳电池技术是在过去 60 年间发展起来的，图 1 为晶体硅太阳电池光电转化效率的发展过程。 20 世纪四五十年代，由于空间太阳电池的应用需求，晶体硅太阳电池迅速发展起来，以地面太阳光谱条件下测量的电池效率超过了10，后来发现了浅结技术后效率接近 15。在 70 年代中期，又发明了在单晶硅上的碱制绒技术，电池效率达到了 17。自此经历了 MINP、 PESC、 PERC、 PERL等技术阶段，晶硅电池的转化效率快速突破了 20。由于 PESC电池是用铝背场烧结而同时形成背面电场和正面钝化，它主要的弱点在于背表面的高复合以及极低的背表面处光的内反射。因而后来发展起来的PERC电池（钝化发射极及背面钝化电池）和 PERL电池（钝化发射极和背面电扩散电池），在钝化电池背表面的同时，实现了背表面反射镜，得到了极佳的陷光效应， PERL电池迅速提高了电池效率，在 20 世纪 90 年代末达到了 24.7。 2008年全世界各大权威太阳电池测量中心修正了 AM1.5 光谱数据后， 1999 年 PERL电池创造了当时晶硅电池效率的世界纪录 --25.0。图 1.地面用晶体硅太阳电池效率发展史随着光伏行业向高效率、低成本方向发展， HIT太阳能电池便应运而生。三洋公司最初将（ a-Si） /（ c-Si）异质结应用于太阳能电池中，并在 1997 年大批量生产3 HIT太阳能电池，首次将其投入市场； 2009 年实现了厚度 98μ m、面积 100.3cm2的、拥有转换效率为 22.8的 HIT太阳能电池，到 2011 年，三洋公司制备的 HIT太阳能电池获得 23.7的效率。2014 年四月下旬日本夏普公司宣布，其自主开发的氢化非晶硅（ a-SiH）、 N型单晶硅（ c-Si）异质结背接触电池技术（即 HBC技术），转换效率可达到 25.1；几乎同时，日本松下公司宣布其使用的 HIT电池技术生产的电池达到 25.6的效率，刷新了澳大利亚新南威尔士大学 1999 年创下的 25.0的纪录，成为目前世界上太阳电池效率的最高水平。近几年国内高效电池技术的研发和应用也日趋迅猛，除国内重点科研院所和研发机构外，很多大型新能源企业开始陆续建设高效电池生产线。 2015 年 11 月10 日英利自主开发的“熊猫”二代 MWT 高效太阳能电池规模化生产效率达到20.5，对于助跑我国光伏产业技术升级起到良好的示范作用，填补了 N 型电池技术的国内空白； 2016 年 2 月 24 日，晋能清洁能源有限公司 2GW异质结高效光伏电池组件项目在晋中市开工建设，标志着国内 HIT电池组件规模化生产已经拉开序幕。第三章现有高效晶硅太阳电池技术介绍3.1 发射极表面钝化电池（ PESC）PESC电池（ Passivated Emitter Solar Cell）主要是使用 SiO2 薄层钝化发射极表面，最大限度地减少了发射极表面载流子复合中心，提高光生载流子的传输距离，从而提高电池的转换效率。目前使用 SiO2 做 PESC电池结构的厂商不多，目前只有一些台湾厂家还有这种工艺。这是因为，目前普遍使用的 SiNx 减反膜本身就有比较好的钝化效果，再使用 SiO2做钝化层，虽然具有一定的效果，但作用有限。此外，在工艺控制上，额外的钝化层对生产过程的洁净度要求更高。如果工艺控制不佳， SiO2 成膜后其表面会出现黑点， SiNx 镀膜后变成白点，造成电池外观不良，从而大幅降低良品率。效率方面在 UNSW 获得 21的转换效率，是第一个突破 20效率大关的电池结构。4 核心工艺正面的二氧化硅薄膜氧化层，实现正面发射极钝化。图 2.PESC电池结构示意图3.2 钝化发射级及背面电池（ PERC）PERC 电池（ Passivated Emitter and Rear Cell）是在对发射极进行钝化的基础上，通过背面钝化来进一步提升转化效率的技术。在晶硅电池研究中，影响电池效率的工艺因素太多，一般从开路电压来判断一种电池结构是否具有潜力。电池背面全部用 SiO2 钝化，可以实现 700mV 的 Voc。但是背面全部钝化，铝背场和Si 衬底的接触问题就难以处理。要实现良好的接触，金属必须与 Si 衬底实现有效的金半接触，必然会破坏钝化层，从而失去钝化效果。