單晶硅PERC電池現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

賈 曦 鄧 豐

(樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 樂山 614000)

一、前言

“十三五”以來，中國光伏產(chǎn)業(yè)得到巨大的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)品成本持續(xù)降低，技術(shù)路線多次更新。據(jù)麥肯錫相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，光伏是中國領(lǐng)先美國且具有極大競爭優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)[1]，中國已經(jīng)成為光伏強國。在“國家能源安全”、“零碳經(jīng)濟”、“綠水青山”和“中國制造業(yè)做大做強”等時代大背景下，中國光伏產(chǎn)業(yè)肩負使命，不斷前進。從2016年中國成為世界第一光伏大國，全球最大光伏市場到2020年成為除美國外的第二大光伏技術(shù)創(chuàng)新大國，提效、降本和安全是光伏產(chǎn)業(yè)提高競爭力的必要手段，產(chǎn)業(yè)鏈中的電池環(huán)節(jié)歷來是提效、降本的重要內(nèi)容。目前，單晶硅perc電池市場份額最大，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展和基礎(chǔ)研究方面實際意義重大。

本文從實驗室研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化兩個方面綜述單晶硅PERC電池的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，為后續(xù)晶體硅電池研究和工藝優(yōu)化提供參考。

二、單晶硅PERC電池研究趨勢

PERC電池(Passivated Emitterand Rear Cell)又稱鈍化發(fā)射極和背面電池[2]，PERC電池結(jié)構(gòu)在常規(guī)晶體硅電池結(jié)構(gòu)(BSF)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，常規(guī)P型晶硅電池背面全鋁接觸，在硅片厚度變薄的趨勢下，少數(shù)載流子可能會擴散到電池背面進行復(fù)合。另外，太陽光中紅外光在背面鋁層中反射回電池比例不高，都對提高電池轉(zhuǎn)換效率不利。PERC電池在常規(guī)電池背表面引入介質(zhì)鈍化膜和局域金屬接觸技術(shù)，降低電池背表面載流子復(fù)合速度，提升背表面的長波光反射，從而提高晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1 (a)常規(guī)晶體硅電池結(jié)構(gòu) 圖1(b)晶體硅PERC電池結(jié)構(gòu)

單晶硅PERC電池生產(chǎn)工藝流程是制絨→擴散制PN結(jié)→刻蝕與拋光→鍍減反射膜→鍍背鈍化膜→激光開槽→金屬電極制備→測試。與常規(guī)晶硅電池相比，多了背面鈍化層和激光開槽兩個環(huán)節(jié)，既兼容原有產(chǎn)線，又較少資金引入新設(shè)備提高電池轉(zhuǎn)換效率，滿足當時產(chǎn)業(yè)的需求，使增效降本成為現(xiàn)實。但是，perc電池任存在一些問題，主要包含：(1)金屬部分存在較大的復(fù)合(2)局域接觸導(dǎo)致載流子的橫向傳輸，使電池的串聯(lián)電阻增大，降低填充因子(3)光衰嚴重(4)其它方面的光學(xué)損失和電學(xué)損失。這些損失制約電池轉(zhuǎn)換效率進一步提高。

眾多學(xué)者和團隊在提高perc電池轉(zhuǎn)換效率方面做出很多努力。張建軍等通多激光摻雜技術(shù)實現(xiàn)SE與PERC電池技術(shù)疊加，通過分區(qū)重輕摻雜改善歐姆接觸，減少電學(xué)損失[3]。王麗婷等研究了改變電注入退火條件，證明電注入退火能改善電池光致衰減現(xiàn)象[4]。梁潤雄等利用正交試驗優(yōu)化電注入工藝條件，并在優(yōu)化條件下獲得1%-2%的增益[5]。張磊研究了鏈式堿拋技術(shù)在PERC太陽能電池中的可行性，為優(yōu)化電池背面串聯(lián)電阻提供路徑[6]。張進等研究了在鋁漿中添加不同量的四苯硼鈉，通過實驗表明在0.5%含量下，LBSF層增厚，電池性能變好[7]。周小榮等從背反射率和鋁柵線設(shè)計對電池工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并得到最優(yōu)工藝參數(shù)[8]。王慶錢研究了后PERC時期高效性電池技術(shù)的路線，認為單晶代替多晶，N型代替P型，雙面代替單面電池[9]。

