他竟然是这样的PERC!PERC技术工艺大起底

Fraunhofer ISE 研发出一种新型激光烧结电极技术 (LFC),在激光打开背部钝化层的同时,烧结金属铝。
摩尔光伏     2017-3-23 21:11:06

  2.2.5.3 激光烧结电极技术

  Fraunhofer ISE 研发出一种新型激光烧结电极技术 (LFC),在激光打开背部钝化层的同时,烧结金属铝。不过,这项技术于2002 年在杂志《Photovoltaics》发表后(《Laser-Fired Rear Contacts for CrystallineSilicon Solar Cells. Authors: E. Schneiderloechner etal.》),出于种种原因未被任何商业电池生产商采用。由于Fraunhofer ISE 拥有该技术的知识产权,因此这项技术不能无偿使用。在技术层面上,LFC 推出时还没有适合的专用金属铝浆料。这项技术当时主要计划用于PVD 金属铝沉积,以实现良好的局部背电场。但当金属铝浆料出现后,激光开槽工艺可以帮助实现更好的背电场。以上两点使天秤偏向了激光开槽技术,高速发展的金属浆料同时也促进了其应用。至此,目前大部分PERC 电池生产线上,激光成为背部钝化层开槽的主流技术。

  2.3 背部抛光

  背部钝化和钝化层烧蚀是PERC 电池的两个重要前提条件,同时对于电池背部的抛光也非常重要。需要去除背绒面的原因是,因为与抛光表面相比,带有随机金字塔结构的表面有较高的复合速度。同时,绒面在增加表面积的同时也增加了悬空键。尤其是在应用PECVD 时,钝化层最好沉积于平滑表面。由于电池背面并不主动参与光的吸收,也不直接捕捉光子,所以去除背绒面不会造成损失。最根本的原因是,根据传统的扩散方法,硅片将单面或双面掺杂。一旦磷出现在背部,就必须被除去。

  除非采用激光边缘隔离技术,背面抛光并不需要特殊的工艺和设备。只需在清洗时改变用于蚀刻的化学试剂。在这个步骤中,可以加大化学试剂以达到理想的表面粗糙度。蚀刻程度取决于介质膜沉积的工艺。举例来说,正像Levitech 所宣传的,ALD 沉积膜的质量非常好,因而不需要为了追求钝化效果而主动抛光。不过通常蚀刻背部射极和PSG的过程中,都会蚀刻掉1 至2 微米。同时在该工序中,可以通过提高蚀刻强度来形成理想的表面粗糙度。第27 届EU PVSEC 上公布的一份报告(《How Much Rear Side Polishing IsRequired? A Study on The Impact Of Rear Side Polishing In PERC Solar Cells. Authors: E.Corniaglotti et al.》)显示,为了最优化电池的性能,蚀刻的最佳厚度为5 至6 微米。另一方面,过于光滑的表面除了提高成本以外,也不利与电池的性能。虽然抛光可以大大降低表面复合速率,但保留一定的粗糙度有利于接触的形成和光的捕获。上述报告显示,表面粗糙度最佳值为300 至500 纳米。换言之,在进行表面蚀刻时,一方面要足以去除磷和金字塔尖顶,另一方面要保留一定纹理以达到最佳电极接触和捕光效果。

  2.4 金属化——PERC 电池专用金属浆料

  可以沿用传统的丝网印刷技术进行金属化,是PERC 电池结构的一大优势。不过工艺中需要使用专用的金属浆料。PERC 电池正面与常规电池结构相同,可以使用普通的银浆方案。但对于背面,因其钝化层结构,需要特别处理。

  在搭接浆料以及背电场浆料中,后者更为特殊。难点在于,其既要跟硅建立接触,又要保证金属铝浆料不会对下方的钝化层造成损坏。这需要达成两个不同的任务。所选择的金属铝浆料不能与其覆盖的钝化层发生反应,但同时却必须在激光开槽建立可靠接触形成局部背电场。这种金属铝浆料是典型的非烧穿型浆料。同样必不可少的还有非反应型银浆。这种银浆有两层属性:不能烧穿钝化层,且具备极好的附着力和可焊性。

  浆料的主要供应商正在推出各种不同配方的浆料。比如,美国DuPont 公司推出了含有三种不同浆料的PERC 方案。最新的PV76x 推出于2015 年,用于正面电极,尤其适用于轻掺杂发射极;PV56x 用于背面搭接应用;推出于2011 年的PV36x 用于建立局部背电场,DuPont 公司表示这曾是市场上首款具备该功能的产品。总体上,DuPont 不再推出常规的金属铝浆料,认为这已成为低端产品。但该公司还在继续研发专用局部背场浆料,以便为PERC 电池提供整套解决方案。PV76x 除了可提供良好的正面接触外,还可与PV36x 配合,在40 摄氏度的低温下进行烧结,对钝化层的影响降至最低。DuPont 表示,采用其PERC浆料解决方案之后,台湾TSEC 在量产单晶PERC 电池上获得了21% 的效率,Solartech在量产多晶PERC 电池上获得了19.65% 的效率。

  SolarWorld 在2015 年宣布其电池效率创下了21.7% 的纪录,其采用的便是全球银浆领军供应商Heraeus 的产品。不过,该德国公司只提供用于电池正面的银浆,不提供金属铝浆料。Heraeus 也把金属铝浆料视为低端产品,包括用于局部背电场的浆料。尽管在收购了Ferro 公司的光伏业务后,该公司完全掌握金属铝浆料技术,但该公司一直专注于银浆的研发。Heraeus 全球业务拓展经理Arno Stassen 认为这种所谓的专用金属铝浆料的利润太低,不值得投入研发,因而公司决定不涉足该非贵金属浆料领域。

