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  光伏技术竞争的核心是什么?答案是提高转化效率!

  光伏技术竞争上,各家公司是你追我赶、用尽全力,到底什么样的技术才是决定未来的先进技术呢?有人说PERC电池技术,也有人说是IBC电池技术,还有人说MWT组件技术……但是不管是那种技术,首先转化效率才是决胜未来的根本。

  过去几年,无论单晶还是多晶电池,都保持了每年约0.3%——0.4%的效率提升。目前,我国光伏设备行业已经全面进入拼质量、拼效率的时代,转换效率的提升已经非常之难,每零点几个百分点的提升都需要极大的技术突破。

  在各种领先的技术中,IBC电池是不得不提到的一项。目前在这项技术研究中,天合光能取得的成绩最为领先。

  2016年4月26日,天合光能光伏科学与技术国家重点实验室宣布,经第三方权威机构JET独立测试,以23.5%的光电转换效率创造了156×156 mm2大面积N型单晶硅IBC电池的世界纪录。公司已15次打破IBC电池的世界纪录。

  IBC电池技术到底牛在哪里?我们特别将IBC电池的结构原理、工艺技术以及发展状况做了细致的梳理。

  IBC电池的原理及特点

  IBC电池(全背电极接触晶硅光伏电池)是将正负两极金属接触均移到电池片背面的技术,使面朝太阳的电池片正面呈全黑色,完全看不到多数光伏电池正面呈现的金属线。这不仅为使用者带来更多有效发电面积,也有利于提升发电效率,外观上也更加美观。

  IBC电池最大的特点是PN结和金属接触都处于电池的背面,正面没有金属电极遮挡的影响,因此具有更高的短路电流Jsc,同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻Rs从而提高填充因子FF;加上电池前表面场(Front Surface Field,FSF)以及良好钝化作用带来的开路电压增益,使得这种正面无遮挡的电池就拥有了高转换效率。

  IBC电池的工艺技术

  较之传统太阳电池,IBC电池的工艺流程要复杂得多。IBC电池工艺的关键问题,是如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区,以及在其上面分别形成金属化接触和栅线。

  1.掩膜法

  IBC电池的工艺有很多种,常见的定域掺杂的方法包括掩膜法,可以通过光刻的方法在掩膜上形成需要的图形,这种方法的成本高,不适合大规模生产。不过通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者挡住不需要刻蚀的部分掩膜,形成需要的图形,这种方法成本较低,需要两步单独的扩散过程来分别形成P型区和N型区。

  另外,还可以直接在掩膜中掺入所需要掺杂的杂质源(硼或磷源),一般可以通过化学气相沉积的方法来形成掺杂的掩膜层。这样在后续就只需要经过高温将杂质源扩散到硅片内部即可,从而节省一步高温过程。

  而且,也可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层,掩蔽层上的硼经扩散后进入N型衬底形成P+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成N+区。

  不过,丝网印刷方法本身的局限性,如对准的精度问题,印刷重复性问题等,给电池结构设计提出了一定的要求,在一定的参数条件下,较小的PN间距和金属接触面积能带来电池效率的提升,因此,丝网印刷的方法,需在工艺重复可靠性和电池效率之间找到平衡点。

  此外,激光也是解决丝网印刷局限性的一条途径。无论是间接刻蚀掩膜,还是直接刻蚀,激光的方法都可以得到比丝网印刷更加细小的电池单位结构,更小的金属接触开孔和更灵活的设计。

  离子注入也从半导体工业转移到了光伏工业上,离子注入的最大优点是可以精确地控制掺杂浓度,从而避免了炉管扩散中存在的扩散死层。通过掩膜可以形成选择性的离子注入掺杂。离子注入后,需要进行一步高温退火过程来将杂质激活并推进到硅片内部,同时修复由于高能离子注入所引起的硅片表面晶格损伤。所以,离子注入技术的量产化导入的关键是设备和运行成本。

  2.表面钝化技术

  对于晶体硅太阳电池,前表面的光学特性和复合至关重要。对于IBC高效电池而言,更好的光学损失分析和光学减反设计显得尤其重要。在电学方面,和常规电池相比,IBC电池的性能受前表面的影响更大,因为大部分的光生载流子在入射面产生,而这些载流子需要从前表面流动到电池背面直到接触电极,因此,需要更好的表面钝化来减少载流子的复合。

  为了降低载流子的复合,需要对电池表面进行钝化,表面钝化可以降低表面态密度,通常有化学钝化和场钝化的方式。化学钝化中应用较多的是氢钝化,比如SiNx薄膜中的H键,在热的作用下进入硅中,中和表面的悬挂键,钝化缺陷。