所以 PERC 电池的背面结构必须设计成局部接触的形式。所以整个 PERC 结构的设计核心，就在于背面的图形结构的设计。效率方面 PERC电池只是 UNSW 在研发过程中的一个过渡结构，在 1989年得到了 22.3的转换效率，后来被 PERL 电池取代。原始的 PERC 电池结构以后基本上就无人问津了。图 3.PERC 电池结构示意图5 后来德国 Fraunhofer 研究中心采用激光背面打点的方法制成 PERC 电池，并改名为 LFC（背面激光点接触电池），达到了 22以上的转换效率。 LFC 的背面金属是蒸发的纯铝，这使得 LFC 的成本偏高，批量加工的难度也较大，加上其他一些人为的原因，这种 LFC 电池并没有大规模投入生产。而近年来，为了突破 20转换效率大关，研究者发现 PERC 电池实际上是各种高效电池结构中最简单、潜在成本最低，对现有电池生产线最易升级改造的结构，而且 PERC 电池技术没有专利保护。因此 PERC 电池成为近几年来高效晶硅电池开发的热点，有些台湾和中国公司已经开始小批量生产 PERC 电池。当然，为降低成本，人们趋向于采用最廉价的丝网印刷方法来制造 PERC 电池。大多数 PERC 电池的正面与常规电池基本相同，仅仅背面改成点状或条状接触。背面钝化多采用 Al 2O3/SiNx 或 SiO2/SiNx 双层结构，其中 ALD 和 PECVD 方法制造的 Al 2O3钝化膜也被广泛用于 PERC 电池的研发和生产，台湾 E-TonSloar公司甚至采用了涂覆 Al 2O3 钝化膜。大多数 PERC 电池的研发者都遇到了在金属接触区域，硅溶解进铝层而形成空洞的问题，这些空洞会造成接触电阻的提高和填充因子的下降。近几年来PERC 电池背面铝浆的开发基本上解决了这个问题，另外人们还发现激光的条件、背面孔（条）的几何尺寸、烧结的温度等因素都会影响这些空洞的形成。其实，除了在背面接触区形成良好的欧姆接触外，在烧结后保持背面钝化层的钝化效果和绝缘性能也是同样重要的。表 1 为近几年一些公司和研究机构的 PERC 电池的实验结果。表 1.近几年一些公司和研究机构的 PERC电池效率6 另外，德国 ISFH 对国外 PERC 的研究进行了总结，如图 4 所示。图 4.德国 ISFH 对国外 PERC的研究总结图3钝化发射极、背面局部扩散电池（ PERL ）在 PERC 电池基础上，为了能够进一步降低 PERC 电池背面金半接触电阻，从而提高电池效率，研究者开始考虑对背面接触区域进行局部扩散，从而产生了PERL 电池（ Passivated Emitter ， Rear Locally-diffused Cell）结构。图 5.PERL 电池结构示意图PERL 电池采用了 1Ω · cm 的低电阻率 FZ 单晶硅片，以保证原始硅材料内部高的载流子寿命。电池正背面均有热生长氧化层钝化。在正、背面的金属接触区域，也被浓扩散区域钝化，以减少金属接触处的复合损失。这样全部硅表面的复合损失最小，从而电池内部的光生载流子接近 100的被发射结分离形成输出电流。而且极低的总复合率，也造成了极高的 Voc，一般在 700～ 710mV。因此， PERL电池开压优势明显，很快超越了 PERC电池，通过不断优化，其转换效率达到了24.7，后来世界权威的测试机构 Sandia又将这个数据值修正为 25，从而长期占据了晶体硅电池的世界转换效率记录。7 目前欧洲的高效电池的研究大多数采用 PERL 或 PERT结构，如德国的 Fraunhofer ISE、 ISFH， ISC Konstanz、比利时的 IMEC、荷兰的 ECN 等著名研究中心，各家电池和设备公司在这方法也作了大量研究工作。尽管 UNSW 原始的 PERL 电池是制作在 P 型区熔单晶硅片上的，但为了实现高效率，近年来的大多数 PERL电池都是制作在 N 型硅片上，而且绝大多数都采用了 Al 2O3的 P 型表面的钝化，采用这种方法在 N 型硅片上得到了 23.4的效率。然而，目前可量产的 P 型 PERL 电池的研发还不普遍，目前只有韩国现代重工将 PERL 电池制作在 P型单晶硅片上，背面采用局部开孔、对准印刷铝浆图形、烧结铝扩散、然后第二次印刷铝浆并低温烧结的较低成本的方法。