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IBC、HIT、PERL高效率太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢L高效率太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

核心提示:在降本增效大趨勢下,發(fā)展高效率電池成為了行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。在演講中,曾祥斌教授為現(xiàn)場觀眾分析闡述了幾種常見的高效率晶體硅太陽能電池,包括IBC電池、HIT電池、PERL電池。
   華中科技大學(xué)教授博導(dǎo)曾祥斌表示,近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2011-2016年全球增量中光伏發(fā)電增量已超四分之一,預(yù)測2014-2022年間光伏發(fā)電增量占總增量的三分之一以上。目前光伏發(fā)電在全球發(fā)電總量中占比1%,發(fā)展空間巨大。而經(jīng)過60年的努力,硅基電池效率普遍高于20%,最高達(dá)到26.6%,已經(jīng)接近S-Q理論極限。
 
  在降本增效大趨勢下,發(fā)展高效率電池成為了行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。在演講中,曾祥斌教授為現(xiàn)場觀眾分析闡述了幾種常見的高效率晶體硅太陽能電池,包括IBC電池、HIT電池、PERL電池。
 
  一、IBC電池
 
  IBC電池(全背電極接觸晶硅光伏電池)是將正負(fù)兩極金屬接觸均移到電池片背面的技術(shù),使面朝太陽的電池片正面呈全黑色,完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線。這不僅為使用者帶來更多有效發(fā)電面積,也有利于提升發(fā)電效率,外觀上也更加美觀
 
  1.工藝及特點(diǎn)
 
  從工藝制程來看,IBC電池的工藝流程比傳統(tǒng)太陽能電池復(fù)雜很多。IBC的關(guān)鍵工藝在于在電池背面形成交叉排列的p+區(qū)和n+區(qū),以及在上面形成金屬化接觸。因此,IBC電池的制作需要采取局部摻雜法,比如利用光刻或者激光形成所需要的圖案,然后采取兩步單獨(dú)的擴(kuò)散過程來形成p型區(qū)和n型區(qū)。第二個(gè)關(guān)鍵工藝在于絲網(wǎng)印刷的對(duì)準(zhǔn)精度問題和印刷重復(fù)性問題,因此對(duì)電池背面圖案和柵線的設(shè)計(jì)要求非常高,必須在工藝可靠性和電池效率之間找出平衡點(diǎn)。
 
  目前,Sunpower研發(fā)的第三代IBC電池最高效率已經(jīng)達(dá)到25%。應(yīng)用層選擇性激光工藝來制造POLO-IBC電池,功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到26.1%,這是P型晶體硅太陽能電池的世界紀(jì)錄效率。
 
  2.產(chǎn)業(yè)趨勢
 
  IBC電池P-N結(jié)和電極全部在背面,完全消除了前表面柵線的遮光,量產(chǎn)平均效率可達(dá)23%。但I(xiàn)BC電池對(duì)硅片質(zhì)量要求高,且制程相對(duì)復(fù)雜,因此成本高昂。使用工業(yè)化技術(shù)例如絲網(wǎng)印刷、管式擴(kuò)散或離子注入來降低IBC電池成本。
 
  IBC電池成本是普通電池成本的2倍左右,這制約了IBC電池的大規(guī)模應(yīng)用。隨著中國一線光伏制造商的進(jìn)入,以及新型工藝和新型材料的開發(fā),IBC電池將沿著提高電池轉(zhuǎn)換效率,降低電池制造成本的方向繼續(xù)向前發(fā)展。IBC太陽電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣,有著廣泛的前景。
 
  產(chǎn)能產(chǎn)量方面,國家電投集團(tuán)太陽能電力有限公司西寧公司200兆瓦N型IBC電池及組件項(xiàng)目為中國首條量產(chǎn)規(guī)模IBC電池及組件生產(chǎn)線,2020年初投產(chǎn)后,將成為國內(nèi)第一條電池轉(zhuǎn)換效率大于23%的IBC量產(chǎn)示范線,組件功率達(dá)到330瓦(60片)。
 
  二、HIT電池
 
  異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽能電池是日本三洋公司1997年推出的一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)和制造方法。
 
  1.優(yōu)勢特點(diǎn)
 
  相較于傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池,其具有的優(yōu)點(diǎn)如下:
 
  1.無需高溫爐管制備,可降低生產(chǎn)耗能并縮短制備時(shí)間;
 
  2.借助非晶硅材料的高帶隙性,可有效增加短波長光的利用;
 
  3.與傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池相比,其具有較高的轉(zhuǎn)換效率;
 
