晶硅电池技术是以硅片为衬底,根据硅片的差异区分为P型电池和N型电池。两种电池发电原理无本质差异,都是依据PN结进行光生载流子分离。在P型半导体材料上扩散磷元素,形成n+/p型结构的太阳电池即为P型电池片;在N型半导体材料上注入硼元素,形成p+/n 型结构的太阳电池即为N型电池片。
P型电池制作工艺相对简单,成本较低,主要是BSF电池和PERC电池。2015年之前,BSF电池占据90%市场;2016年之后,PERC电池接棒起跑,到2020年,PERC电池在全球市场中的占比已经超过85%,且目前以双面PERC为主。
PERC(Passivated Emitter Rear Cell)——发射极及背面钝化电池技术,与常规电池不同之处在于背面,PERC电池采用了钝化膜来钝化背面,取代了传统的全铝背场,增强光线在硅基的内背反射,降低了背面的复合速率。
从而使电池的效率提升0.5%-1%。2020年,规模化生产的单/多晶电池平均转换效率分别达到22.7%和19.4%。P型单晶电池均已采用PERC技术,平均转换效率同比提升 0.5个百分点。
由于P型单晶硅PERC电池理论转换效率极限为24.5%,导致P型PERC单晶电池效率很难再有大幅度的提升;并且未能彻底解决以P型硅 片为基底的电池所产生的光衰现象,这些因素使得P型硅电池很难有进一步的发展。与传统的P型单晶电池和P型多晶电池相比,N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长 等优点。
双面P-PERC电池结构
注释:
1、Front metal grid(Ag):前表面金属银电极
2、Front ARC and passivating coating(SiNx):前表面氮化硅钝化层
3、n+(phosphorous)emitter:磷层发射极,称为n+层
4、p-type Si:P型基底硅层
5、p++local Al BSF:局部铝背场,称为p++层
6、Rear metal grid(Al):金属铝背电极
7、Rear ARC and passivating coating(Al2O3/SiNx):背钝化层,Al2O3带负电,可作为P型的背钝化层,抑制电子
单双面P-PERC电池工艺生产流程
N-TOPCon电池结构
两种工艺生产流程
N-HJT电池结构及工艺流程
N-HJT工艺生产流程
IBC(Interdigitated Back Contact)——交叉指式背接触电池技术。将P/N结、基底与发射区的接触电极以交指形状做在电池背面。核心技术:如何在电池背面制备出质量较好、成叉指状间隔排列的p区和n区。通过在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩膜层,掩膜层上的硼经扩散后进入N型衬底形成p+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成n+区。
前表面制备金字塔状绒面来增强光的吸收, 同时在前表面形成前表面场(FSF)。使用离子注入技术可获得均匀性好、结深精确可控的p区和n区,电池正面无栅线遮挡,可消除金属电极的遮光电流损失,实现入射光子的最大利用化,较常规太阳电池短路电流可提高7%左右。
由于背接触结构,不必考虑栅线遮挡问题,可适当加宽栅线比例,从而降低串联电阻且有高的填充因子;可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计,可得到较低的前表面复合速率和表面反射,从而提高Voc和Jsc;外形美观,尤其适用于光伏建筑一体化;但IBC电池成本较高尚未产业化,IBC电池制程工艺复杂,多次使用掩膜、光刻等半导体技术,成本几乎为常规电池的两倍。
N-IBC电池结构
注释:
1、SiNx Coating:氮化硅反层
2、N+FSF:N+前表面场
3、n-Cz Wafer:N型基底硅片
4、P+emitter:P+发射极
5、N++BSF:N+背场
6、Al2O3 passivation layer:氧化铝钝化层
7、SiNx Coating:氮化硅减反层
8、Ag Grid:银电极
N-IBC工艺生产流程
P-IBC技术,是在隆基出来后大家才开始比较关注,隆基的P-IBC技术为HPBC,以P型硅片为基底。其实早在16-17年TNO宣传P型IBC结构。P-IBC加了个LPCVD其他的与PERC兼容,激光有点差别,90%兼容。P-IBC背结结构,效率有优势,目前还是偏向于单面,双面率不到50%,定位成分布式产品。P-IBC有机会成本与PERC接近,效率做上去就是24.5%-25%,实现1-3分人民币/W成本差距。
两种P-IBC电池结构
工艺流程①:刻蚀掩膜
工艺流程②:全激光
江苏日托于2021年3月申请的专利《一种P型IBC电池的制备方法》,采用P 型硅片作为衬底,正背面均无需硼掺杂,且不需要掩膜和光刻,工艺步骤简单,将传统 IBC复杂的过程(18步)简化为12步,生产成本明显降低。
S01:对P型单晶硅基底进行化学清洗和碱抛光,去除硅基底表面的机械损伤层和污 染物,且使硅基底正背表面形貌较为平坦。
S02双面沉积氧化硅和非晶硅膜层:抛光后的基底正背面沉积氧化硅层和非晶硅 层。
S03背面P扩散、退火:对背面非晶硅层进行磷掺杂处理,后高温退火处理,非晶硅 转化为多晶硅。
S04背面激光刻蚀:利用纳秒级或皮秒激光对背面进行图案化处理。
S05去除正侧面PSG:在S02和S03过程中,同时会在基底正面以及侧面形成磷硅玻璃层,即PSG,采用HF酸去除;
S06碱制绒:利用KOH溶液使基底正面和背面局部区域构造为金字塔绒面结构。
S07双面沉积AlOx膜层:以原子层沉积方式在基底正背面沉积一层致密的氧化铝薄 膜。
S08背面沉积减反射膜层:以PECVD的方式在基底背面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜。
S09正面沉积减反射膜层:以PECVD的方式在基底正面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜。
S10背面激光开膜:利用纳秒级或皮秒级激光对背面减反射层和钝化膜叠层进行开 膜处理
S11丝网印刷正负电极:N区印刷负电极Ag浆,P区印刷正电极Al浆。
S12烧结:正电极Al浆和负电极Ag浆共烧结,形成良好的欧姆接触。
这种方法的变化在于(1)利用P型单晶硅衬底作为P区,正背面均无需硼掺杂,且无 需掩膜和光刻,工艺步骤简单;(2)P区正电极采用Al浆,Ag浆使用量降低50%,且采用P 型单晶硅作为基底,明显降低了生产成本。激光设备在此方法下得到比较好的应用。
设备环节省去了比较昂贵离子注入和光刻掩膜设备,金属化环节采用高温银浆与铝 浆,金属化成本同步降低,增加设备仅为激光设备与部分清洗设备,初步估计改良后P 型IBC设备与PERC/TOPcon设备成本较为接近,龙头企业规模化采购,降低投资成本,预计单GW投资额约在1.9-2.1亿元。
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