中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會

(中國可再生能源學(xué)會，北京 100190)

0 引言

由于2018年“531新政”的延后效應(yīng)，導(dǎo)致中國國內(nèi)光伏市場發(fā)生較大幅度的萎縮。據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2019年1～10月，國內(nèi)光伏裝機(jī)量僅有17.5 GW，較難續(xù)寫2018年國內(nèi)全年裝機(jī)量44 GW的輝煌。

但是2019年國內(nèi)光伏制造業(yè)卻依然火熱，這主要得益于各個廠家對海外市場的努力開拓。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2019年前3季度，中國的太陽電池出貨量達(dá)到82.82 GW，較上一年同比增長48.6%，光伏組件出貨量達(dá)75 GW，較上一年同比增長32%；2019年前3季度光伏產(chǎn)品出口額達(dá)到162.2億美元，較上一年同比增長32.8%，超過2018年全年出口總額。這表明中國光伏制造企業(yè)在面對國內(nèi)市場收縮的壓力下，通過積極拓展海外市場，形成了新的增長動力。

值得注意的是，單晶硅片的出口量占比達(dá)到70%，而在2018年同期，這一數(shù)字為38%。從國內(nèi)各個產(chǎn)線的數(shù)據(jù)來看，PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)量也約為70%，而BSF多晶硅太陽電池的產(chǎn)量卻已大幅減少。這種技術(shù)快速迭代的現(xiàn)象令此前許多分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測人員倍感意外。

此外，越來越多的企業(yè)開始涉足新的n型太陽電池技術(shù)，目前主要包括HJT和Topcon太陽電池；對于超高效的IBC太陽電池，黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司也已開始建設(shè)生產(chǎn)線。

本章節(jié)將不再論述BSF多晶硅太陽電池技術(shù)的發(fā)展情況，而是主要論述HJT和Topcon太陽電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

此外，組件技術(shù)和封裝材料技術(shù)的進(jìn)展也較大，本章節(jié)也將進(jìn)行一定的論述。

1 PERC太陽電池的技術(shù)進(jìn)展

1.1 發(fā)展概況

2019年，中國PERC太陽電池的產(chǎn)量在整個晶體硅太陽電池產(chǎn)量的占比已達(dá)到70%，在2019年年底時，一線企業(yè)的PERC太陽電池的產(chǎn)線平均效率已達(dá)到22.5%，而一般企業(yè)的產(chǎn)線平均效率也已達(dá)到了22%左右。特別是在2019年下半年，出現(xiàn)了PERC太陽電池的大規(guī)模降價，使常規(guī)BSF多晶硅太陽電池也隨之降價，但是由于常規(guī)多晶硅太陽電池的效率無法再提高，成本下降空間非常有限，因此多晶硅太陽電池的利潤被嚴(yán)重壓縮，開始漸漸退出終端市場。

由圖1可知，PV InforLink預(yù)測，2019年全球單晶硅片產(chǎn)能會突破110 GW，而PERC單晶硅太陽電池的產(chǎn)能擴(kuò)充更快，導(dǎo)致單晶硅片供應(yīng)緊缺，價格堅挺。

表1列出了截至2019年國內(nèi)各個廠家PERC太陽電池的擴(kuò)產(chǎn)計劃。從表中可以看出，將會有一批企業(yè)使其PERC太陽電池的產(chǎn)能擴(kuò)展到5 GW以上。預(yù)計到2019年底，PERC太陽電池的總產(chǎn)能將會達(dá)到135.35 GW。不僅如此，最近還有多家企業(yè)宣布了其在2020年更加激進(jìn)的PERC太陽電池擴(kuò)產(chǎn)計劃。比如隆基計劃在2020年將PERC太陽電池的產(chǎn)能提升到20 GW。

1.2 PERC太陽電池的效率

PERC太陽電池效率的世界紀(jì)錄屢被中國公司所打破，這表明國內(nèi)光伏企業(yè)對這種新型太陽電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)擁有非常深刻的理解。圖2為筆者對近年來國內(nèi)各個企業(yè)提供的PERC太陽電池最高效率的統(tǒng)計結(jié)果。2019年1月16日，隆基報道其p型PERC單晶硅太陽電池的世界紀(jì)錄達(dá)到了24.03%，但隆基并未過多透露其取得該效率所采用技術(shù)的細(xì)節(jié)。表2對隆基與晶科的PERC太陽電池的最高紀(jì)錄情況進(jìn)行了比較。

表2 最高效率的PERC太陽電池的參數(shù)Table 2 Parameters of the highest efficiency PERC solar cell