  4.溫度穩(wěn)定性好。
 
  質(zhì)結(jié)電池的優(yōu)勢在于超高電池轉(zhuǎn)換效率,低制程溫度以及可向薄型化發(fā)展。但是,由于設(shè)備初期投資高以及對(duì)制程工藝要求嚴(yán)格,大部分廠商對(duì)此技術(shù)仍在觀望階段。
 
  效率發(fā)展及技術(shù)趨勢
 
  異質(zhì)結(jié)電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、簡單的低溫制造工藝、薄硅片應(yīng)用、溫度系數(shù)和CTM低、可雙面發(fā)電等一系列優(yōu)勢。異質(zhì)結(jié)電池實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設(shè)備國產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學(xué)品等成本。日本松下、上澎、晉能、福建金石和中智電力等已實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)。2018年,通威、愛康、彩虹等企業(yè)紛紛開建異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)能,且均規(guī)劃了GW級(jí)產(chǎn)能布局,熱度可見一斑。
 
  在異質(zhì)結(jié)太陽電池及組件的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域,日本松下可謂一枝獨(dú)秀,是目前市場上主流的異質(zhì)結(jié)電池和組件供應(yīng)商。該HIT技術(shù)(HIT為松下為其異質(zhì)結(jié)技術(shù)注冊(cè)的商標(biāo))起源于松下收購的三洋電機(jī),隨后松下通過反復(fù)改良電池結(jié)構(gòu),在2014年將IBC技術(shù)與HIT技術(shù)結(jié)合,研發(fā)出的HIT-IBC太陽電池最高效率達(dá)25.6%,一舉打破了當(dāng)時(shí)晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。
 
  HIT電池雖然效率已達(dá)26%,成本也在逐漸降低,但發(fā)電成本仍然遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的發(fā)電成本。為了滿足國民生產(chǎn)對(duì)太陽能電池組件的需求,在以后的研究中,一方面應(yīng)大力開發(fā)新技術(shù)在保證電池轉(zhuǎn)換效率的前提下降低HIT電池的厚度;另一方面要用廉價(jià)材料代替昂貴的單晶硅材料來降低成本,如多晶硅。同時(shí)也可以通過開發(fā)新技術(shù)來降低單晶硅的生產(chǎn)成本。
 
  HIT電池今后努力的方向:研制低電阻低溫漿料,優(yōu)化沉積工藝,改善鈍化層性能,尋求光透過率高及導(dǎo)電性好的發(fā)射層取代材料等。同時(shí),精簡工藝流程,嘗試新型組件結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低大面積制備成本,才能真正實(shí)現(xiàn)HIT異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化。
 
  產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢
 
  在高效異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化方面,目前中智電力已在江蘇泰興建成首期兩條高效異質(zhì)結(jié)太陽電池生產(chǎn)線并投入量產(chǎn),年產(chǎn)能160MW,平均轉(zhuǎn)換效率已達(dá)22.8%,最高效率已超過23.5%,預(yù)計(jì)2018年底異質(zhì)結(jié)平均轉(zhuǎn)換效率將達(dá)23%。60片異質(zhì)結(jié)電池雙面雙玻組件平均功率達(dá)325W,最高功率達(dá)到335W。
 
  此外,2018年5月,通威太陽能、上海微系統(tǒng)所、三峽資本在成都正式簽訂硅基異質(zhì)結(jié)SHJ太陽能電池產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略合作協(xié)議。三方共同建設(shè)SHJ太陽能高效電池中試線和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營,量產(chǎn)化SHJ太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率將超過23%。五年后計(jì)劃將實(shí)現(xiàn)超過10GW的SHJ太陽能電池技術(shù)的規(guī)?;?、商業(yè)化、低成本化的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。
 
  異質(zhì)結(jié)太陽電池現(xiàn)階段生產(chǎn)成本仍偏高。但隨著更多企業(yè)的加入,以及設(shè)備國產(chǎn)化、硅片減薄、低溫銀漿用量的降低等,異質(zhì)結(jié)電池的成本有望得到大幅降低,異質(zhì)結(jié)技術(shù)路線將取得長足發(fā)展!
 
  三、PERL電池
 
  PERL(鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽能電池的簡稱。1990年,新南威爾士大學(xué)的在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上,在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池。2001年,PERL電池效率達(dá)到24.7%,接近理論值,是迄今為止的最高記錄。
 
  效率發(fā)展及技術(shù)趨勢
 
  N型PERT雙面電池在近兩年開始備受矚目,其電池的特點(diǎn)是可以雙面吸收入射光線,從而提升電池和組件的最終發(fā)電量。在目前技術(shù)階段,N型雙面電池的正面效率約為21.5%,背面效率約為19%。封裝成雙玻組件以后,如果假設(shè)背面可以吸光20%,那么組件的最終輸出功率可以達(dá)到350W,然而行業(yè)內(nèi)對(duì)雙面電池和組件還沒有一個(gè)統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)。
 