实际上天合公司也采用了这种方法，得到了比一次印刷烧结全背铝高几 mV 的 Voc。因此，天合公司的结果也可以归类为 PERL 电池结构。实际上目前已经有很多新技术可以用来制作 PERL 的背面结构，比如激光开孔然后扩散，或者更为简单的同步激光开孔 /扩散、印刷扩散源以及硅墨技术等。因此，全结构的 PERL 电池在不远的将来会有更大的发展空间。表 2 列出近几年一些公司和研究机构的 PERL 电池的实验结果。表 2.近几年一些公司和研究机构的 PERL 电池效率3.4钝化发射极、背面全扩散电池（ PERT ）PERT电池（ Passivated Emitter ， Rear Totally-diffused Cell）结构与 PERL 结构只有一点区别 PERL 是背面局部扩散，而 PERT 是背面全扩散。这种电池是将 B 扩散的 P 型发射区设置在电池的背面。由于电池的发射区不受光照，基区中的光生载流子 -空穴被收集到发射区中变成多子，因而不存在复合损失的问题。从而 P 型发射区可以采用更低的方块电阻，也容易做的均匀。PERT结构在 P 型电池上与 PERC、 PERL 相比没有太多优势， PERT 的优势8 在于做 N 型电池。 2005 年 UNSW 研发的 PERT 电池转换效率为 22.7，追平了当时 N 型晶硅电池效率的世界纪录。图 6.PERT电池结构示意图PERT电池的研发主要是荷兰的 ECN 研究中心和天威英利公司。英利的 “熊猫电池”就是一种 PERT 双面电池结构，熊猫电池已经投入生产好几年，它已达到 20以上的生产效率。其他公司和研究机构也得到相近的结果，例如 Bosch公司的双面电池在 2013年达到 20.7的效率，法国 ECA 的双面电池达到 20.2。3.5 背面接触电池（ IBC ）IBC 电池（ Interdigitated back contact）是正面没有电极，电极和 PN 结都设计在背面。正面结构与常规电池类似，有绒面、钝化层、减反层；其背面 N 型层与 P 型层相互交替，在 N/P 界面上形成 PN 结。电极从 N 型与 P 型上分别导出，整个电池正面没有任何电极和 Busbar，焊接在背面进行。电池技术也很复杂，背面焊接技术与传统的也不一样，目前了解的有阿特斯与天合在做，主要有掩膜法与离子注入法，工艺要求都比较高，成本也相对较高。 IBC 电池的成本比 PERC电池还要高不少，但是由于光线的利用率高很多，转换效率上也很有优势。斯坦福大学研究的 IBC 电池技术，率先在 N 型硅片上得到了 28.2的聚光条件下的光电转换效率。后来斯坦福大学的研究人员成立了 SunPower公司，并改用了低成本的印刷工艺，将这种 IBC 电池的生产成本降低，实现了大批量生产。 SunPower公司将这种 IBC 电池的生产工艺不断优化，目前已经达到了 25.0的转换效率。 SunPower的 IBC 电池的性能提高主要来自于对金属接触区域的钝化，据称这种钝化是采用优化接触区域的表面参杂浓度来实现的。图 8 是9 SunPower第 3 代 IBC 电池结构示意图。这种接触区域的钝化使 SunPower的 IBC电池的开路电压从最高 690mV 提高到 730mV。 HZB 的实验结果表明，即使对较低开路电压的 IBC 电池，采用 a-Si 钝化金属接触区，仍可以将开路电压提高38mV。目前最高的 HIBC （ HITIBC ）电池的开路电压为 740mV，而 SunPower的同质结 IBC 电池已经达到了 730mV 的开路电压。据推测， SunPowe很可能 r已经采用了非晶硅钝化金属接触区域，或者采用了某种未发表的同非晶硅一样强大的表面钝化技术。图 7.IBC 电池结构示意图图 8.第 3 代 IBC 电池结构示意图除了 SunPower公司生产 IBC电池外，目前还很少有其他公司生产这种电池，其中一个原因是这家公司对这种 IBC 电池采用了很好的专利保护。只是几年前这些专利都过期而失去了保护作用，因此近几年来，各家公司和研究机构对 IBC电池进行了大量的研究工作而产生了很多很好的结果，表 3 是近几年一些公司和研究机构研究结果的一部分。看来其它公司开始批量生产 IBC 电池就在不远的将10 来了。表 3.