光伏企业复苏关键:高效电池的运用与发展(二)-电源网

光伏当前产业低迷，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。光伏何时才能复苏？行业的复苏不等于复活，也许那时一些企业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，走入寻常百姓家。

1.高效晶体硅太阳能电池-LBSF电池

LBSF电池是深结局部背场（Local Back Surface Fields）电池的简称，由德国Fraunhofer研究所研发，2cm×2cm电池效率达到？＝23.3%

特点：

1. TCA生长氧化层钝化电池正反面

2. 正面光刻制成的金字塔（绒面）结构

3. 背面硼扩散一般造成高表面复合

4. 局部铝扩散制作电池的表面接触

2.高效晶体硅太阳能电池-德国Fraunhofer超薄多晶硅高效电池

德国Fraunhofer太阳能研究所制备的多晶硅太阳能电池刷新了世界多晶硅电池的转化效率记录-20.3%。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的表面织构，光学电学性能好，而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的热氧化钝化电池后表面，在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡点。既保证了钝化效果，又减少了温度对少子寿命的影响，使电池的性能得到最优化。

该电池另一个特点是超薄，厚度仅37um，此技术对降低多晶硅用量有重要意义。

3.高效晶体硅太阳能电池-日本京瓷（Kyocera）的高效多晶硅电池

多晶硅由于结构的各项同性而使采用碱腐蚀织构化效果不好，日本京瓷（Kyocera）公司采用PECVD/SiN+表面织构化采用反应性等离子刻蚀技术（RIE）。而扩散则采用双面扩散的方法，背面重扩散达到吸杂的效果，以提高电荷的收集率。1996年效率达到17.1%，到了2004年，233cm2大面积多晶硅电池效率达17.7％。去年利用背接触型结构达到18.5％的效率（面积为150mm* 155mm，采用黑色背板，减小布线的宽度，使模块整体呈黑色）。已实现商业化。

4.高效晶体硅太阳能电池-PCC电池

斯但福大学研发的PPC电池单晶硅高效电池的典型代表。PPC是的背面点接触（Point—contact cell）的缩写。点接触电池的结构与PERL电池一样，用TCA生长氧化层钝化电池正反面。为了减少金属条的遮光效应，金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔（绒面）结构。位于背面的发射区被设计成点状，50um间距，10um扩散区，5？m接触孔径，基区也作成同样的形状，这样可减小背面复合。衬底采用n型低阻材料（取其表面及体内复合均低的优势），衬底减薄到约100um，以进一步减小体内复合。这种电他的转换效率在AM1．5下为22．3％。

5.国产高效晶体硅电池-尚德冥王星（Pluto）

Pluto电池是采用PERL结构的、基于P型硅的高效晶硅电池。属于UNSW的PERL的衍生技术。单晶硅电池18.8％及多晶硅电池17.2％的转化效率，与目前传统量产化电池拉开一定差距。据称未来2年之内，Pluto技术的目标是单晶硅电池的转换效率达到20％及多晶硅的效率为18％。

对PLUTO电池的评估如下：

① 与南京中电SE电池类似，前身为新南威尔士（UNSW）大学的PERL（钝化发射极背部局域扩散）电池，这种电池的实验室最高记录是由赵建华博士于1999年实现的，其包含并不限于典型的选择性发射极（SE）技术。

② 激光制绒，以达到均匀性最好的表面倒金字塔形貌。钝化背发射极（降低复合速率，延长少子寿命）、背面点接触（减少与硅基接触，降低复合速率）这些，都是已经运用非常广的技术。

③ 真空蒸镀栅线后再加以电镀，提升均匀性及高宽比。Pluto的栅线相比普通的丝网印刷栅线要窄：丝网印刷栅线的高宽比典型的是1:4，而Pluto为1:2。较窄的正面电极可以减少阳光的遮挡并减少与硅片的接触面积。减少遮挡这一点很容易理解；而减少接触主要是因为任何与硅的直接接触会导致较高的表面复合速率，使少子寿命减少。

④ 扩散炉和刻蚀机采用从48所订制的半导体级产品，扩散后有特殊处理。

其中②③项是在中电SE技术上进一步深化的技术，为尚德首席技术官 Stuart Wenham协助尚德开发，其还担任新南威尔士大学的 ARC 卓越光伏研究中心的执行官。

可以看出PLUTO电池的本质即是将实验室PERL电池进行量产化，在不可避免的采用半导体先进制程技术外，尽量控制设备投资额度，掌握技术领先与商业可行的平衡是其重点。

尚德为了量产化PLUTO电池，收购了德国一家大型机械厂商库特勒公司（电路印刷板制造机器行业的领军企业之一），进行大部分设备的自主设计和改造。目前尚德继在旧厂房（原有四条线）进行Pluto电池生产线设立后，又开始扩充到新厂房以增加产量。所有参与Pluto电池的技术与生产人员都大幅提薪以防止技术泄露，同时监控摄像头异常密集，其他公司总经理级别人士也不允许进入。

6.国产高效晶体硅电池-中电SE电池

SE高效电池（选择极发射SelectiveEmitter）是一种在现有加工制造工艺设备和P型硅片原料的基础上的单晶硅电池。其转化效率平均达到17.5%，性能更稳定，受主要原材料硅片的材质变化影响小。

中电光伏研发成功并主推的电池技术为SE（Selective Emitter选择性发射极）电池，赵建华博士在新南威尔士（UNSW）研发中心担当主任期间就从事了十几年的此类型电池研究。SE电池可以算是尚德PLUTO电池的一个简化版，它们都是从PE系列电池演变而来，因为无论是PESC、PERC，还是PERL电池均含有SE电池最典型的选择性发射极技术，SE技术只选取PE系列收益最明显、同时产业化相对容易的前表面结构部分。属于UNSW的PERL的衍生技术。相对于尚德PLUTO是对PERL技术的“高仿”电池，中电SE电池可视为“低仿”。