三、單晶硅PERC電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.未來3-5年，單晶Perc電池市場份額持續(xù)增大，成為主流產(chǎn)品。作為PERC電池主要原材料，P型單晶硅片市場占比如圖2紅色方框點畫線所示。2018年，中國光伏P型單晶硅片市場占比為39.5%，2019年市場占比增加到46.5%，與2018年相比增加17.7%。據(jù)中國光伏協(xié)會(CPIA)推測，2020-2022年P(guān)型單晶硅片的市場配比約為53.3%、53.4%，從2018年至2022年，P型單晶硅片市場占比呈增加趨勢，但從2023年至2025年，由于N型硅片市場份額的增大，P型單晶硅片的市場份額相應(yīng)略微降低至51.8%。2019年晶硅太陽電池全國產(chǎn)能為108.6GW，同比2018年增長27.8%[10]。其中PERC電池市場占比為50.6%，如圖2中藍色圓形點畫線所示。2018年P(guān)ERC電池市場占比為33.5%，2019年為50.6%，同比2018年提高了約51%。據(jù)預(yù)測，2020年市場占比為55.7%，2021年-2025年市場占比逐年增加。從硅片和電池市場變化可得，未來3-5年太陽電池產(chǎn)品呈多樣化趨勢，N型TOPCon電池，異質(zhì)結(jié)電池等高效電池將分占部分市場[11]，但晶體硅PERC太陽電池任為主流，2025年P(guān)ERC電池可能會占61%的市場份額。

圖2 Perc電池、P型硅片市場占比(數(shù)據(jù)來自CPIA)

2.單晶硅PERC電池的光電轉(zhuǎn)換效率進一步提高。單晶PERC電池產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換效率和中國實驗室最高效率如圖3所示。2017年，中國實驗室最高效率為22.6%，2019年為23.1%，相比2018年提高0.5%，2020年隆基創(chuàng)造了單晶硅PERC電池24.03%的中國最高效率，相比2019年數(shù)據(jù)提高0.97%。2016年-2019年，單晶硅PERC電池產(chǎn)業(yè)化平均轉(zhuǎn)換效率每年遞增，2019年產(chǎn)業(yè)平均轉(zhuǎn)換效率為22.3%，行內(nèi)最好平均轉(zhuǎn)換效率可達22.7%。據(jù)預(yù)測，該類電池的產(chǎn)業(yè)平均轉(zhuǎn)換效率從2020年到2025年會進一步提高，到2025年可能達24%，接近該類電池中國實驗室最高轉(zhuǎn)換效率。

圖3 PERC電池光電轉(zhuǎn)換效率(數(shù)據(jù)來自CPIA、CPVS)

3.技術(shù)路線呈現(xiàn)多技術(shù)疊加趨勢。從產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線來看，PERC電池提效降本路徑主要是多種技術(shù)路線的有效疊加。目前，大尺寸硅片的導(dǎo)入是降低電池成本的一個有效途徑。目前，硅片的主流產(chǎn)品邊長為156.75mm。邊長為166mm和210mm的大硅片的引入，通過產(chǎn)能提高降低電池非硅成本。另外，在增效方面采用鈍化發(fā)射極、選擇發(fā)射極(SE)、多主柵細柵技術(shù)，在硅片方面采用少子壽命高的產(chǎn)品，采用堿鏈式拋光技術(shù)、高性能鋁漿和抗光衰技術(shù)等。

四、小結(jié)

通過對perc電池實驗室技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的研究，單晶perc電池在未來幾年任是商用太陽電池的主流。未來的發(fā)展趨勢是提效降本，呈現(xiàn)多種技術(shù)疊加趨勢。通過大尺寸高少子壽命硅片的引入、制備選擇發(fā)射極、鈍化發(fā)射極、先進減反射技術(shù)和先進的金屬化技術(shù)等進行疊加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會進一步提高。