  2015 年上海SNEC 展会上,Heraeus 介绍了新一代PERC 浆料方案。该方案包含了低温正面PERC 浆料SOL9631,以及低活性背面搭接银浆SOL326。厂家称, SOL9631 系列产品受益于结合了改良有机载体的改进玻璃料,适于低温烧结,非常适合PERC 电池。同时该银浆也支持细栅线印刷,使高产能下小于30 μm 的细栅线印刷成为可能。该浆料系列为薄膜电阻90 欧姆/ 平方的发射极而设计。Heraeus 声称,使用该系列浆料可提升0.2%的绝对效率。

  SOL326 为同样基于特殊设计玻璃料的背部搭接浆料,实现银浆与介质层受控的反应。结合新的添加剂,该浆料不仅具有低烧穿性,也有PERC 搭接浆料所需的高粘附性。据Heraeus 称,SOL326 比上一代浆料的Voc 高出1.5 至2.5mV。该浆料支持宽加工窗口,也就是说,其性能特性不受低温烧结的影响。

  对于PERC 电池而言,单晶硅和多晶硅电池之间存在明显差异,但金属浆料制造商们似乎并未对其产品做出这种区分。但根据Heraeus 的说法,针对不同的大型客户,其浆料配方本来就需要做相应调整,对单晶硅或多晶硅所做的调整也自然已经包含在内。DuPont 全球技术总监Homer Antoniadis 表示,这种情况2 到3 年后或许会改变,那时单晶硅和多晶硅电池的生产工艺会有明显区分。 其它浆料供应商也在研发PERC 电池的专属背面搭接和局部背电场产品。

  2.5 PERC 加工生产设备解决方案

  除了销售PERC 电池生产设备,一些设备生产商也提供整套解决方案,涵盖生产PERC电池所需的方方面面,有时甚至还提供电池效率担保。顶尖电池生产商有自己的研发团队,因而可能不会对此感兴趣,不过二三线电池厂商限于其有限的自主研发能力,可能会选择这样的全套解决方案。ALD 设备供应商提供完全套背部钝化方案,主流PECVD 设备供应商,如Centrotherm、Manz、Meyer Burger 和Singulus 提供PERC 电池整套解决方案,双方产品都适用于新建产线或升级现有产线。 现在我们概述一下不同领先供应商PECVD 或ALD的PERC 解决方案:

  2.5.1 PECVD 解决方案

  Centrotherm 是第一家提供PERC 电池解决方案的大型设备生产商,其方案名为Centaurus。该方案的策略很明显,就是利用光伏市场衰退期间电池生产商没有余钱购买新设备的机会,将旧设备升级并廉价出售。Centrotherm 把钝化材料的赌注下在氮氧化硅上,并把主要针对单晶硅电池的选择发射极结构一同打包在解决方案中。当时,该公司推出的低价改造方案大获成功。但是这个技术有很大缺陷,背面抛光要蚀刻去除8 至10 纳米且覆膜厚度要达到200 纳米以上。此外,这种技术的背面金属化也很复杂。可能就是这些原因促使其早期使用者,如SolarWorld,把目光投向氧化铝。就在最近, Centrotherm 也开始提供其PECVD 系统的氧化铝升级方案。该方案宣称其基于单晶硅基片的效率有望达到20.8%

  。

  Manz 目前提供的是完全自主研发的PERC 电池升级方案。方案包括背面抛光化学湿台、PECVD 介质膜沉积系统和激光烧蚀系统。这三套系统都由该公司自主研发。该方案适用于单晶以及多晶硅片。该公司PECVD 沉积设备的额定产能为每小时1200 枚硅片,激光设备处理能力为每小时2400 枚硅片,化学湿台为每小时4800 枚硅片。这意味着最佳组合为一个背面抛光化学湿台加4 台PECVD 沉积设备和2 台激光烧蚀设备。不过,该解决方案最重要的部分是PECVD 沉积设备和激光蚀刻系统,Manz 强调其较小的占地面积极其适合对现有生产线的升级。Manz 还会根据客户要求提供系统自动化配套。该公司承诺的PERC 电池效率为20.6%。

  Meyer Burger 目前提供的PERC 电池升级方案,包括PECVD 氧化铝沉积膜及氮化硅覆膜技术。背面沉积基于其MAiA 平台实现,采用激光烧蚀钝化层。该工艺流程被命名为MB-PERC,Meyer Burger 称效率可最高达到21.5%。根据原有基于BSF 的加工流程,对于P 型单晶硅片的最终效率只能保证提升1%。

  Meyer Burger 称,该公司的PERC 技术升级方案可降低成本5 欧分/ 瓦,包含组件和BOS 费用。作为该生产方案的核心,其背面钝化层沉积系统,额定产能根据用户产线的设置为每小时3,200 至3,500 枚硅片,

  Schmid Group 是最早涉足PERC 技术的设备生产商之一。早在2011 年就与当时尚存的电池生产商Schott Solar 合作,证实采用PERC 结构的量产工艺流程可以令单晶硅片达到高于20% 的效率。在2012 年,Schmid 就已经推出整套解决方案,包括用APCVD 技术取代PECVD技术来沉积氧化铝膜。Schmid 还开发了一个PECVD平台用于沉积氮化硅膜层。由于种种原因,包括近期光伏行业走入低迷,导致Schmid 的方案没能吸引很多客户。与此同时,Schmid 已把注意力转到其他先进电池方案上,如双面电池、n-PERT 技术和IBC 技术。该公司甚至停止了其PECVD 方案。但通过向市场供应化学湿式工作台,该公司还是积极活动在PERC 领域,并在2015 至2016 向市场供应了上吉瓦的加工产能。如果客户有整体方案的需求,Schmid 与Meyer Burger 合作提供PECVD 设备。另一方面,作为PERC 背面优化改进的补充,Schmid 也在推广其基于化学蚀刻的选择性发射极方案。Singulus 的解决方案命名为PERCEUS,包含该公司的单面抛光设备、ICP 等离子体辅助PECVD 氧化铝及氮化硅沉积设备,以及与一台第三方公司的激光系统。Singulus 表示其PERC 解决方案可使电池效率超过22%。虽然这个目标野心十足,但Singulus 拒绝在沟通中提供任何细节。2015 年9 月在德国汉堡举办的EU PVSEC 上,在一份该公司公布的报告(《Implementation and Optimization of an Industrial mc-Si PERC Process for MassProduction. Authors: J. Denafas et al.》)中称,称任何性能和来源的多晶硅片,只要使用以铝背场为基准的激光边缘隔绝工艺,电池绝对效率都会稳步增加1%。该报告中提及的最高效率为18.7%。

