N型高效太陽能電池技術的發展優勢探討

孟慶平 楊愛靜

摘 要：本文圍繞N型電池技術的發展現狀，闡述了發射極鈍化-背部局域擴散電池結構（PERL）、叉指背接觸結構（IBC）、異質結結構（HIT）和異質結背接觸結構（HBC）太陽能電池基本情況，深入分析了N型高效電池技術優勢，并結合我國硅基光伏產業現狀進行了發展趨勢預測和技術需求分析。

關鍵詞：N型電池；技術；發展優勢

引言：隨著光伏“領跑者”計劃的逐步推廣，高效率電池組件已經成為行業發展的方向和共識。為適應市場對高效電池和組件產品的需求，發展N型高效電池技術，才能在光伏行業中處于領先地位。

1.N型電池技術基本情況

根據晶體硅材料的摻雜特性，晶體硅電池可分為P型晶體硅電池和N型晶體硅電池。N型晶體硅電池采用硅中摻磷作基體材料，是電子導電型太陽能電池。采用N型晶體硅電池由于對金屬雜質敏感性低，更易在生產中獲得更高的轉換效率，是產業化高效電池的主要研發方向。世界領先的N型電池技術有SUNPOWER的IBC電池（背接觸技術）、松下等廠家的HIT電池（異質結技術）。

2.國內外N型電池技術發展情況

2.1 N型PERL電池（如圖1）：澳大利亞的新南威爾士大學研制了PERL 結構的硅太陽能電池，1999 年在4 cm2 的P 型FZ 硅實現了25%的轉換效率（1999 年是24.7%，2009 年太陽能光譜參照修正之后達到25%的效率）。PERL 電池的特點是極好的單晶質量，在晶體硅正反雙面均長了SiO2層，良好的鈍化特性使得電池界面復合損失很低。PERL電池一直是高效硅基太陽能電池的代表，但其復雜的光刻工藝以及對襯底晶格質量的高要求使得實現成本較高，因而一直沒有實現規模生產。

2.2 N型IBC電池（如圖2）：以美國SUNPOWER公司為代表IBC電池，實驗室效率為24.2%，量產效率為23%。IBC電池由于電極都在背面，正面百分之百受光，同時正面輕擴鈍化成黑硅，提高光線的吸收率，由于采用高少子壽命N型襯底，因此電池具有較高的開路電壓和填充系數，同時功率溫度系數較P型電池大幅度降低，無初始光衰減（LID）和高電位誘發衰減（PID）。

2.3 N型HIT電池（如圖3）：以日本松下公司（三洋已被松下收購）為代表為HIT電池，實驗室效率為24.7%，量產效率為22.5%，HIT電池結合了薄膜太陽能電池低溫制造的優點，從而避免采用傳統的高溫擴散工藝來獲得p-n結，同時完成了單晶硅的表面鈍化，大大降低了表面、界面漏電流，提高了電池效率。溫度穩定性好，使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。

2.4 N型HBC電池（如圖4、5）：N型電池最終發展方向是結合異質結電池高電壓和背接觸電池高電流的優勢，形成HBC（Heterojunction back contact）電池結構。有兩種途徑可實現HBC電池。

一種方法是人們通常所說的將非晶硅異質結構和背接觸結構相結合形成HBC電池。HBC結構由日本的夏普公司提出，是背接觸IBC電池與硅基異質結HIT電池的良好結合。由于沒有正面柵線遮光，電池有高的短路電流；由于有高質量的氫化非晶硅鈍化，電池有高的開路電壓。HBC 結構結合兩種電池的優點，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率為25.1%的太陽能電池。為了獲得高的開路電壓，需要盡可能的減少異質結面載流子的復合。為了獲得高的短路電流，電極采用了全背面結構的制作。

另一種是在IBC電池工藝中增加多晶硅薄膜鈍化層，即在硅片兩面先生長一層很薄的SiO2氧化層，再沉積一層摻雜的非晶硅薄膜，然后退火形成隧道氧化鈍化接觸（TOPCon）結構，SiO2隧穿氧化層和摻雜的多晶硅層具有很好的選擇性，允許一種載流子（如電子）穿越同時阻擋另一種載流子（如空穴）的復合，且摻雜多晶硅薄膜層具有良好的鈍化特性，這種引入多晶硅薄膜鈍化的背接觸電池也即廣義HBC電池結構，此技術在韓國LG公司已實現量產。

3.N型高效電池發展優勢探討

對于太陽能市場的未來，具有高轉換率、低衰減率的N型晶體硅產品和技術將扮演重要角色。N型電池及組件技術具有以下優勢：

3.1國內外領先的高效電池技術。SUNPOWER公司N型IBC電池、夏普公司的BSS電池、松下公司HIT電池均是基于N型電池的技術。

3.2光電轉換效率更高。同等面積的N型組件，功率更高，P型單晶電池和組件，轉換效率分別為21.5%和18.3%，而N型電池和組件目前可提升到23%和20.5%。

3.3抗衰減優勢明顯。N型組件可將25年內的總衰減從目前的20%減少到10%，由此帶來發電量的重要提升。

3.4具有更低的溫度系數。光伏組件在工作時，除少部分光能轉換為電能之外，其余電能將轉換為熱能，從而提升組件的溫度。組件溫度升高后，將會影響電池和組件的開路電壓和短路電流，從而最終導致組件的功率降低。

3.5弱光效應更好。由于采用了非晶硅作為電池的P型部分，電池和組件的弱光效應更好。以國內某地為例，對于P型電池有效日照為1745MWH/年，而對于N型電池有效日照為1771MWH/年。

3.6發電量更多。行業多家研究機構實驗測試表明，N型電池組件由于其溫度系數及低衰減優勢，在相同裝機容量下25年使用周期內發電量將比P型電池組件多約10%。

3.7可支撐更高的價格。根據行業共識的數據，維持同樣的投入產出比，相同裝機容量下在25年使用周期內發電量將比P型電池組件多10%；支架、土地等系統成本低0.15元/W，可支撐溢價為2.2元/W×110% +0.15元/W =2.57元/W。

4.展望

提高轉換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，根據國際最具權威的半導體設備材料產業協會（SEMI）發布的國際光伏技術路線圖，到2027年單晶N型電池的市場份額就會占到整個光伏市場的27%，隨著國家政策的引導，高效率低成本的光伏組件將會成為市場主流產品。屆時P型PERC技術將無法滿足基礎要求，因此，發展N型單晶硅太陽能電池是提升光伏企業競爭能力的最佳選擇。

參考文獻：

[1]25%效率晶體硅基太陽能電池的最新進展[J].鄧慶維，黃永光，朱洪亮.激光與光電子學進展.2015（11）

[2]硅半導體太陽能電池進展[J].李懷輝，王小平，王麗軍，劉欣欣，梅翠玉，劉仁杰，江振興，趙凱麟.材料導報.2011（19）

[3]晶硅太陽能電池發展狀況及趨勢[J].周濤，陸曉東，張明，李媛，劉愛民，倫淑嫻.激光與光電子學進展. 2013（03）