從表2中可以看出，兩者的參數(shù)相差無幾。但自從隆基獲得24.03%的PERC太陽電池效率之后，就再無中國公司報道過更高的p型PERC單晶硅太陽電池新的效率紀(jì)錄。從其具體參數(shù)來看，短路電流密度和填充因子都已經(jīng)非常接近目前其他高效電池的最好結(jié)果，只是開路電壓仍較低，但是若不進(jìn)一步鈍化金屬電極接觸或采用異質(zhì)結(jié)技術(shù)，很難進(jìn)一步提高開路電壓。這從另一方面給行業(yè)一種暗示，PERC太陽電池的效率瓶頸或許就是24%左右。

PERC多晶硅太陽電池的效率由阿特斯創(chuàng)造。2019年4月，阿特斯報道了其157 mm×157 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的PERC多晶硅太陽電池的效率達(dá)到了22.28%，而在2019年9月，該公司又報道這一電池效率達(dá)到了22.80%，前者為德國Fraunhofer研究所的測試結(jié)果，后者為德國ISFH的測試結(jié)果，該紀(jì)錄已于2019年11月4被收入美國NERL發(fā)表的年度最佳太陽電池曲線表中。

阿特斯對于其最高效率的PERC多晶硅太陽電池的技術(shù)給予了解釋，包括：1)采用了超低缺陷硅片(實際上為鑄錠單晶)；2)采用了選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)；3)采用了MCCE濕法黑硅處理技術(shù)；4)采用了氧化硅鈍化疊層減反射膜結(jié)合背表面Al2O3鈍化膜。

由于鑄錠單晶硅片在整片區(qū)域為同一晶粒，因此其晶界缺陷消失了，比高效多晶硅片缺陷要好的多，因此使用這種硅片制備成PERC太陽電池在效率上可接近PERC單晶硅太陽電池。但是鑄錠單晶硅片上1個晶粒內(nèi)部還是存在許多位錯缺陷，并且由于鑄錠技術(shù)不能很好地控制晶粒的生長，因此在硅片的邊緣部分仍舊存在一些小的晶粒，導(dǎo)致電池效率下降。該PERC多晶硅太陽電池的總體表現(xiàn)為：產(chǎn)線效率分布較為分散，最好的效率分布區(qū)域比PERC單晶硅太陽電池約低0.2%～0.3%，但是由于較大的低效率拖尾，影響了此類太陽電池的成品率。

由此可以看出，PERC多晶硅太陽電池已經(jīng)基本上轉(zhuǎn)向了PERC鑄錠單晶硅太陽電池，雖然其效率和集中度要遜于PERC鑄錠單晶硅太陽電池，但其若能在硅片成本上比直拉單晶硅低很多，則還是存在一定競爭性。目前這方面的企業(yè)主要包括保利協(xié)鑫、協(xié)鑫集成、阿特斯、榮德，以及晶科等。

1.3 PERC太陽電池的技術(shù)進(jìn)步

PERC太陽電池?zé)o論是采用單晶硅還是多晶硅，單面還是雙面，其工藝流程基本相似，主要是在傳統(tǒng)BSF太陽電池的產(chǎn)線上增加3道工序：背鈍化膜的制備、背表面激光開孔和前表面激光摻雜，具體如圖5所示。

但是為了進(jìn)一步提高電池效率，一些企業(yè)在傳統(tǒng)的PERC太陽電池工藝基礎(chǔ)上增加了新的工藝， 目前進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)的工藝主要包括7項：

1) 選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)(SE)的進(jìn)一步優(yōu)化；

2) 多主柵電極(MBB)取代5主柵(5BB)電極；

3) 發(fā)射區(qū)方塊電阻的提升；

4) 氧化層增強(qiáng)鈍化特性；

5) 背表面堿性溶液拋光技術(shù)；

6) 硅片質(zhì)量的提升(少子壽命的提升)；

7) 光注入或電注入再生。

圖6給出了截至2019年P(guān)ERC太陽電池新增加的工藝流程。

圖6中，最簡化的PERC太陽電池工藝如最右側(cè)的工藝，其不包含SE技術(shù)，采用這種工藝制備的PERC單晶硅太陽電池的效率約為22%。

在上述工藝基礎(chǔ)上增加雙面氧化和激光摻雜制備SE技術(shù)，可以將電池效率提升至22.2%左右。很多企業(yè)為了降低PERC太陽電池的LeTID現(xiàn)象，增加了載流子注入( 電注入或光注入)工藝，但是之后發(fā)現(xiàn)這種載流子注入再生不僅能大幅減緩PERC太陽電池的衰減，還能使電池效率提高0.1%左右，因此采用SE技術(shù)的PERC太陽電池的效率可以達(dá)到22.3%左右。