 

  2.5.2 基于ALD 技术的设备方案

  上文所介绍的PECVD 设备支持氧化铝及其氮化硅覆膜的沉积在同一生产流程中完成。与此不同的是,ALD 设备只能完成氧化铝的沉积,还需要借助PECVD技术完成外层保护膜层的沉积。因此一些ALD 供应商提供整合的背面钝化解决方案。

  提供整合方案对于SoLayTec 来说非常自然。这家荷兰公司原隶属于RENA 公司。2014年底,作为破产重组方案的一部分,RENA 将其SoLayTec股份出售于美国Amtech Systems公司。改换门庭之后,SoLayTec 与Amtech 旗下另一家子公司也是PECVD 厂商的Tempress 展开合作,设计出一个在氧化铝沉积与保护膜沉积之间添加退火工序的特别方案。在该工序中,氧化铝被激活,同时薄膜释放出氢原子。SoLayTec 称,这个额外的退火步骤可提升效率。最佳方案是两套ALD 系统配置三台管式PECVD 直接等离子炉,其中单台管式炉产能为每小时2200 枚硅片。整套系统平均净产能为每小时6400 枚硅片。SoLayTec 还愿意与其它设备供应商合作,提供一站式解决方案,对单晶电池确保1% 的绝对效率提升,对多晶电池确保0.6% 的绝对效率提升。实际值取决于基线工艺。

  Levitech 公司正与一家未透露的PECVD 供应商合作,这似乎是该公司为提供整体解决方案迈出的唯一一步,但该公司并未对此提供任何细节资料。(见29 页图表)。

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目前PERC 电池研发机构和量产工厂的最高效率

  综上所述,在规模化生产方面,从常规电池升级至PERC电池已成为可行——设备、原料、工艺方面的条件都已具备。另一个支持规模化生产可行性的证据是,量产型PERC 电池最高转换效率的获得者是生产商,而并非研究机构。截止本报告完稿日,PERC 电池22.13%的最高转换效率纪录由天合光能保持。在这里,我们简要介绍一下目前不同厂商单晶以及多晶PERC 电池的最高转换效率。

  3.1 单晶PERC 电池效率

  按照时间先后顺序, 尚德2012 年宣布其PERC 电池效率达到20.3%。2012 年,Sunrise Global 在量产工艺下,平均效率达到20.2%,并于2013 年2 月提高至20.3%。这家台湾公司采用PECVD 沉积氧化铝。Sunrise 是最早对PERC 技术进行规模化生产的公司之一,也是全球最大的PERC 电池制造商之一。目前,Sunrise 生产的电池效率平均约为20.7%,最高超过21%。 Sunrise 表示,若采用高质量硅片,其平均效率可达21.2%。也是在2012 年,Schott Solar 采用单晶硅片,电池转换效率达到21%;这家德国公司将其技术授权给了Schmid Group。2014 年年底,天合光能宣布其电池效率达到21.4%。各家公布的转换效率数值在2015 年期间一路攀升。2015 年5 月,尚德宣布在量产规模下,其PERC电池平均效率达到20.5%;7 月,Solarworld 宣布达到21.7%,成为当时量产规模PERC电池的最高效率。虽然台湾NSP 公司于2015 年10 月称其单晶PERC 电池效率达到了21.1%,但直至同年12 月SolarWorld 一直保持着世界记录。其后记录被天合光能打破,这家来自中国的光伏组件制造商研发出22.13% 的高效PERC 电池。2016 年初,Gintech 称其效率达到21.44%,在当时的PERC 电池最高效率排名上位居第三。虽然SolarWorld 在2016 年1 月中旬宣布其PERC 电池最佳性能提高至22%,但并未超越天合光能。

  3.2 多晶硅PERC 电池效率

  开发多晶硅PERC 电池较为省力。近年来结晶技术的进步,快速提高了光伏产业主力产品多晶硅电池的转换效率,而然多晶硅电池却又不得不以低成本的方式生产,以保持其为大型光伏电站供货的竞争力。Schott 作为在首家涉足多晶硅PERC 技术的公司,在2010 年获得了18.7% 的效率。紧接着是QCells 公司,2011 年宣布其效率达到19.5%,是当时量产的最高水平。于此同时,实验室级别的转换提高至20.7%。2014 年, 晶澳获得20% 的峰值转换效率。天合光能于2014 年11 月突破20.76%,此后仅一年,这家中国公司即宣布其156×156mm 多晶硅PERC 电池效率达到21.25%。这是多晶光伏电池效率首次突破21%。天合光能称,目前其多晶电池平均效率约为19%(见31 页图表)。

 

