2022年行业分析晶体硅太阳能电池产业化技术现状与发展

晶体硅太阳能电池产业化技术现状与发展

“到处阳光到处电”人类这一美妙的愿景随着硅材料技术、半导体工业装备制造技术以及光伏电池关键制造工艺技术的不断获得突破而离我们的现实生活越来越近！近20年来，光伏科学家与光伏电池制造工艺技术人员的讨论成果已经使太阳能光伏发电成本从最初的几美元/KWh削减到低于25美分/KWh。而这一趋势通过研发更新的工艺技术、开发更先进的配套装备、更廉价的光伏电子材料以及新型高效太阳能电池结构，太阳能光伏（PV）发电成本将会进一步降低，到本世纪中叶将降至4美分/KWh，优于传统的发电费用。

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进展趋势。通过降低峰瓦电池的硅材料成本，通过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，通过集约化生产节省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、避开人才的不合理流淌、充分保证技术上的持续创新是将来光伏企业进展的核心竞争力所在！

1、太阳能电池产业化技术进展

晶体硅太阳能电池的进展可划分为三个阶段（如图1所示），每一阶段效率的提升都是由于新技术的引入。

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1.1表面织构

削减入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门槛低、产量大；但绒面质量不易掌握、不良率高，且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方式。反应离子刻蚀技术（RIE）是最有进展前景的技术，它首先在硅片表面形成一层MASK（掩膜）再显影出表面织构模型，然后再利用反应离子刻蚀方法制备表面织构。用这种方法制备出的减反射绒面特别完善，表面反射率最低可降至0.4％，单多晶技术统一，生产工艺与设备都可移植于IC工业，假如生产成本能够进一步降低可望取代化学腐蚀方法而大规模使用。京瓷产业化17.2%~17.7%的多晶硅电池就是采纳等离子刻蚀工艺的一个胜利典范。

1.2放射区集中

PN结特性打算了太阳能电池的性能！传统工艺对太阳能电池表面匀称掺杂，且为了削减接触电阻、提高电池带负载力量表面掺杂浓度较高。

但讨论发觉表面杂质浓度过高导致集中区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。PN结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。为了在提高电池的填充因子的同时避开表面“死层”，选择性集中放射极电池技术是最有望获得产业化生产的低成本革命性高效电池技术，其技术原理简洁且通过现有装备已经在试验室实现，但如何降低制造成本是该技术产业化过程中所面临的主要挑战。目前国内某些大公司对外宣扬的超过17.6%以上的高效电池其技术核心均来源于此，信任随着配套装备与帮助材料的准时解决近二年内将会快速普及与推广。

在制造工艺上采纳氮气携带三氯氧磷管式高温集中是目前主流生产技术，其特点是产量大、工艺成熟操作简洁。随着电池向大尺寸、超薄化方向进展以及低的表面杂质浓度（表面方块电阻80～120Ω／口、匀称性±3%以内），减压集中技术（LYDOP）优势特别明显，工艺中低的杂质源饱和蒸气压、提高了杂质的分子自由程，它对156尺寸的硅片每批次产量400片的状况下其集中匀称性仍优于±3%，是高品质集中的首选与环境友好型的生产方式。链式集中设备不仅适应Inline自动化生产方式，而且处理硅片尺寸几乎不受限制、碎片率大大降低而快速受到重视，其工艺有喷涂磷酸水溶液集中与丝网印刷磷浆料集中二种。在链式集中技术上，BTU、SCHMID以及中电集团第48所均已有长时间的讨论及??会取代目前管式集中成为主流生产装备与技术。

1.3去边技术

产业化的周边PN结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不匀称的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升。激光开槽隔离技术依据PN结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外状况相反，据国内使用状况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步讨论。目前行业消失的另外一种技术——化学腐蚀去边与背面腐蚀抛光技术集刻蚀与去PSG一体，背面绒面的抛光极大降低了入射光的透射损失、提高电池红光响应。该方法工艺简洁、易于实现inline自动化生产，不存在“钻刻”与刻蚀不匀称现象，工艺相对稳定，因此尽管配套设备昂贵但仍引起业内广泛关注。

1.4表面减反射膜生长技术

早期采纳TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加对入射光的汲取，但该方法均需先单独采纳热氧化方法生长一层10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且对多晶效果不抱负。

SixNy膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制Ag的集中速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调整，而且致密的SixNy膜层是有害杂质良好的阻挡层。同时生成的氢原子对硅片具有表面钝化与体钝化的双重作用，可以很好地修复硅中的位错、表面悬挂键，提高了硅片中载流子的迁移率因而快速成为高效电池生产的主流技术。双层SiN减反射膜，通过掌握各膜层中硅的富集率实现了5.5%[4]的反射率；而另一种SiN与SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前广泛采纳的单层SiN膜减反射率最优为10.4%。

在电池背面生长一层10～30nmSiN膜以期最大限度对电池进行钝化与缺陷的修复从而提高电池的效率是目前的一个热点课题，由于该技术牵涉到与后面的丝网印刷技术、电极浆料技术及烧结工艺的协作目前尚处于试验讨论阶段，但它确定是今后的一个进展趋势。

匹配封装材料对光谱的折射率定制减反射膜以获得最佳的实际使用效果是光伏企业技术实力的体现！如何削减电磁波对电池表面PN结辐射损伤以及损伤的有效修复是该工艺的核心技术，处理不好往往导致电池效率全都性较差。装备方面有连续式间接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。

1.5丝网印刷与金属浆料技术

丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些试验室技术向产业化转换的关键。依据电池表面集中薄层方块电阻、集中结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料已经成为国际一流光伏企业领先同行的一个有力武器：如掺P的正银浆料实现低成本的选择性放射极技术；向浆料中添加添加剂实现80～100um细栅技术；协作超薄片的低翘曲背铝浆料等等。

硅片厚度不断减薄、电池面积不断增大，如何降低碎片率与电池片的翘曲度成为设备制造厂商与电池制造企业共同关注的焦点问题。设备方面已经消失能适应120um厚度硅片的全自动印刷设备。

2、存在的问题

工艺方面：尽管太阳能电池制造是一个短工艺生产流程，光伏技术与检测手段也有了长足的进展，但太阳能电池工艺还不能处于完全受控的状态。我们无法从电池的不合理电参数来精确     推断问题详细所在，对每一工序质量也还没有完全行之有效的检测方法与手段，在线检测技术远落后于工艺技术的进展！

设备方面：目前国内外各制造厂商设备缺乏统一接口标准，导致上下道工序之间无法有效连接，导致较大的时间与资源铺张！物化新工艺的装备滞后于市场的进展！

原材料方面：原材料市场特殊是硅片质量良莠不齐，很多企业缺乏自律性，导致我国光伏产品质量不稳定，行业缺乏统一权威标准与准入制度。

3、进展展望

以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为29％。近年来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶16%～18％、多晶15%～17％，按目前的晶体硅电池效率路线图与电池技术，提升效率的难度已经特别大。因此有人预言硅电池的市场生命周期，但产品市场生命力的打算因素是其性价比，就如半导体集成电路一样近一个世纪了仍旧离不开硅基，晶体硅太阳能电池作为光伏发电主要材料的现状不会转变，市场主导地位将连续连续！其特征将会是向着高效率、大尺寸、超薄化、长寿命方向进展。随着我们对半导体材料与光伏技术讨