  其中,场钝化是利用薄膜中的固定正电荷或负电荷对少数载流子的屏蔽作用,比如带正电的SiNx薄膜,会吸引带负电的电子到达界面,在N型硅中,少数载流子是空穴,薄膜中的正电荷对空穴具有排斥作用,从而阻止了空穴到达表面而被复合。

  因此,带正电的薄膜如SiNx较适合用于IBC电池的N型硅前表面的钝化。而对于电池背表面,由于同时有P,N两种扩散,理想的钝化膜则是能同时钝化P,N两种扩散界面,二氧化硅是一个较理想的选择。如果背面Emitter/P+硅占的比例较大,带负电的薄膜如AlOx也是一个不错的选择。

  3.金属栅线

  IBC电池的栅线都在背面,不需要考虑遮光,所以可以更加灵活地设计栅线,降低串联电阻。但是,由于IBC电池的正表面没有金属栅线的遮挡,电流密度较大,在背面的接触和栅线上的外部串联电阻损失也较大。金属接触区的复合通常都较大,所以在一定范围内接触区的比例越小,复合就越少,从而导致Voc越高。因此,IBC电池的金属化之前一般要涉及到打开接触孔/线的步骤。

  另外,N和P的接触孔区需要与各自的扩散区对准,否则会造成电池漏电失效。与形成交替相间的扩散区的方法相同,可以通过丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀或者激光等方法来将接触区的钝化膜去除,形成接触区。

  而且,蒸镀和电镀也被应用于高效电池的金属化。例如,ANU公司的24.4%的IBC电池即采用蒸镀Al的方法来形成金属接触。而SunPower公司则是采用电镀Cu来形成电极。由于金属浆料一般含有贵金属银,不但成本高,且银的自然资源远不如其他金属丰富,虽然目前还不至于成为太阳电池产业发展的瓶颈,但寻找更低廉、性能更优异的金属化手段也是太阳电池的一大研究热点。

  IBC电池技术的过去、现在与未来

  IBC电池技术这么牛,是怎么一步步发展到现在的?

  IBC电池最早是由Lammert和Schwartz在1975年提出了这种概念,最初应用在高聚光系统中。经过近四十年的发展,IBC电池在一个太阳标准测试条件下的转换效率已达到25%,远远超过其它所有的单结晶硅太阳电池。

  最早实现量产IBC电池的是美国SunPower公司,它是产业化的领导者,2014年美国SunPower公司就持有了年产能1.2GW的IBC电池,包括年产能100MW的第三代高效IBC电池生产线。该线生产的电池平均效率已高达23.62%。

  另外,日本的研发人员将IBC与异质结(HJ)技术相结合,在2014年将晶体硅电池的效率突破到25%以上。其中日本Sharp和Panasonic公司将IBC与HJ技术结合在一起,研发的晶硅多结电池效率分别达到25.1%和25.6%。

  看到IBC电池技术开始占领光伏市场,越来越多的光伏企业对IBC电池技术的研发进行投入,如天合、晶澳、海润等。2013年,海润光伏研发的IBC电池效率达到19.6%。

  2011年,天合光能也加入了该项技术的研发之中,与新加坡太阳能研究所及澳大利亚国立大学建立合作研究开发低成本可产业化的IBC电池技术和工艺。2012年,天合光能承担了国家863计划"效率20%以上低成本晶体硅电池产业化成套关键技术研究及示范生产线",展开了对IBC电池技术的系统研发。

  经过科研人员的不懈努力,2014年,澳大利亚国立大学(ANU)与常州天合光能有限公司合作研发的小面积IBC电池效率达24.4%,创下了当时IBC结构的电池效率的世界纪录。

  此外,常州天合光能光伏科学与技术国家重点实验室还独立研发的6英寸大面积IBC电池,效率达到22.9%,成为6英寸IBC电池的最高转换效率。之后,天合光能依托国家863项目建成中试生产线,采用最新开发的工艺,15次打破IBC电池的世界纪录。

  另外,2016年6月澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)使用天合光能的IBC高效电池再次打破光伏电池的能效记录,将太阳能转换效率提升到了惊人的34.5%,震惊业内。

  不过,IBC电池虽然转换效率高,与常规电池相比也更具有优越的实际发电能力。但其制造工艺复杂、使用的N型高质量单晶硅片成本较高,使得其技术门槛高、制造成本高。

  目前,IBC电池成本是普通电池成本的2倍左右,这制约了IBC电池的大规模应用。随着中国一线光伏制造商的进入,以及新型工艺和新型材料的开发,IBC电池将沿着提高电池转换效率,降低电池制造成本的方向继续向前发展。IBC太阳电池的商业化应用和推广,有着广泛的前景。

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