高效太阳能电池技术深解

1、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。.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

2、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，

3、走入寻常百姓家。.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

4、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。.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450500 dm降低到目前的150180 dm,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。硅片厚度的降低如表 1所示。表1.太阳电池硅片厚度的降低镯耳皮.pm附件加4明 MWO4505002020世纪80册400-45016yo犯酰90

5、梯J50-4W13762008ISO-240I2-IJ2010150-18010-11202080-100810elecfons com 电5城统鼠.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，至IJ 2050年会下降到0.5年。使用 寿命期望从25年增加到40年。指标2012202020302050典型商业组件效率16%23%25%40%系统能源回收期2年1年口 一7弭。诟使用寿

6、命哂lecfbirisIconS r a战略技术指标.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

7、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23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。覆 NRELU U /* iiJiQlhvUdiSvpii.M # fBMr BBBiMp事互0 lb IkRyeOi审i僦电3乐疑应mi luicim- uftjy icuiMUinmulti c-SiCdKIMR* *W. iM

8、n4Ar ,而Best Research-Cell Efficiencjes如图所示为不同光伏技术的发展状况及前景高效电池类型介绍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

9、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。MM* backed* Wtl coatmg Contxtv badifidt contctt*)MWT 电池是金鹏穿孔整绕(metallization wrap-through MWT)硅太 阳能电池的筒称MWT技术是荷兰规模最大的太阳能电池生产商SNIandSolar开发 该技术应用P型多晶硅.通过激光钻孔

10、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我，再与 电池组件相连接，所得的输出效率能提高整elecfans com电3索嫌向* 13图：德国ISFH的OECO 电池 h=21.1%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 P

11、N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。Cell ID15c (mV)(mA cm*)nPdPOI64939.177.5I9.7* (21P2563639.579.520觥PIS63939.977219.7* indcpcfukmly confirmed at Fraunbofcr ISE Calljb10wi e 8 io 8pth.mTextured back

12、surfaced lore sLAl推进邈N结R.BockJEEE TED9 VO/.57, No.8,2010, The ALIMConcept: N-T/pWith Surfaced P巨 mmr退火处理及方式对开路电压等有着重要影响elecfanscom 电 3 或就友 r 4Al推进形成背发射极PN结Applaud contact finger on TiPdfl Mtd laytrSO, Of &OJ&N ARC Inverted pyramids 9 FSFn-Sibase实验室类型A-p* rear Al rear csMctAfl-plated contact finger o

13、n aerosol seed layer SiNARCRandom pyramds P“ FSFo-Si baseAkp* rear emmer AI rear contact大面积类型Christian Schmiga era/, 24th EPSEC 21- 25 Sep. 2009, Hamburg, Germany, Large area N-type Silicon solarcells with printed contaas andAluminiunyalloyedCcm r?d I Mr AR 1CiwS0/SMSOM7T9 B198*IndiHft-Lil0M4Am pnnt

14、ad*曲7AR SM皿360NDi&r CglMwd = HkiHw做CiOb Fmbsp Gtortv表面钝化效果非常好4W 600 BQQ 1C0Q ，迎elecfons com叱3家捷良晶硅太阳能电池转换效率.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

15、 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。lihf54rterrril*ISi I vrrHL萨标研电口 *A n川 匕力 ihtz51nBnrk Side图1:普通太阳能电池多种损失机制.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

16、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

17、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

18、，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，使光因而增加了这部分少子生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度, 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。.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

19、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7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

20、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。rear contactoxide澳大利亚新南威尔士大学研发钝化发射区和背面局部扩散(PERL)单晶硅电池X = 24.7%el,ecfans com 电 双烧丸 “晨图2 :新南威尔士大学 PERL电池h=24.7%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

21、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a-Si:H层和p型”-Si:H层，然后在硅片的背面沉积薄的本征”-Si:H层和n型”-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 C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

22、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%晶体硅太用能电池的技术发展趋势一高效化日

23、本$己四。一建第讥不异质结(HIT)电池ContactICOa-S4:Hi.typv*-i-typc 泮StHc*-iypo a St H TCO-thickness m hick iH-odiiction d = 200 pn-16,再人 cfficiwit module。讣 ttw niatket实验室圾好效率：n=2L2%,面积lOlkniXIOOcmel.ecfans com 也 3 家挑友.Q .-UIIIICIBS LFKJy I 口0 3M14 fl图3:三洋公司 HIT电池 h=23%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 )硅太阳能电池白简称。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