為了進(jìn)一步提升電池效率，目前又開發(fā)了背拋光工藝，這有利于將從前表面入射到背表面的光反射回硅片內(nèi)部，從而增加吸收光子，使之轉(zhuǎn)變成載流子。研究發(fā)現(xiàn)，背表面使用堿溶液拋光更為有效，但是若采用堿拋光無法進(jìn)行類似“水上漂”的那種單面拋光工藝，只能采取浸沒式的拋光工藝，因此必須在拋光之前對前表面已經(jīng)激光摻雜的電極再進(jìn)一步氧化。這種經(jīng)過拋光處理的PERC太陽電池的效率有可能達(dá)到22.4% 左右。后文會對這些步驟進(jìn)行詳細(xì)論述。

1.3.1 選擇性發(fā)射極及柵線技術(shù)的改進(jìn)

前文所列出的3項技術(shù)改進(jìn)其實是關(guān)聯(lián)的，是針對前表面摻雜、金屬-半導(dǎo)體接觸、激光摻雜區(qū)域進(jìn)行的協(xié)同改進(jìn)，以期達(dá)到盡可能減小前表面復(fù)合的作用，從而提高電池效率。

目前的選擇性發(fā)射極重?fù)絽^(qū)寬度為120 μm，而細(xì)柵線寬度普遍在35～45 μm之間，這是為了保證金屬柵線與重?fù)絽^(qū)域的對準(zhǔn)。重?fù)絽^(qū)域的摻雜濃度越高，少子復(fù)合速率越高，降低重?fù)絽^(qū)域的面積可以有效提高短波光的量子效率，因此，未來改進(jìn)絲網(wǎng)印刷的精度及其與激光摻雜區(qū)域的對準(zhǔn)度，將可以進(jìn)一步提高電池效率。

中利騰輝發(fā)表了其在PERC太陽電池各個區(qū)域的復(fù)合損失的結(jié)果，如表3所示[2]。從表中可以看出，在金屬區(qū)域和非金屬區(qū)域表面復(fù)合導(dǎo)致飽和電流密度(J0)的差別非常大，因此若要提高帶金屬柵線的表面復(fù)合損失，就需要減小金屬柵線的面積。而降低具有金屬電極的表面飽和電流密度是提升電池效率的有效手段，圖7給出了不同表面飽和電流密度與開路電壓的關(guān)系[3]。

除了在金屬柵線區(qū)域的復(fù)合損失較為嚴(yán)重外，在選擇性重?fù)诫s(SE)區(qū)域，由于摻雜濃度過高，其復(fù)合也較為嚴(yán)重。圖8給出了不同區(qū)域的雜質(zhì)摻雜濃度的分布狀態(tài)。

表3 不同摻雜區(qū)域的硅片表面的復(fù)合速率的參數(shù)[2]Table 3 Parameters of recombination rate of silicon wafer surface in different doped regions [2]

從圖8可以看出，SE區(qū)域的摻雜濃度是一樣的，但是非SE區(qū)域的摻雜濃度明顯較低，一般方阻可以達(dá)到120 Ω·cm，而對于效率達(dá)到23.1%的PERC太陽電池，其方阻甚至可以達(dá)到150 Ω·cm。因此，降低前表面復(fù)合速率的措施可以歸納為降低細(xì)柵線面積、降低甚至取消主柵面積，以及降低SE區(qū)域面積。

從表4的測算可以看出，如果降低SE區(qū)域的寬度就可以降低重?fù)诫s區(qū)域的面積占比，因此可以降低前表面復(fù)合速率，從而提高電池效率；若將SE區(qū)域的寬度從120 μm降至80 μm，SE區(qū)域的占比將從8.08%降至5.39%，這樣可以使Joe降低10 fA/cm2。若將細(xì)柵線寬度從45 μm降至35 μm，可以將前表面細(xì)柵面積從3.03%降至2.36%，從而將電池效率提升0.3%左右。當(dāng)然，若降低SE區(qū)域的寬度則會增加細(xì)柵線印刷到SE區(qū)域外部的幾率，增加短路的風(fēng)險。這就需要對絲網(wǎng)印刷技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)，其要點是提高絲網(wǎng)印刷與激光摻雜之間的對準(zhǔn)精度，即激光位置重復(fù)精度優(yōu)于±15 μm；校準(zhǔn)點對位精度優(yōu)于±5 μm；網(wǎng)板印刷張力優(yōu)于±15 μm；印刷臺機(jī)械誤差優(yōu)于 ±15 μm。

表4 金屬柵線和重?fù)诫sSE區(qū)域的面積及其占比[2]Table 4 Areas and proportions of metal gate lines and heavily doped SE regions[2]