  在工藝制程方面,N型PERT電池比傳統(tǒng)P型電池增加了硼元素?fù)诫s(通過擴(kuò)散diffusion或者APCVD工藝)和雙面漿料印刷等工藝。由于N型PERT電池技術(shù)不需要使用激光工藝,因此制作工藝并不會(huì)對(duì)硅片造成額外晶體傷害。此外,N型電池具備零光致衰減、弱光效應(yīng)好以及組件穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。最近兩年,在N-PERT電池工藝的基礎(chǔ)上,德國弗朗霍夫研究所開發(fā)出TOPCon (隧穿氧化層鈍化接觸)技術(shù)。通過在背面制備超薄氧化硅SiO2和摻雜多晶硅薄層Poly-Si,二者共同形成了接觸鈍化結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可以極大地降低背面的表面復(fù)合和金屬復(fù)合,因此大幅度的提升N型電池的VOC和轉(zhuǎn)換效率。
 
  PERL電池具有高效率的原因在于:
 
  1.電池正面采用“倒金字塔”,這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu),具有很低的反射率,從而提高了電池的JSC;
 
  2. 淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻;而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿足橫向電阻功耗小,且短波響應(yīng)好的要求;
 
  3.背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散P+區(qū)。這會(huì)減少背電極的接觸電阻,又增加了硼背面場,蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器,從而進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)化效率;
 
  4. 雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài),同時(shí)減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降,同時(shí)光譜響應(yīng)也得到改善;但是這種電池的制造過程相當(dāng)繁瑣,其中涉及到好幾道光刻工藝,所以不是一個(gè)低成本的生產(chǎn)工藝。
 
  產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢
 
  N-PERT和N-PERL電池結(jié)構(gòu)簡單,效率提升潛力大,可雙面發(fā)電。英利、中來、林洋、LG等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了N型單晶雙面高效電池的量產(chǎn)。2018年9月底,在比利時(shí)布魯塞爾舉行的EU PVSEC大會(huì)上,Imec宣布,最新一代大面積單面絲網(wǎng)印刷背面發(fā)射極nPERT電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了23.03%,已經(jīng)通過弗勞恩霍夫ISE研究所認(rèn)證。
 
  Imec表示,預(yù)計(jì)今年年底,nPERT技術(shù)的效率會(huì)達(dá)到23.5%,這種技術(shù)清晰的路線圖指向的最終效率超過了24%。
 
  PERT/PERL電池由于比較大的效率提升潛力,相對(duì)比較簡單的電池結(jié)構(gòu),且與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)比較好的兼容性,成為近些年行業(yè)研究的熱點(diǎn),不同國家不同機(jī)構(gòu)的研究人員開展了大量富有成效的工作。
 
  中國英利公司與ECN合作開發(fā)的PANDA雙面電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),并充分利用了原有電池線的生產(chǎn)設(shè)備;韓國LG公司利用離子注入工藝和絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的電池效率達(dá)到21.5——22%,是比較高的量產(chǎn)效率。
 
  需要特別指出的是德國Fraunhofer利用Topcon技術(shù)制備的n-PERT電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)25.1%,是非常值得產(chǎn)業(yè)界期待的技術(shù)路線。
 
  總結(jié)
 
  最后,經(jīng)過一系列的分析,曾祥斌認(rèn)為當(dāng)下的高效電池具備以下5大趨勢:
 
  1.高效率電池種類很多,產(chǎn)業(yè)化前景良好的主要是硅基電池。
 
  2.硅基電池中,發(fā)展空間大的是基于PERC(PERLPERT)系列太陽能電池。
 
  3.異質(zhì)結(jié)電池是效率最高的一種硅基電池,目前是電池性能記錄保持者,但市場空間有待進(jìn)一步擴(kuò)大。
 
  4.N型電池越來越受到重視和發(fā)展。到2020之前,預(yù)測可實(shí)現(xiàn)低成本批產(chǎn)平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年,N型電池市場占有率將超過30%。
 
  5.新技術(shù)開發(fā)和先進(jìn)技術(shù)的融合進(jìn)一步提升電池性能。HJ-IBC,TOP-contact,N型襯底的結(jié)合等。
 
  4.N型電池越來越受到重視和發(fā)展。到2020之前,預(yù)測可實(shí)現(xiàn)低成本批產(chǎn)平均效率大于23%的均為N型電池;到2021年,N型電池市場占有率將超過30%。
 
  5.新技術(shù)開發(fā)和先進(jìn)技術(shù)的融合進(jìn)一步提升電池性能。HJ-IBC,TOP-contact,N型襯底的結(jié)合等。

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