  3.3 PERC 电池效率未来的发展

  通常情况下,在日常生产中实现实验室高转换效率需要花费相当长的一段时间。设备制造商Semco 公司光伏实验室产能超过500MW,目前其优质电池平均效率为20.8%,其余大部分效率在20.1% 与20.4% 之间。SoLayTec 称,20.7% 的平均效率不久将在中国实现,最高效率将突破21%。然而,根据台湾Sunrise Global 的资料,该公司目前生产的单晶硅电池其效率平均约为20.7%,其中最高品质电池效率超过21%。无论是实验室等级还是量产等级,PERC 电池的转换效率在今年很可能还有进一步的突破。由Solar World 协调的德国HELENE 研究项目所设定的目标是:至2017 年底,将PERC 单晶电池提高至22.5%。

  关于量产PERC 电池可能达到的最高效率这一问题,一个由ISFH 研究所领导的研究小组经研究指出:“量产型PERC 电池的持续发展或将使电池效率突破24%。”在该小组于2015 年9 月在德国汉堡举行的第31 届EU PVSEC 欧洲光伏巡回展览会上提交的论文《Incremental Efficiency Improvements Of Mass- Produced PERC Cells Up To 24%,Predicted Solely With Continuous Development Of Existing Technologies And WaferMaterials. Authors: B. Min et al. 》中,研究人员指出,PERC 电池短期内的发展将集中在以下几点:如类似选择性发射极的先进发射极结构,背部硼掺杂金属铝浆,寿命为1ms 的硅片,替代汇流条的多电极以及高截面10μm 栅线等(见38 页图表)。

 

 

量产化以及产能估计

  屡破纪录的效率对PERC 制造商虽有指导意义,但并不直接关系到PERC 的量产化:虽然台湾Sunrise Global 公司,德国SolarWorld 及韩华QCells 公司量产PERC 电池已有数年,但当2015年3月Meyer Burger 宣布接到一笔来自某家亚洲客户总额3800万瑞士法郎,产能2.5GW 的PERC 设备订单时,还是在业内引起了一阵轰动。这批设备预计将在2015年第三季度至2016 年初交付并投入试运行。我们已将PERC 设备制造商最新公布的出货信息,以及计划投入PERC 技术的电池厂家所公布的最新信息汇总与33 页表格。我们通过采访权威科学家与技术专家,并结合对PERC 设备及电池制造商的研究,估算出了2015 年与2016 年全球产能及实际产量。根据我们的研究,截至2015 年年底,PERC产线全球装机产能有4.9GW,其中实际产量为约3GW。在2016 年预计将有一个巨大飞跃,总产能将达到11.8GW,PERC 电池产量达到8.1GW。虽然大多数公司将赌注押在单晶PERC 技术上,但有两家公司却专注于多晶产品。电池制造商REC Solar 及更为知名的QCells 公司将成为2016 年多晶硅产能与产量增长的主要贡献者。去年单晶硅产能达到了3.2GW,多晶硅产能为1.7GW。单晶与多晶产量分别为1.6GW 与1.4GW。2016 年,单晶PERC 电池产能预计增至7.5GW,由此得出电池产量达到5.4MW;多晶PERC 电池产能预估曾至4.3GW,产量2.7GW(见图表)。

  对比我们的研究与受访专家所做的PERC 产能估测,我们的结果处在其所估测的数据范围中游(见34 页图表)。我们还将数据置入另一视角,研究了2016 年三月中旬发布的第七版国际光伏技术路线图(ITRPV)所做的预测。ITRPV 预测2015 年PERC 电池的市场份额为7%(较之前预测的10% 有所下降),2016 年大约为14.5%。而我们最终预测的2015 年PERC 份额为5%,2016 接近12%(考虑到IHS 预计2015 年全球光伏安装量将达到59GW,2016 年达到69GW)。

  第七版ITRPV 路线图不仅预测了2015 年PERC 技术将获得7% 的市场份额,还预测其2016 年份额将达到14.5%。而前一版路线图预测的是该份额从2015 年的10% 增至2016 年的20%。据2014 年的版本预测,2024 年PERC 电池产量份额将达到50%,而

  2015 年则预测该份额2022 年将达到35%,不会超出此水平太多。最新预测较为模糊,因为2016 年的ITRPV 将PERC,PERL 与PERT 技术合并,预计到2023 年三者总份额将达到37%,实为一个更为保守的估计(见图表)。

 

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 PERC 面临的挑战

  与其它任何光伏电池技术一样,PERC 也有很多不足之处,其中包括:

  5.1 光致衰减(LID)

  PERC 面临的大多数挑战都不难克服,但有一个瓶颈较为严重,即光致衰减(LID),尤其是多晶硅电池的LID。这就是只有韩华QCells 和REC Solar 两家公司量产多晶PERC电池的原因。这两家同为全球最大的PERC电池生产商的公司声称他们已经解决了这个问题。多晶硅电池的LID 现象导致在长时间日照或高温等运作条件下电池性能严重下降。QCells 公司将这种现象称为光照和高温诱发的衰减(LeTID),考虑到了衰减的温度依赖性。虽然大多数专家一致认为LeTID 的根本原因尚不明晰,但这类衰减并非由众所周知的多晶硅组件LID 现象(形成硼氧或硼铁复合体等杂质)造成的。LeTID 可造成巨大损失:QCells 曾在2015 年9 月第31 届EUPVESC 会议上指出,LeTID 可在几百个小时内使组件功率衰减10%。该文评估了不同参数对LeTID 的影响。QCells 的研究结果表明,此类衰减很大程度上受硅材料的影响,并且高温会加速衰减。衰减达到最高水平之后还会出现再生效应。然而,从衰减到再生要历经数千个小时,时间跨度太长,难以在保修期内起作用。

  Qcells 似乎已找到一个优化电池生产工艺流程的解决方案,但该电池制造商拒绝透露细节。据NREL(美国国家可再生能源实验室)的Basore 表示,此类效应与较多的杂质脱不了干系。可通过减少杂质来避免此类现象,但这样一来PERC 电池所获收益也会减少。将LID 最小化也许是最佳的解决方案。这可以通过慎重选择硅片材料来实现,因为料体的质量可影响此类效应。但该方案相当模糊且不切实际。Basore 表示,适当的退火可能是解决该问题最合适的方法。SoLayTec 也表示,高温退火处理至少能使LID 保持稳定。

