高效太陽電池技術及其核心裝備國產化進展

鄭達敏,趙增超,3,劉 舟,文建峰,周 翠

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司,湖南 長沙 410000;2.國家光伏裝備工程技術中心,湖南 長沙 410000;3.中國電子科技集團第四十八研究所,湖南 長沙 410000)

0 引言

為了實現“碳達峰、碳中和”目標,光伏發電不僅要大幅增加產業規模,更要持續降低發電成本[1]。過去十年間,光伏發電度電成本已經從0.378 $/kW·h,降至0.06 $/kW·h以下,降幅達82%[2]。這主要得益于光伏電池的效率提升,相關測算表明,太陽電池效率提升1%,促使光伏發電成本下降7%以上。當前主流的太陽電池——鈍化發射極及背接觸(Passivated emitter and rear contact,PERC)電池的量產效率已可達22.8%[3],但其已接近瓶頸效率23.2%[4]。未來10年內,以隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel oxide passivated contact,TOPCon)電池和異質結(Hetero Junction Technology,HJT)電池為代表的高效率太陽電池將取代PERC電池成為市場主流[5]。

1 高效TOPCon電池與技術

1.1 TOPCon電池

基于N型硅襯底的TOPCon太陽電池,其結構具有高質量表面鈍化(低復合電流密度)的異質結表面場,避免了金屬電極與硅片直接接觸所造成的接觸區復合,故可實現效率提升。TOPCon電池的極限理論效率可達到26.6%[6],而從目前TOPCon量產的情況看,最高效率難以達到25%,存在提升空間。

相比PERC電池,TOPCon電池還具備以下優點：

(1)電池的襯底為N型硅,其光致衰減效應接近于零；

(2)電池基體少子壽命高,其弱光響應好,輻照強度低于400 W·m-2仍可發電；

(3)如圖1所示,電池為雙面結構,在任何角度都可以增加光吸收,且背面轉換效率可達到正面的85%以上。

圖1 TOPCon電池結構示意圖[7]

1.2 TOPCon電池工藝

TOPCon是一種新型鈍化接觸技術,該技術在電池表面使用一層超薄的氧化層和摻雜的薄膜硅進行鈍化。同時,超薄氧化硅減少了表面態保持了較低的隧穿電阻,摻雜薄膜硅提供了場致鈍化并對載流子選擇性透過,與硅基底形成良好的鈍化接觸。如圖2所示,當前主流的TOPCon技術由清洗制絨、硼擴散、濕法刻蝕、SiOx/非晶硅膜沉積、P擴散/高溫晶化、正面AlOx/SiNx沉積、背面SiNx沉積、絲印燒結等工序組成。

圖2 TOPCon電池工藝路線

與傳統PERC電池工藝相比,TOPCon工藝增加了硼擴散與接觸鈍化層(SiOx/非晶硅膜)沉積兩個環節。硼擴散工藝可通過擴散爐實現,常用氣源為BBr3,通過低壓方式擴散進入襯底材料當中。接觸鈍化層制備有LPCVD/PECVD/PEALD等技術路線,其中LPCVD工藝最為成熟,成為目前市場主流。LPCVD制備多晶硅膜結合傳統的全擴散工藝。該工藝使用LPCVD制備背表面SiO2膜并制備多晶硅膜。先使用LPCVD制備SiO2膜,然后在600～700℃的溫度制備本征非晶硅膜[8]。然而,受這兩項環節的擴散爐與多晶硅沉積裝備的影響,電池載流子傳輸與鈍化性能仍有待提升,導致其量產效率與實驗室效率相差2%以上。

2 高效HJT太陽電池與制造工藝

2.1 HJT太陽電池

HJT太陽電池是一種利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太陽電池。其結構由n型單晶襯底、光照側p-i型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)、背面側i-n型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)以及兩側透明電極和集電極構成具有對稱結構。非晶硅鈍化的對稱結構可以獲得較低的表面復合速率使得HJT電池可以獲得更高效率。目前,HJT電池的實驗室最高效率為25.7%[9],國內以通威為代表的HJT量產電池片平均效率達到24.3%。

同樣相比PERC太陽電池,HJT電池具備以下優點：

(1)更高的雙面率。如圖3所示,HJT電池由于其獨特的雙面對稱結構使其更易于制作成雙面電池組件,目前雙面率已突破90%。

圖3 HJT電池結構示意圖[10]