對于主柵線的改進(jìn)有2種方案：采用懸浮主柵的技術(shù)方案和采用多主柵方案(MBB)。

1)采用懸浮主柵技術(shù)方案。圖9顯示了旨在為降低柵線對載流子的表面復(fù)合的新柵線設(shè)計方案。一種方案是使用更細(xì)的柵線，但是為了確保較低的柵線電阻，可以使用二次印刷來增高柵線的高度，尤其是可以在鋁的細(xì)柵線上印刷一層銀，以提高其導(dǎo)電性；另一種設(shè)計是使主柵不致燒透鈍化膜，這樣就減小了金屬與半導(dǎo)體接觸的面積，從而減小了復(fù)合。前后電極的主柵面積與細(xì)柵面積基本相當(dāng)，因此將主柵與硅襯底隔離就可降低表面復(fù)合率。

2)采用多主柵(MBB)技術(shù)方案來代替目前的5主柵(5BB)技術(shù)。圖10顯示了目前不同規(guī)格硅片上的5BB和9主柵(9BB)的設(shè)計圖形。雖然2019年市場上仍以5BB為主，但目前產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)針對9BB開發(fā)了整套的適應(yīng)性技術(shù)，包括絲網(wǎng)印刷設(shè)備的改進(jìn)、測試壓針系統(tǒng)、串焊機(jī)等，一些先進(jìn)的電池生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)在產(chǎn)線上導(dǎo)入了9BB生產(chǎn)工藝。

使用多主柵電極會帶來如下優(yōu)點：①細(xì)柵線上的電流輸運距離縮短，因此串聯(lián)電阻損耗降低30%以上，電池效率提升0.3%；②圓形焊帶降低焊帶面積大于28.9%(如圖11所示)；③相比于5BB的同型號組件，功率可提升2%以上，同時電池銀漿耗量降低17%以上。

綜上所述可知，使用MBB的電極設(shè)計是目前為止提升電池效率的同時降低組件成本的有力手段。

1.3.2 使用薄氧化膜加強(qiáng)鈍化效果

雖然在實驗室和理論上的研究表明，前表面采用SiNx鈍化、背表面采用Al2O3/SiNx復(fù)合膜鈍化可以達(dá)到最好的鈍化效果，但是在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，在制備Al2O3/SiNx之前制備一層非常薄的氧化層有助于提升鈍化效果，提高電池效率。

因此，企業(yè)會采用各種方法制備這層氧化膜，目前所采用的方法主要包括：1)濕法氧化(在制絨的最后階段使用硝酸或雙氧水氧化)；2)氣體氧化(在制絨的最后階段使用臭氧氣體氧化)；3)熱氧化(采用氧化爐在高溫狀態(tài)下進(jìn)行氧化)。

上述3種氧化方法中，熱氧化需要另外配備一套氧化爐，導(dǎo)致設(shè)備及工藝成本升高，但其效果最好，目前已經(jīng)被許多企業(yè)所采用。雖然在Al2O3與硅之間增加了一層帶正電荷的SiOx層，但是由于其很薄，并不影響背表面鈍化效果；而且Al2O3與硅的接觸面需要一層氧化膜來促進(jìn)生成帶負(fù)電的AlO4-四面體結(jié)構(gòu)。原則上講，在正表面可以不加SiOx膜，但是考慮到制備單層氧化膜時產(chǎn)生的繞鍍現(xiàn)象，因此一般在硅片雙面都制備SiOx膜。另外，由于SiOx尤其是熱氧化的SiO2的化學(xué)鈍化效果非常好，因此采用熱氧化方法制備的SiO2膜得到的電池效率更高。

1.3.3背拋光技術(shù)

最新的技術(shù)進(jìn)展是在上述第2種PERC+SE電池工藝流程的基礎(chǔ)上再疊加背表面拋光工藝，這種背表面拋光工藝可以使入射到背表面的光更多地返回到電池體內(nèi)，效率可增加0.1%左右。但是由于堿性拋光是在槽式清洗機(jī)中進(jìn)行，因此需要對前表面被激光開槽的部分進(jìn)行遮擋，否則激光開槽區(qū)域也會被腐蝕。這種氧化保護(hù)目前有2種方式：1)使用高溫?zé)嵫趸?)采用濕法氧化，將激光摻雜后的樣品放在具有氧化酸(硝酸、雙氧水等)的溶液中進(jìn)行氧化處理，在其表面行生長一層氧化膜即可。這樣一道工藝的成本并不是很高，因此也是一種低成本的增效方案。

1.3.4 硅片質(zhì)量的提升

隨著硅片表面鈍化水平的提升，少子復(fù)合的區(qū)域轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，因此，進(jìn)一步提高硅片的質(zhì)量以減少硅片中的雜質(zhì)和缺陷的濃度對于提升電池效率尤為重要。最近在硅材料制備中，專門提出高純致密料的要求，一些老舊的硅料廠生產(chǎn)的菜花料或金屬雜質(zhì)含量較高的硅材料無法滿足拉單晶的要求，而對于硅料提出的目標(biāo)是使硅片體內(nèi)少子壽命達(dá)到1000 μs以上。 (待續(xù))