  5.2 耐候性

  同时,背面钝化电池的耐久性目前尚不十分清楚。从电子角度来看,其结构与常规铝背场十分不同,因此25 年后出问题的几率相当大。Centrotherm 公司的Haase 补充道,氧化铝不仅是一种新材料,而且其薄膜是从液相前驱体沉积而成,不同于用于制备这种电池的其它电介质。因此,必须对其可靠性进行仔细考量。

  5.3 成本

  如果融资没有问题,PERC 电池的发展将无任何障碍,Meyer Burger 的Erfurt 补充道。据Basore 估计,银行最开始可能会投入极少量资金,但随后会逐年增加投资额度。增涨将是渐进式的,一旦出现严重问题就会即刻停止。额外的资本支出也值得关注,梅耶博格的Erfurt 表示。资本投资实际上取决于生产线配置。考虑到升级一条100MW 的PERC 电池生产线,因已经拥有一套湿化学边缘隔离设备,所以背面抛光设备可不计入其资本支出。一条100MW的PERC 生产线需要的一台典型激光设备,价格大致在40 万到70 万欧元,具体取决于设备品牌和质量。一个具备相同产能,用于沉积氧化铝/ 氮化硅叠层背面钝化膜的PECVD 系统的价格大约为150 万欧元。如此算来,一条100MW 的PECVD 背面钝化方案升级生产线的资本支出大约在250 万到350 万欧元之间。ALD 系统的激光器成本与PECVD 的相同。一个产能为100MW 的ALD 系统标价大致为120 万欧元。这样一条生产线还需要一个额外的PECVD 系统,用于制备氮化硅涂层,成本约100 万欧元。也就是说,这条包含ALD 背面钝化配置的升级PERC 生产线需要320 万到420 万欧元的投资。一条主要基于PECVD技术的100MW PERC 新生产线成本约为1000 万至1200 万欧元。

  关于运营成本,TMA(三甲胺)的价格是其主要驱动因素。事实上,TMA 的超高价格是人们的主要顾虑之一,这与将ALD 技术应用于光伏材料的加工中有关。化工产品供应商开始提供较低纯度的TMA,称为光伏级TMA,价格接近半导体级TMA 的10%。埃因霍芬理工大学2010 年发表的一篇科技论文(Recent Progress in the Development andUnderstanding of Silicon Surface Passivation by Aluminum Oxide for Photovoltaic,作者:G. Dingemans 等人)评估了前驱体纯度对钝化性能的影响,发现不论采用光伏级还是半导体级TMA 前体,ALD 沉积层的钝化性能并无显著差异。另据2013 年出自IMEC(欧洲微电子研究中心)的一篇论文(Integration Of Spatial ALD Aluminum Oxide For Rear SidePassivation Of P-Type PERC/PERL Solar Cells,作者:E. Cornagliotti 等人),论文发表之时电子级TMA 的成本为每千克6000 欧元,而这种化学试剂的光伏级变体则为每千克600 欧元。目前,TMA 的价格约为每千克750 欧元。采用PECVD 法沉积氧化铝膜大约需要使用10mgTMA,成本约合每个硅片0.75 欧分,而采用ALD 法则只需2-3mg 的TMA,每个硅片加工成本约合0.225 欧分。APCVD(常压化学气相沉积)法的成本最高,因为该方法需消耗TMA15mg,算下来每个硅片加工成本为1.12 欧分。Meyer Burger 称,TMA 的质量问题正愈受关注,其尚有改进的空间,即通过提高纯度稳定电池效率。Meyer Burger正与多个TMA 供应商合作。

  5.4 工艺对效率的影响

  Centrotherm 公司的Haase 表示,生产设备运行不佳可产生操作方面的问题。再有就是工艺复杂,尤其是激光烧蚀这一步,ISC Konstanz(德国康斯坦茨国际太阳能研究中心)的Kopecek 指出。此外,Meyer Burger 的Erfurt 表示,多晶PERC 电池工艺还需要额外的退火成本。在他看来,相较于投资多晶PERC 生产线的开发,先生产单晶然后再升级为PERC,这一流程更为直接。因为这样只需从酸性材质转换为碱性制绒。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)生产技术部负责人Ralf Preu 强调,PERC 电池效率至少需比常规电池效率高出0.8 到1 个百分点,其所需的额外费用及投入才能有所值。随着常规电池效率接近20%,2016 年PERC 电池的最高效率应达到21% 以上,平均效率可较之低出1 到2 个百分点。Kopecek 认为,主要不足在于,目前的销售价格与峰值功率挂钩;当价格改为以千瓦时为基础时,PERC 的需求将增加,这种情况在通常采用高效组件的公用事业规模电站中越来越普遍,而在屋顶光伏领域则并非如此。

  总结:可以说上述所有顾虑都关系到PERC 这项新技术在发展初期需要面对的问题和挑战。PERC 的发展并没有什么难以克服的障碍,并且该技术有望发展至一个新的水平,对此我们将在下一章中论述。然而,当前任一项新技术都面临一个强劲的对手,即常规铝背场(BSF)。该技术经改进可能会非常完善,届时或将不再需要PERC 技术。选择性发射极就是一个很好的例子。几年前,该技术败给了常规BSF,只因金属喷镀工艺改进良好,无需额外的设备就能达到相同的效率。

PERC 电池技术展望

  在克服PERC 所面临的上述挑战同时,光伏行业还在探索使该技术迈入一个新高度的方法。

  “标准”的提高:ISFH 研究所一个研究小组列出了为提升PERC 电池效率而需要在短期内得到优化的重要参数:

