CTO专栏|高效太阳能电池的明星——PERC

电力18讯：

 随着市场端对高功率的需要不断扩大，PERC电池各工序配套设备、辅料供应商和硅片质量的不断提升，以及电池和组件工艺的不断进步，PERC电池成为各大电池厂家产线升级和扩产新线的首选

 

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文|倪志春

来源|太阳能发电网

 

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经过近20年的发展，常规硅材料太阳能电池在硅材料质量、辅材以及工艺方面都获得了持续的提升，目前业内主流光电转换效率平均水平，普通单晶约20.1%，普通多晶18.7%-19.1%。单晶PERC电池21.3-21.8%.

 

不过，这还与世界最高纪录相差很大——2017年日本KANEKA公司的Yoshikawa等人以一种基于叉指背接触(IBC)技术和异质结钝化技术(HIT)的新型叉指背接触异质晶硅太阳能单晶电池(HBC)实现了26.6%的光转化效率；弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）使用等离子表面制绒技术以及隧道氧化层钝化接触（TOPCon）技术，实现多晶转换效率达22.3%。

 

上述世界效率纪录的实现，都使用区别于常规晶体硅电池制造技术的技术，总结下来，提高晶体硅太阳能电池转换效率主要有以下三个方向：

 

（1）提高光学利用率

 

优化电池片表面陷光结构以及减反射膜，减少正面金属遮挡，甚至转移至背面形成IBC结构来减少入射光的损失；背面进行平整化处理，增加背反射层将透射光重新反射入硅片表面形成二次反射从而增加光学吸收；设计双面电池结构，增加背面入射光，实现更大的光学吸收利用；

 

（2）减少内部损失

 

内部损失包括光生载流子的复合损失以及二极管结构的串并联损失。可以通过使用高质量的硅材料（低缺陷，高少子寿命）来减少体内的复合，同时采用高质量的表面钝化技术（钝化技术包括饱和悬挂键和缺陷的化学钝化以及聚集正/负电荷形成的场效应钝化，见图1）来减少电池体内以及表面的复合。配合优化的扩散工艺，结合先进的SE工艺以及金属化工艺来降低接触电阻和栅线电阻，增大并联电阻，减少电流的损耗；

 

 

 图1. 晶体硅太阳电池的钝化技术（图片来源Taiyang News 2017）

 

 

（3）提高内建电场强度

 

通过匹配不同禁带宽度的材料，制造异质结电池，提高内建电场强度，提升开路电压、拓展光谱响应范围，实现晶体硅太阳电池的效率提升。

 

 

 图2. 针对性的高效路线（照片来源网络）

 

 

对应地，现阶段电池的提高电池转换效率也有三条主线组成，如图2：

 

（1）金属电极优化，提高入射光的利用率，可制备IBC、MWT等电池；

 

（2）高质量的硅材料，结合背面钝化来降低背面复合速率，以及双面技术的引入，可制备PERC、PERT、PERL电池；

 

（3）通过异质结结构，提高内建电场，如HIT、HJT以及HBC电池等。同时，还可搭配双面技术及高质量N型硅片，进一步提升电池效率。

 

PERC（Passivated Emitter Rear Cell）电池是目前技术最成熟、升级最简单、成本最低的技术升级方案，得到了国内外各大电池厂家的青睐。

 

PERC电池结构和常规电池结构的差异如图3所示。

 

 

 图3. 常规电池和PERC电池的对比 （照片来源Taiyang News 2017）

 

 

从结构图中可以看到，PERC电池只是在常规电池的基础上对背面进行钝化并形成背面局部接触，根据电池工艺流程，只需在原有常规工艺的基础上增加背面钝化工艺以及背面开窗工艺即可，如图4所示。

 

 

 

图4. PERC电池生产工艺流程（图片来源Taiyang News 2017）

 

 

对于PERC电池背面钝化膜的选择，主要有氧化硅（SiOx）——1999年赵建华博士、王艾华博士通过背面采用氧化硅钝化实现了25.0%的效率；氮氧化硅（SiONx）——早期Solar Word以及现在的爱旭、润阳等；氧化铝（AlOx）——现在主流厂家都采用氧化铝和氮化硅叠层膜的背钝化膜结构。

 

氧化铝和氮化硅叠层膜叠层结构作为P型PERC背面钝化膜的优势，主要体现在三个方面。

 

氧化铝具有较高的固定负电荷密度Q>10E13/cm3，可以得到优异的场钝化效果；氮化硅膜富含氢原子，可以在热处理过程中对表面和体内的缺陷进行化学钝化；氧化铝薄膜带隙6.4eV，折射率1.65左右，可以提供较好的背面光学反射功能。