近几年一些公司和研究机构的 IBC 电池效率3.6 异质结电池（ HIT ）日本三洋公司在 N 型硅片衬底上先做一层本征非晶 Si，再在本征层上做 P型或者 N 型非晶硅，得到了效率极高的 HIT 电池（ Heterojunction with Intrinsic Thinlayer Cell）。 HIT 电池是一种利用薄膜工艺技术制作的 N 型电池，其表面钝化效果甚至超过热氧化硅钝化， Voc 可以达到 725mV，并在 2013 年达到 24.7的转换效率。图 9.HIT 电池结构示意图目前有很多中国公司也在研究三洋的 HIT 技术，但效率一致不太好，后来发现在衬底上做一层超薄的 SiO2 过渡层，电池效率可以明显地提高。由于三洋11 的 HIT 技术专利已经到期，三洋公司也被收购，国内就把这种改进的 HIT 电池结构称作 HJT 电池。三洋公司的 HIT 结构并未说明是否在衬底上做过 SiO2，或许该工艺本身就存在氧化硅。但是衬底上做这种超薄 SiO2，由于非晶硅材料对光子的吸收率极高，这种非晶硅层都非常薄， 5nm 到 10nm 左右。这样要采用 TCO透明导电玻璃层来帮助电极对 PN 结电流的收集，实现起来不难，但做到均匀、可靠就比较困难了，这最终会导致成品率高低的问题。HIT 电池制造工艺，对设备和过程控制要求很严格，而且制造过程中大量使用半导体清洗液，其运营成本也相当高。2014 年，松下收购三洋后，将这种 HIT 电池与 IBC 电池技术相结合，将传统正面电极也挪到该电池的背面，制成 HIBC 电池，并达到了 25.6 的效率，打破了 25的世界纪录。此外，除了松下公司自己生产 HIT 电池之外，由于目前 HIT 电池专利已过期，一些厂家和研究机构对 HIT 电池进行了大量的研究，结果如表 4 所示。表 3.近几年一些公司和研究机构的 HIT 电池效率3.7 异质结和背接触技术耦合电池（ HIBC ）HBC 电池（ HITIBC ）结构是在 N 型硅片衬底的背面做了一层非晶的本征层，然后在本征层上交叉地做非晶 P 型层和 N 型层，在 N/P 层的界面上形成 PN结，分别从 N 型层和 P 型层引出电极。而电池的正面使用绒面和减反膜减反，并用钝化层钝化，正面没有任何电极和 Busbar。通过这种电池结构， 2014 松下创造了 25.57的世界记录。夏普公司12 图 10.HIBC 电池结构示意图第三章现有高效太阳电池生产工艺介绍关于 PERC 工艺路线可以分为两种一种是常在实验室使用的所谓强化版路线，相比普通电池技术，多了背面抛光、表面热氧化、背面的介质层生长、背面的接触区域层图形化。大规模生产中，采用简化版工艺路线居多，主要是减掉了热氧化层的步骤。热氧化法是 SiO2 表面钝化最佳方法，其余的 SiO2 生长方案效果都不理想。但由于热氧化工艺成本较高，且外观问题不易解决，所以应用不多。PERC 电池规模化生产中，设备供应商都有配合提供工艺设计方案。设备选型，一方面是选择设备成熟度，另外一方面就是工艺成熟度。PERC电池的核心，就是背面的钝化层（介质层）。钝化层主要是 SiO2、 AlOx 。SiO2 的缺点在于其抗腐蚀性很差，只能用热氧化法生长，成本难以下降。目前，AlOx 的应用更为广泛。13 AlOx 的生长方案主要有 PECVD、 PVD 、 LPECVD 、 ALD 等等。我们曾将市场上的所有的 AlOx 生长技术方案进行了对比分析，用不同的成膜工艺制作了寿命样片，通过对比寿命样片的少子寿命来分析各种成膜技术的潜力。最终发现，ALD 技术的少子寿命指标明显由于比其他技术方案，排名第二位的是 PECVD 技术。ALD 是一种原子层沉积技术，最大的优势是成膜效果均匀稳定。针对硅表面高低起伏台阶， ALD 技术可以在各个位置都保持均匀的成膜厚度和质量。梅耶博格的设备采用的是 PECVD 氧化铝成膜技术，优势在于集成度很好，无论是新的设备还是改造旧设备，都可以把氧化铝与背面的氮化硅层合二为一，一次工艺路线全部成型。梅耶博格设备的缺点，首先 PECVD 技术做氧化铝，工艺性能与 ALD 有差距，只不过电池上的差距不会特别明显，两种方案基本是 0.3左右效率差距（因为是小批量制作，所以不能排除差异是否是由其他阶段工艺导致）。