  . 先进的发射极结构,如选择性发射极;

  . 用于制备铝背场的掺杂硼的铝浆;

  . 寿命为 1ms 的硅片;

  . 代替汇流条的多电极;

  . 有较大高宽比的 10μm 细栅线。

  不过,除掺杂硼的金属铝浆料之外,ISFH 以上所列同样适用于目前的常规光伏电池。基于这些改进,ISFH 于2015 年预测,PERC 电池的效率可达到24% 以上(见38 页图表)。选择性发射极:PERC 结构极好地解决了被忽视已久的背面优化问题。电池发射极面的优化也愈受瞩目,通常正面优化的方法是使用高薄膜电阻的发射极。浆料供应商曾极力推动这方面的研发。选择性发射极目前是发射极优化的另一个方法。设备制造商Schmid 称,选择性发射极对PERC 技术是很好的补充。Schmid 称,其基于回蚀方法的选择性发射极技术实现了发射极薄膜电阻160 欧姆/ 平方,同时也支持使用常规低温正面烧结浆料。该方法也支持细栅线印刷,通过增加栅线数量提升充填因子。Schmid 称,该公司的几家客户的测

  试结果显示了,单晶PERC 电池上应用选择性发射极技术实现了10mV 以上的性能提升。ISFH 同样指出,选择性发射极是电池效率突破24% 所需采用的技术革新之一。

  双面电池:在PERC 结构中引入双面概念是一个真正的创新。这种双面结构也由ISFH开发,最简单也最经济;有关论文曾在2015 年欧洲太阳能光伏展(EU PVSEC)上亮相(ThePERC+ Cell: A 21%-Efficient Industrial Bifacial PERC Solar Cell,作者:T. Dullweber 等)。这种使光伏电池双面都具备光敏感性的技术无需在常规PERC 电池工艺基础上添加任何额外步骤。双面电池的背表面采用局部铝栅线结构,而不是全部铝浆。而且这种方法无需使用银。这种电池已实现80% 的双面发电效率比,其中正面发电效率为20.8%,背面发电效率为16.7%。

 

 

  激光烧结工艺:Fraunhofer ISE 提出了一个以铝箔与激光烧结(LFC)技术为基础的背面金属化概念。在2014 年第29 届EU PVSEC 上,ISE 报告了此项以铝箔及LFC 为基础的技术取得的进展,并展示了一片采用优化简化工艺生产出的21.3% 高效电池(Progress inLaser-based Foil Metallization for Industrial PERC Solar Cells. 作者:M. Graf 等)。目前,在ISE 运行着一个α 实验室工具,2016 年还将安装一个生产规模的β 系统。内部结构的改进:PERC 也具备一些优化潜力。贺利氏的Stassen 表示,一旦PERC发展成熟,克服了光致衰减等根本障碍,并提升料体质量,重点将再次转移到发射极上。正面电极下方的开路电压损耗将再次受到重视;研究人员将努力提升电池正面钝化效果,并使电池拥有更小的电极及更细的栅线。

光伏专家对PERC 技术的观点

  我们于2015 年8 月至12 月采访期间向专家提问了一些有关PERC 技术的问题,本章总结了这些问题的答案。虽然受访专家的人数较少,难以显示出统计趋势,但我们采访的专家均已从事光伏电池研发与生产设备销售多年,因此我们决定以书面形式将他们对PERC的看法呈现出来。

  PERC 发展概况

  在上述所有言论均看好PERC 的同时,我们也许会问:该技术真的能发展起来吗?答案无疑是肯定的。当我们以问卷形式问到引入PERC 技术的重要性(程度从1 到5,1 代表一点也不重要,5 代表非常重要)时,几乎每一位专家的回应都是积极的。多数专家勾选了4 分或5 分。NREL 的Basore 认为选择4 较为合适,因为铝背场电池技术永远能在成本比效率更重要的市场占据一席之地。而若论及提升应用效率,PERC 技术将成为赢家。由于大多数光伏装机是由成本驱动的,因此效率的提升仅在不增加成本的情况下才是重要的。虽然PERC 工艺只需要一些额外的设备,但它并不能使制造更便宜。仅少数市场的屋顶光伏领域,例如日本市场,对高效光伏组件存在需求。由于这些原因,贺利氏的Stassen 在被问到光伏设备制造商是否有必要在其工艺组合中引入PERC 技术时,勾选了中间等级3。

  单晶vs. 多晶

  当我们将PERC 技术分为单晶和多晶两块时,专家意见差别较大。杜邦的Antoniadis认为,单晶PERC 的发展空间非常大(4 到5 级),因为其增益显著,足以补偿额外的制造成本。而至于多晶PERC,没有人评级超过3。光致衰减(LID)被认为是多晶PERC 电池面临的主要障碍。仅出于这个原因,ISC 的Kopecek 对多晶PERC 发展空间的评级为3 到4,而Centrotherm 的Haase 甚至更为悲观,评级仅为2 到3。

  100% 的PERC ?