 

氧化铝的厚度根据沉积方式的不同，厚度也不一样，一般分为PECVD模式（主要厂家是Meyer Burger，Centrotherm和国内某司）控制在20-25nm，ALD模式（主要厂家有Solay Tec、Levitech、NCD、Ideal Energy、Lead Micro等）控制在3-9nm。厚度的不同导致使用关键化学品TMA耗量的不同，如图5所示。

 

同时，为了避免后续金属化烧结过程铝浆对钝化膜的破坏，再要额外沉积一层100-150nm厚度的氮化硅，一方面可以保护氧化铝钝化膜，另外还可以提升背面减反效果。

 

 

 图5. PECVD和ALD不同模式TMA的耗量（数据来源Taiyang News 2017）

 

 

PERC电池制作另一关键工序是激光开窗，通过激光热熔方法把背面需要形成铝硅合金接触的区域上面的氧化铝和氮化硅叠层膜热熔掉，然后在金属化烧结过程中让铝浆和此区域的硅形成铝硅合金的接触。

 

根据激光种类的划分，分为纳米激光和皮秒激光两种，供应商主要有Innolas、Rofin、3D-Micromac、台湾友晁、武汉帝尔等。

 

PERC电池的光衰，之前一直是困扰电池生产厂家和客户的问题，但通过业内的不断研究和突破，目前找到了两种方式来控制光衰达到了可接受范围。

 

其一是降低或避免B-O对的出现，如使用掺镓硅片、控制硅片内的氧含量；其二是对电池片通过在一定温度下进行光、电注入，使B-O对中性化不会吸附产生的少数载流子，从而减少光衰，设备厂家有Centrotherm、科隆威、Schmid、时创等。

 

随着市场端对高功率的需要不断扩大，PERC电池各工序配套设备、辅料供应商和硅片质量的不断提升，以及电池和组件工艺的不断进步，PERC电池成为各大电池厂家产线升级和扩产新线的首选，实验室最高效率不断创出新高。

 

2018年5月，晶科能源高效p型单晶电池经过中科院太阳光伏发电系统检测中心的测试认证，转换效率达到23.95%，主要应用技术是低电阻率高少子寿命的单晶硅片，正面RIE以及多层减反工艺、SE工艺、氧化技术以及背面钝化工艺。

 

2017年10月，晶科能源高效P型多晶电池经过德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所下属的检测实验室验证，转换效率达到了22.04%，主要应用技术是高质量工业级硼掺杂多晶硅片，使用高质量的陷光、钝化技术及抗光衰等先进技术。

 

最高效率记录得到不断刷新代表了中国光伏制造企业的产品工业化不断实现突破，越来越接近国际实验室效率，目前PERC电池行业内的平均效率在21.3%-21.8%左右，苏州腾晖光伏技术有限公司作为“全球光伏企业20强”“中国光伏企业20强”的企业，PERC电池现近有400MW的产能，产品经过不断的研发和升级，现在大批量出货的单晶PERC电池平均效率达到21.65%左右，处于行业内领先地位。量产化的单晶PERC电池经过第三方认证效率达到22.31%，组件效率达到18.9%；而多晶PERC电池经过第三方认证效率达到21.01%，组件效率同样达到18.9%。

 

 

 图6. PERC电池市场份额和效率的预测

 

2018 ITRPV的报告（见图6）预测，PERC电池市场份额在2020年以后将超过50%（实际上估计占比到85%以上），占据主要地位；PERC电池的效率将在2020年后在24%左右（这可能会与目前央企、很多企业疯狂投资的HIT电池项目形成强烈竞争），效率的提升这无疑将进一步降低光伏产品应用的成本。

 

随着PERC电池技术的不断发展成熟，PERC电池最高效率第三方测试得到的最高值和理论极限已经很接近了，新结构电池量产突破需要的成本投入将是指数式提升。

 

另外，PERC电池的衰减问题随着效率的提升也更加突出，虽然通过光、电注入可以缓解B-O对导致的LID情况，但是越来越多的研究表明，单晶PERC同样存在LeTID的衰减问题，这些在很大程度上影响了PERC电池的性价比。

 

展望未来，后PERC时代晶体硅电池的高效之路如何得到进一步突破呢？从上文提到的三条路线中就可以看出，从电池制造工艺角度来讲改善光学吸收的IBC电池、改善钝化效果降低电极复合的TOPCon电池、提升钝化效果降低表面复合的HJT电池,新一代的PREC电池（PERC 2.0）都是未来高效之路上的代表。这些具有里程碑式的以及至今还未实现规模化量产的高效方案，都在新能源光伏的平价上网道路上起到了关键的促进作用。（倪志春）