(2)更低的衰減。HJT電池不會出現硼氧復合因子從根本上避免了初始光衰的現象。

(3)更優秀的溫度系數。HJT組件的溫度系數為-0.23%,使得HJT組件可以在同等環境下有更加優異的發電表現。

(4)更大的降成本潛力。HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),工藝步驟也更為簡便,制造成本具備很大下降空間。

2.2 HJT電池工藝

HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),制造成本具備很大下降空間。如圖4所示,其工藝步驟也更為簡便,只有四步：(1)N型硅片通過優化硅的表面織構。(2)通過PECVD在晶硅表面沉積i/p非晶硅和i/n非晶硅。(3)通過濺射技術在電池兩面沉積透明ITO。(4)通過絲網印刷技術在ITO上制作銀電極[11]。

圖4 HJT電池工藝路線

由于HJT電池是晶體硅和非晶硅相結合的異質結構,其制約著電池效率的提升難點在于：(1)制備高品質納米級非晶硅基薄膜材料的設計與生長；(2)大面積低損傷高品質ITO薄膜的均勻生長。

就ITO薄膜制備工藝而言,存在磁控濺射(基于PVD的沉積技術)和離子反應鍍膜(RPD)兩種工藝路線,RPD裝備產能低售價高,且受到專利限制(目前專利權為日本住友擁有),而PVD濺射鍍膜膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩定可控,工藝重復性較好,靶材壽命較長,適合連續生產,行業普遍認可PVD是主流技術。針對異質結非晶硅薄膜沉積也主要有兩種工藝方法：等離子體增強化學的氣相沉積法(PECVD)與熱絲化學氣相沉積(HWCVD),前者是目前非晶硅薄膜沉積環節主流技術,工藝成熟度較高；后者具備更好的鈍化效果,但裝備維護成本高,因此目前產業應用相對較少。

3 TOPCon電池技術核心裝備

3.1 硼擴散爐

擴散爐[12]是半導體加工中的熱處理裝備,已經廣泛應用于集成電路、分立器件、太陽能光伏行業中的擴散、氧化工藝,特別適用于對結深和均勻性指標要求高的場合。低壓擴散是太陽能光伏生產中關鍵環節,低壓擴散爐裝備的性能直接影響電池的效率和產能。低壓硼擴散工作時,液態或氣態硼源經載氣攜帶進入高溫低壓環境下石英管中,在硅片表面與硅反應生成硼原子,硼原子擴散進入硅片,形成PN結。目前,國際先進低壓擴散主要集中于歐洲少數幾家公司,與歐美等發達國家相比,我國低壓硼擴散爐技術研究起步比較晚,對比低壓擴散爐的關鍵參數如圖1所示。

表1 硼擴散爐關鍵參數

對比進口裝備來看,國產裝備的產能有優勢,但裝備性能方面存在問題,如方阻均勻性較低、裝備正常運行時間低等問題,一定程度上影響了電池片的效率及方阻均勻性。除此之外,國產設備在實際生產當中易出現石英件易粘連的問題。隨著TOPCon電池的推廣應用,國內光伏裝備仍需突破高溫真空密封技術、快速回溫控制技術、高精度溫度控制技術、壓力精確控制技術、尾氣防腐處理技術、自動控制技術、自動上下料及自動傳輸等硼擴散技術,以提升設備的性能。

3.2 LPCVD裝備

低壓化學氣相淀積裝備[13](Low PressureChemical Vapor Deposition,LPCVD)是TOPCon電池制備多晶硅薄膜的關鍵裝備。由于其制備的薄膜具有質量優異、均勻性好、產量高的特點,廣泛應用于微電子等行業中氧化硅、氮化硅和多晶硅等薄膜的制備。目前工藝裝備現階段卻僅有Tempress、Centrothem、Semco、P-Tech等國外裝備廠商研發并推出了TOPCon電池用量產型LPCVD裝備,國內LPCVD裝備尚處于不成熟階段,隨著晶硅電池技術不斷升級換代,LPCVD裝備具有巨大的市場潛力。對比LPCVD裝備的關鍵參數如表2所示。