  同样,关于PERC 将拥有多少总产能的问题,专家们也是各执己见。这些专家认为,所有新的产能扩张计划都将考虑PERC 电池,几乎无一例外。现有产能很大程度上取决于电池制造商的背景。生产线升级需要有可利用的地面空间,而有时情况并非如此,因此额外的PERC 设备不能并入生产线(虽然某专家曾称拥有选择性发射极技术的制造商可摆脱湿式蚀刻技术,并利用剩余空间放置PERC 技术设备)。对于像Solar World 这样的大公司,将产能100% 转向PERC 电池是有意义的,它们已在该技术的研发上投入大量时间与资金,目前其组件销售主要针对住宅及商业屋顶光伏。而新成立的公司可能需要1 到2 年的时间才能完成这件工作,Semco 公司的Raymond de Munnik 表示。出于这些原因,Levitech 建议电池企业不要将产能100% 转向PERC,但并未就最合适的数字提供建议。

  Meyer Burger 的Erfurt 对PERC 技术充满信心。他认为,初始阶段产能将100% 地转移至单晶生产线,这将在未来5 年之内发生。截至目前,他认为多晶PERC 的生产是个问题,其中晶粒边界的钝化这一步尤为不易。除与PERC 相关的光衰问题之外,Erfurt 还认为,多晶材料本身的质量也有待提高,这样才能使其额外投资物有所值。但随着该技术各方面的改进,生产线也可能陆续升级为多晶。如果这没有发生,那么还有另外一种可能—最后一小步将生产线从多晶转为单晶。

  Kopecek 认为该产业将以千瓦时代替峰值 功率作为销售电价标准,这有利于PERC 技术的发展。因此他建议将产能100% 转向PERC。Basore 认为,将会有一个50% 的产能转移,因为这对任一项新技术来说都是一个安全的数字。Fraunhofer ISE 的Preu 认为,未来2 到3 年内将会有30% 的产能转向PERC。他的估测基于这样一个事实:由于大量设备能力有待建设,该转移进程可能会有所减缓。由于多晶材料支配着如今的市场,并且PERC 与此类材料的关联尚不清楚,因此据Centrotherm 的Haase 估计,20% 到30% 将会是光伏设备制造商分配给PERC 技术的最佳产能份额。

  纵观如今的电池工厂,如上所述,有些生产线甚至连两台小型设备都容不下,还有一些生产线太旧,不值得进行任何升级。因此天合光能首席科学家Pierre Verlinden 表示,PERC 未来的发展路线是新增产能,而不是生产线升级。

  2015/2016 年PERC 新增产能估测

  结合以上预测,一些专家估测了短期内(2015 年与2016 年)PERC 的新增产能。据Schmid Technology 首席执行官Christian Buchner 表示,2015 年PERC 装机产能为6GW,预计今年将新增约同等的产能。SoLayTec 称2015 年PERC 销售量为7 至8GW。Semco 的de Munnik 同意该估算,并预测2016 年将新增8GW PERC 设备装机。而ISE 生产技术部主管Ralf Preu 却表示,2015 年仅有2.5 至3GW 生产线装机,而到2016 年年中装机量将达到8GW。这是因为2015 年前两个季度PERC 设备订单较多,并已备好在2015年年底出货。此外,Sunrise Global 首席运营官Ted Szpitalak 也提供了相同的估测:截至2015 年年底新增产能为2-3GW;预计2016 年将新增产能6-7GW。据贺利氏全球业务发展主管Arno Stassen 表示,截至2015 年底,已装机PERC 产能大约为6GW,该数值预计将在未来两年内翻一番。Manz 的估测是基于生产设备订单,截至2015 年底产能为8GW,预计2016 年将新增5GW。Centrotherm 技术与销售部高级副总裁Josef Haase 提供的估算最为保守:2015 年1GW,2016 年3-4GW,但强调这些数据只针对正在运行的生产系统。他指出,这是因为虽然若干生产系统已经安装,但它们并未全部全面投产运行(见42 页图表)。

其它新技术路线

  在PERC 之外还有哪些准备好商业化的晶硅电池技术呢?这个问题不好回答,因此我们总结了一些受访专家对这些“挑战者”的看法:

  P 型还是N 型: 问题始于P 型电池将继续占主导地位还是由N 性电池取代。Centrotherm 的Haase认为,随着P型晶硅电池的光衰效应得到抑制,N型电池将失去其魅力。另一方面,Semco 的de Munnik 则认为下一步的技术升级是N 型双面结构。因为它们最接近P 型电池的制造工艺。硅片价格同样具有挑站性。目前,电池加工工艺正日趋完善,背接触设备也越来越成熟。N 型双面电池的一个特有优势是背面效率高。台湾电池制造商NSP已研发出双面发电效率超过90% 的电池。

  PERT:设备制造商Schmid 集团将“宝”押在发射结钝化全背场扩散电池(PERT)上,计划在短期内将其融入N 型及P 型电池结构中。与采用铝背场结构的常规电池与PERC 电池(前者采用全铝背场,后者采用局部铝背场)不同,PERT 电池具有一个扩散的背表面。也就是说,N 型PERT 电池的发射极采用硼扩散方法形成,背电场采用磷掺杂制备而成,而P 型PERT 电池正好与之相反。施密德提倡将P 型PERT 技术作为PERC 技术一个替代,尤其是在多晶这一块,因为该技术不受任何诸如LID 效应等的限制。另一方面,因为需要的额外扩散以及掩膜工序,基于加工工艺的复杂性,Meyer Burger 对于PERT 技术顾虑重重。

  根据Meyer Burger 的说法,对比常规BSF 电池,该技术所能带来的效率提升(efficiencydelta)最高为1%,不具吸引力。2015 年年中,位于比利时的IMEC 研究中心研发出一款22.5%高效工业规模PERT 电池;2016 年年初,该中心与SunPower 公司的母公司合作,扩大了一个专门针对PERT 技术的研究项目,同时,市场上也已有多款量产产品。2015 年12 月,中国电池与组件制造商HT-SAAE 宣布,同年10 月其N 型60 片(156x156mm)PERT 组件功率已从2 月份的285W 提升至300W,组件效率大约相当于18.4%。