中电SE电池的工艺特点为：

1）利用丝网印刷腐蚀剂来代替传统光刻技术在二氧化硅层上蚀刻电极图形，一般为10％～25％的氟化氢铵浆料。

2）经过3次热处理达到先重扩散后轻扩散的目的，仅在重扩散区域印刷电极，即“选择性”发射极。

7.国产高效晶体硅电池-英利熊猫Panda

“熊猫”N-MWT N型MWT单晶硅高效电池项目是英利集团与欧洲著名太阳能光伏电池研究机构——荷兰国家能源研究中心（ECN）及全球领先的光伏设备和自动化系统供应商阿姆泰克（Amtech）公司进行的联合研发项目。填补了国内N型电池技术的空白。之所以将该技术命名为“熊猫”，一个原因就是熊猫的英文单词“PANDA”中具有从“P”到“N”的变化。

“熊猫”电池拥有丰富的技术元素。是N型双面电池技术和MWT金属缠绕式（Metallisation Wrap-Through，简称MWT）电池技术的集成。ECN研究中心于2009年研发成功MWT电池技术可以得到17%的多晶硅组件转化效率，创下当时的一个记录，理论上这种技术可以达到25%的综合效率。这种电池技术将主栅线从传统的正面转移至背面，正面只保留细金属栅线，因此降低表面栅线遮挡损失，因此又被称作背电极电池。

在单晶电池方面，ECN的N型双面电池技术已经成功得通过设备制造商Tempress（Ametech Systems子公司）植入英利的“熊猫”电池。与传统的硼或者其他3价元素扩散的P型硅片不同，“熊猫”电池的基础是磷掺杂的N型硅片。后者的少数载流子寿命比P型硅片高很多，但是由于掺杂工艺更复杂以及在N型硅片上形成P结的难度也更大，所以传统的工艺仍然以P型硅片的加工为主。ECN通过研发并与Tempress合作，很好得克服了这些困难。N 型电池有更高的短路电流和更高的Voc及填充因子FF。电池转化效率η=IscVocFF/Ps，因此N型电池的效率要比P型电池高至少5—8%。掺磷背电场结构可以进行双面设计，相对于传统的铝背电场，因为不用让电池弯曲，所以能加工更薄的硅片。英利方面表示，目前硅片的切割厚度已经降至低于180微米，合格率超过96.5%。

英利“熊猫”电池技术是一种高效率低成本的技术路线，具有很强的市场竞争力和发展潜力。“熊猫”组件具有几大技术优势：一是领先的光电转化效率。目前英利生产的熊猫电池的平均效率已达19%，最高效率达到了20%；其次，实验数据表明，与普通P型单晶硅组件2%的初始光衰减相比，熊猫组件的初始光衰减几乎为零。因此，在长期使用过程中熊猫组件的效率更稳定，发电量更多；再次，与普通P型单晶硅组件相比，熊猫组件具有优异的高温特性，温度系数比传统组件低6%―9%，尤其适用于高温地区。此外，美国国家可再生能源实验室已经证明，熊猫组件具有优异的弱光特性。在早晨和傍晚比普通P型单晶硅组件能发更多的电，性价比非常高；最后，独特的双面发电功能。通过透明背板封装或双面玻璃封装的熊猫组件具有双面发电功能。

8.高效晶体硅电池技术-表面织构

减少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；但绒面质量不易控制、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）是最有发展前景的技术，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非常完美，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，如果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用等离子刻蚀工艺的一个成功典范。

9.高效晶体硅电池技术-发射区扩散

PN结特性决定了太阳能电池的性能。传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、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免表面“死层”，选择性扩散发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，其技术原理简单且通过现有装备已经在实验室实现，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。目前国内中电的SE电池和尚德的PLUTO冥王星的高效电池技术核心均来源于此，相信随着配套装备与辅助材料的及时解决近二年内将会迅速普及与推广。

在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前主流生产技术，其特点是产量大、工艺成熟操作简单。随着电池向大尺寸、超薄化方向发展以及低的表面杂质浓度（表面方块电阻80～120Ω／口、均匀性±3%以内），减压扩散技术（LYDOP）优势非常明显，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片的情况下其扩散均匀性仍优于±3%，是高品质扩散的首选与环境友好型的生产方式。链式扩散设备不仅适应Inline自动化生产方式，而且处理硅片尺寸几乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重视，其工艺有喷涂磷酸水溶液扩散与丝网印刷磷浆料扩散二种。在链式扩散技术上，BTU、SCHMID以及中电集团第48所均已有长时间的研究及工业化应用，只要能在扩散质量上获得突破其一定会取代目前管式扩散成为主流生产装备与技术。

10.高效晶体硅电池技术-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、钻刻及不均匀的现象，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。激光开槽隔离技术根据PN结深度而在硅片边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情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研究。

目前行业出现的另外一种技术——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。该方法工艺简单、易于实现inline自动化生产，不存在“钻刻”与刻蚀不均匀现象，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。

11.高效晶体硅电池技术-表面钝化

早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加对入射光的吸收，但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且对多晶效果不理想。SixNy膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制Ag的扩散速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调节，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迅速成为高效电池生产的主流技术。双层SiN减反射膜，通过控制各膜层中硅的富集率实现了5.5%的反射率；而另一种SiN与SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前广泛采用的单层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配合目前尚处于实验研究阶段，但它肯定是今后的一个发展趋势。

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！如何减少电磁波对电池表面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一致性较差。装备方面有连续式间接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。