采用梅耶博格设备目前效率可达 20.6。此外， PECVD 技术生长 AlOx ，其化学品 TMA 的耗量相当高，只不过目前TMA 已实现国产化，成本还在可接受的范围之内。另外，就是 PECVD 的粉尘机器腔体较大，会有 AlOx 粉末充斥在腔体里，很难清洁。14 IDEAL ENERGY 应该是目前最成熟的国产 ALD 设备解决方案供应商。该款设备首先是板式的承载方式，生产兼容性和上下料自动化程度高；其次使用了ALD 技术，能够在板式大腔体工艺路线上实现原子层沉积，这些优势导致其前景乐观。该款设备问题在于集成度还需要提高，目前只有一个 ALD 成膜方案，没有与背面氮化硅方案集成在一起。后续期待该公司的新产品。中电的设备中电做 PERC电池较早，目前设备是当初的实验性机台，但在设计之初就预留了量产化改造的窗口。目前，中电研发团队正完全依靠自身力量进行设备改造和升级。该设备采用原子层沉积技术，配备多种气体源管路，适用不同钝化膜的工艺15 研究。目前，可以做到 20.8的转换效率，后续改造完成后，还有进一步提高的空间。第四章高效晶硅太阳电池的发展趋势除已有的两家 IBC 和 HIT 电池制造商外，其它许多厂家已初步开发掌握了高效率晶体硅电池的制造方法，并开始投入批量生产。无论是现有技术还是经典的 PERC 和 PERT 电池、以及选择 IBC 结构还是 HIT 电池结构，这些电池的制造工艺和电池性能都在被迅速优化提高。高效晶硅电池应以单晶硅为主，因为高效电池需要高体内载流子寿命，而多晶硅目前无法得到较高的载流子寿命。至于选择 N 型还是 P 型衬底、是 IBC， HIT 还是 PERL 类电池，只能由研发、设备和生产的发展来决定。目前很多专家看好 N 型电池，这是因为 N 型硅片的载流子寿命远高于传统 CZB硅片。但硅片的高成本与工艺的复杂性，成为推广N 型高效电池技术的一个重要壁垒。目前， P 型电池和硅片基材的研发稍滞后于N 型电池和硅片，但由于 P 型高效电池技术与目前的商业化电池技术最为接近，因此在成本和工艺上具有一定的优势。而 PERC 电池的生产已经形成了一定的规模，就因为它在原有产线的基础上所需要添加和更换的设备较少，且工艺相对简单。另外， P 型 PERL 电池的开发也正在兴起并在效率提升上具有很大的潜力。PERL 电池所需设备和工艺复杂程度都要相对高一些，要降低生产成本，可能需要较大的规模，下更大的功夫做工艺上的简化。目前各种高效晶硅电池的制造成本还高于传统电池，大批量生产高效电池来替代传统电池的前提应当是在不提高最终光伏产品成本的条件下。因此，降低生产成本和提高转化效率对高效晶硅电池规模化推广是同等重要的。因此，高效晶硅电池占领大部分光伏市场还需要一定的时间，或许 5 年到 10 年都难以断定，这决定于降本和增效的速度。但不容置疑的是，高效晶硅电池正在迅速地扩大它的市场，这将对整个光伏行业的发展产生一个巨大的推动作用。16 生产工艺1、 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。HIT 电池特点（ 1）高效。这种电池的量产效率达到了 19.5，单元转化效率达到 23。（ 2）全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；（ 3）双面制结，可以充分利用背面光线；（ 4）表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；（ 5）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；（ 6）织构化的硅片对太阳光的反射降低；（ 7）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。2、 IBC 电池的工艺流程大致如下硅片清洗制绒扩散 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。IBC 电池特点（ 1）正面无栅状电极。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。（ 4）制作工艺复杂。17