  PERL:此外还存在一个PERC 与PERT 电池的结合体,称为PERL,是发射极和背面钝化局部扩散光伏电池的缩写。与PERC 一样,此类电池的正面与背面均被钝化,而其背面只有金属接触区域存在局部扩散。该技术也是由新南威尔士大学的格林教授研发,已经保持硅光伏电池的效率纪录多年。但其商业生产仍处在早期阶段:韩国现代重工业株式会社(HHI)于2015 年8 月宣布将于2016 年初将200MW 电池产能升级为PERL 技术。该公司自2010 年起就一直在研发这项技术。HHI 创造的PERL 电池效率纪录为21.4%。隧道氧化层:最近,Fraunhofer ISE 的隧道氧化层钝化接触(TOPCon)技术获得了一些关注。在2015 年9 月的欧洲光伏展(EU PVSEC)上,ISE 推出一款转化效率达到25.1% 的电池,打破了硅光伏电池的效率纪录 (The Irresistible Charm of a Simple CurrentFlow Pattern - Approaching 25 % with a Solar Cell Featuring a Full-Area Back Contac;作者:S. Glunz 等)。这款电池的特点是背面的隧道氧化层选择性钝化接触。该电池拥有一层超薄的钝化氧化层(厚度约2-3nm),允许载流子从中穿过。氧化层上面覆盖着一层高掺硅薄层。美国新创公司Tetrasun(如今在First Solar 旗下)和Silevo(如今在SolarCity 旗下)基于隧道氧化方法研发出了各自的电池技术。

 

 

  IBC:施密德不仅认为N 型电池很快将成为主流,还认为2 年内指叉背接触(IBC)将获得越来越多的关注。这项技术的优点是可完全消除阴影损失,因为电池两级的触点完全位于电池背面。其正面具有一个基板掺杂轮廓,而背面具有p+ 掺杂区域和n+ 掺杂区域,也通过掺杂实现。IBC 电池的最高效率为24.2%。Centrotherm 的Haase 指出,IBC 技术的不足之处在于其生产流程相当复杂,迄今为止,SunPower 是唯一一家掌握大规模生产IBC 电池技术的公司,并且其每瓦特成本非常高。尽管如此,施密德的Buchner 仍然认为IBC 技术是最高水平的技术。

  HJT:异质结硅基光伏电池是通过在掺杂及本征非晶硅薄膜沉积层之间夹入高质量硅片制备而成。迄今为止,只有日本公司Panasonic 提供基于HJT 结构的大规模商业化光伏产品。2015 年10 月,该公司宣布利用大规模生产技术研发出了一个22.5% 高效HJT 电池原型。Panasonic 还保持着HTJ 电池的效率纪录(2014 年达到25.6%)。Meyer Burger 作为异质结技术坚定的拥护者,已经开始向市场提供拥有本厂核心设备的整体解决方案。根据该设备制造商称,该技术的优势是处理步骤更少,所需较少的设备数量,可节省25% 的占地面积,以及效率水平高于在22.5%。Meyer Burger 认为,IBC 结合HJT 将是提升效率的可靠保证。

  事实上,该技术由松下研发,松下保持了晶硅电池转换效率25.6% 的世界纪录全球领先的组件制造商天合光能的首席科学家Pierre Verlinden 对上述技术做了一个全面的分析。Verlinden 认为,N 型PERT 电池将是继PERC 之后的新一代电池,因为它不仅具备HTJ 电池的大部分优点,而且与现有生产线有更好的兼容性。IBC 将依旧是一流的技术,效率高,但成本也高。它将应用于一流设备,其中效率和外型美发挥着重要作用。Verlinden认为,HJT 技术不论在效率还是成本方面都处于PERC 和IBC 之间。但他同时强调,HTJ与常规生产线不太相容,这对资本支出造成了挑战。而ISFH 的Dullweber 则认为,未来几年内几种技术可能同时存在。

结语

  目前,光伏电池制造商都在对扩产进行评估,保持传统技术还是选择更为先进的解决方案是一个必须要考虑的问题。最简单也是最受关注的晶硅电池技术升级方案就是PERC,即发射极及背面钝化电池技术。该技术仅需增加两台额外的设备就可对原有常规生产线进行升级,提升电池效率1%。

  就像任何一项新技术在其初期阶段一样,PERC 仍需面临诸多挑战,尤其在多晶方面。但这些挑战都并非是不可解决的问题,并且PERC 技术还有进一步提升的潜力。相关生产设备现已具备,诸多公司也已投入量产PERC 电池,产能的提升十分迅速。据我们估计,2015 年PERC 的产能约为4.9GW,产量约3GW。2016 年累计产能有望达到11.8GW,约8.1GW 的PERC 电池将投放市场。

  随着该技术的商业化进程加快,PERC 电池效率也屡破记录,单晶效率已达22.13%,多晶也达到了21.25%(2016 年2 月中旬数据)。诚然,还有很多其他改进技术正在研发中,但投入PERC 技术的门槛很低:电池制造商只需新增2 台额外设备,即氧化铝沉积以及和激光设备。中国一家领先的电池制造商CEO 告诉我们,在PERC 效率有望达到23% 的情况下,他并不看好异质结技术。

  研究机构ISFH 通过模型分析得出结论,PERC 只需一些简单改进就能获得24% 的效率。因此研究人员相信“PERC 电池将在未来一段时期内主导市场及其未来的走向。” 这基本符合2016 年第7 版光伏国际技术路线图(ITRPV)的预测:2015 年PERC 获得约7% 的市场份额(较第6 版的10% 有所下降);不过我们的统计发现其份额只达到约5%。而且新的产能扩张也晚于预期。我们预计2016 年PERC 市场份额约为12%;而据ITRPV 预测,2016 年PERC 市场份额将增至14.5%,虽然目前ITRPV 在远期预测中将PERC 与PERT及PERL 归为一类,但无论如何都低于前期的预测值。时间证明一切。如果除QCells 与REC 之外的其他公司也能克服多晶LID 的问题,那么除了易于升级之外,PERC 还有更多的潜力可待发掘。

中国光伏行业协会& TaiyangNews联合出品

作者Shravan K. Chunduri, Michael Schmela

 

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