表2 LPCVD裝備關鍵參數

對比進口裝備來看,國產裝備雖然產能大,但穩定性與工藝水平不如進口裝備。仍存在低壓工藝難以控制,成膜均勻性不高,影響了太陽能電池的效率、產能以及成本。不僅如此,國產LPCVD裝備在運行過程中易產生非晶硅并附著在石英器件上,導致石英器件使用壽命降低、裝備維護周期縮短。未來國產裝備需攻克高溫真空密封技術、高精度溫度控制技術、壓力精確控制技術、自動上下料及自動傳動等技術,實現單管產能2 000片/管,本征非晶硅均勻性5%以內,提高國際市場上裝備競爭力。

4 HJT電池技術核心裝備

4.1 PVD裝備

物理氣相沉積裝備[14](Physical Vapor Deposition,PVD)。其膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩定可控,工藝重復性較好,靶材壽命較長,適合連續生產,是HJT電池制備ITO薄膜沉積的關鍵裝備。當前PVD裝備以國外供應商為主,主要有Von Ardenne、Meyer Burger、Singulus等公司。Von Ardenne目前開發了兩種ITO薄膜沉積裝備,產能高達1 200片硅片/h,適用于疊層太陽電池處理。Meyer Burger開發一個名為HELiA PVD應用PVD技術的ITO薄膜鍍膜系統,可實現同時在硅片正面和背面實現薄膜沉積,旋轉靶材的利用率、產量高和生產成本低,裝備產能可達3 000片硅片/h。Singulus公司研制了一種水平內聯濺射裝備,可以同時沉積在硅片的正面和背面,不需要翻轉硅片破壞真空環境,最大產能可達5 200片硅片/h。

表3 PVD裝備關鍵參數

從國產裝備來看,其性能參數與進口設備差異不大,基本均可在真空、無翻轉的情況下實現雙面薄膜沉積,多數裝備還具備完善的自動化配套設施以及模塊化結構,并搭載旋轉靶提高靶材利用率,單臺產能已實現較高水平,可見,產能提升并非PVD裝備向上優化的瓶頸,努力方向在于改善TCO薄膜透光性、均勻性、傳導性等指標進而提升電池轉換效率。另一方面,PVD主要采用ITO和SCOT靶材,靶材的選擇決定了薄膜的光電特性,進而影響電池轉換效率,隨著靶材配方的探索改進,ITO薄膜的光電性能亦有所提升,進一步改善電池轉換效率。因此,未來設備隨靶材的優化有望帶動轉換效率進一步提升。

4.2 PECVD裝備

等離子體增強化學氣相沉積[15-16](Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)。將低壓氣體放電形成的等離子體應用于化學氣相沉,廣泛用于半導體、光伏領域。在制備HJT電池過程中可實現非晶硅薄膜沉積。從技術路徑上：板式PECVD是目前主流,管式PECVD具備潛力,板式PECVD的優勢在于：技術最成熟,易實現大面積均勻性,材料缺陷態密度低；管式PECVD相比較板式PECVD,其降低生產成本端有更大的下降空間。

當前PECVD裝備仍以進口為主。國外廠商包括：梅耶博格、應用材料等,其中Meyer Burger通過優化等離子體技術,開發一種稱為S-Cube等離子體技術,有助于實現極低污染和均勻沉積,裝備產能達到2 400片硅片/h。

表4 PECVD裝備關鍵參數

對比進口裝備來看,國產裝備在裝備產能、成膜均勻性、裝備有效運行時間等裝備關鍵指標上存在差距。同時在預熱、控溫精度、清洗、傳動方式等可能影響裝備性能的因素上同樣需持續挖潛,推動裝備不斷迭代。PECVD裝備未來的主要優化方向是在保證鍍膜質量的同時提升裝備產能,且硬件成本的增加幅度需盡可能小于產能提升幅度,從而達到降本的目標。

5 結論

當前,高效太陽電池技術的發展受核心裝備影響,電池效率有待提升。國產裝備的性能與穩定性還不完全成熟,難以滿足太陽電池在效率、良率、產能方面的需求。對于硼擴散裝備而言,方阻均勻性及裝備產能等仍有待改進。對于沉積裝備LPCVD、PECVD、PVD而言,制備薄膜的均勻性和穩定性有待提升。因此,研制替代進口裝備的高性價比國產化裝備成為產業持續發展的必然選擇。