表面钝化 陷光技术 增加背场高效电池绕不开的技术原理.docx
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表面钝化陷光技术增加背场高效电池绕不开的技术原理
表面钝化陷光技术增加背场，高效电池绕不开的技术原理
<序1> 转化率与可靠性是制约光伏产业发展的最大技术障碍，而成本控制与规模化又在经济上形成制约，很高兴看到年轻的赛拉弗如同一个斗士不停的向其宣战，更荣幸的是我们作为合作伙伴见证并参与了这一切。
——TüVSüD许海亮
<序2> 光伏行业在中国的发展只有短短十余年时间，但是，行业已经历了大发展和大萧条，无数人在这里膨胀，也在这里毁灭。
经历这些后，我们认为任何先进的生产设备都会被淘汰，而先进的技术和管理理念才是企业的核心竞争力。
如果所有的人，都忙着做所有的事，又有哪一个人能把所有事儿都做到最好？
而我们专注于光伏产品的研发和生产，从对客户的深度了解开始，提供市场需求的产品；致力于做精做好产品研发和生产的每一步。
在赛拉弗高效组件“日食”系列产品发布之前，光伏组件效率的提升主要集中在电池片技术上，如IBC，PERC，HIT等，几乎没有组件制造技术上的创新来提升组件效率。
在日食的研发阶段，遇到设备方面和工艺方面的困难。
我们联合了设备生产商，研发创新设备，改变传统封装工艺，使组件效率提高15%。
这是组件生产技术上的一个革命性的改变。
组件效率是光伏系统效率的关键因素，我们秉着专业的精神撰写了对高效技术的一些认知；之所以称为红宝书，是希望赛拉弗那一抹红能为光伏行业带来一点贡献。
在此感谢技术研发部和市场部的努力，为我们带来如此详尽的光伏电池和组件高效技术知识。
——席军涛
第一章高效组件的定义与分类
1.1晶硅组件发展进程 在全球变暖、人类生态环境恶化、传统能源短缺的形势下,太阳能产业成为各国政府的普遍重视和支持的能源之一。
受技术进步和法规政策驱动,光伏产业从 20世纪90年代中后期进入了快速发展时期。
自2007年，光伏产业链各环节的产能爆发式增长，到2016年，电池片有效产能达到70-75GW，晶硅组件85-90GW[1]。
光伏产业已成为世界发展最快的高新技术产业之一，并且由于太阳能的便捷和可再生特性,产业的快速发展态势还将持续。
虽然光伏产业近年来实现了大范围应用和技术进步,但由于光伏走的是一条政策扶持型路线，也存在不容忽视的技术和市场风险等方面的问题。
实际上，这一阶段的组件性能提高应当归功于晶硅电池产业链上各级优化的结果。
然而，随着晶体硅太阳能电池逐渐超过20%的光电转换效率，人们发现继续靠优化统的晶硅电池技术和工艺来进一步提高电池的效率就越来越困难了。
在中欧美等各国政府纷纷削减补贴，日欧等市场需求正积极从对组件效率要求相对较低的地面类项目转向对组件效率要求更高的屋顶类项目的当下，通过深化光伏技术创新及应用，降低成本、提高效率，最终实现完全市场化平价上网的成为光伏产业的最佳出路。
从某种程度上说，低成本高效电池的发展决定替代传统能源的主要能源是否是光伏以及替代速度。
从而，革命性的高效技术就受到了越来越多的重视。
1.2高效组件定义 由于太阳能光伏组件发展十分迅速，高效组件这一相对概念也在不断变化。
一般认为通过优化电池结构，改进主流组件制作工艺或使用新材料所获得的光电转换效率大幅提高的组件为高效组件，使组件性能提升的技术为光伏组件高效技术，简称高效技术。
彭博社报告显示，2015年多晶组件加Anti-Reflection （AR）Coating的平均转换效率为16.1%，多晶60片约260W；单晶组件加ARCoating的平均转换效率为17.1%，单晶60片约275W。
Figure1：
2015年晶硅组件平均转换率（Source：
BNEF）
以电池片技术为例，光电转化效率高于目前市场主流技术生产的MultiAl-BSF，MonoAl-BSF类型组件的组件即高效组件，它们所应用的电池技术即高效技术。
第二章高效组件的应用优势 2.1节省系统占地面积 同样的电力输出，面积需求大致减少5-10%，适合有限面积的安装环境。
2.2节省BOS成本 高瓦数输出组件有机会降低整体系统成本5%-8%，包括硬件成本和软成本的下降。
硬件成本：
支架、缆线、汇流箱的减少。
软成本：
组件个数减少，人工成本降低，管理成本下降。
2.3节省运输成本 随着组件的减少，跨国运输成本大致下降5-10%。
2.4高效组件市场占有率不断提升 基于高效组件的众多优势，其市场占有率正在逐年上升。
按电池片技术分类，2014年全球光伏装机总量为45GW，其中42GW光伏系统使用晶硅组件。
晶硅组件中，11%的产品使用常规技术（Al-BSF结构）以外的高效技术，较上一年增长4%。
2015年，全球光伏装机总量高达56GW，晶硅组件份额我们认为无明显下降，而高效组件在晶硅组件应用中的占比升至12%，即约6GW，显示出巨大发展潜力。
ITRPV预计今后高效组件的应用量将进一步上升。
第三章主要电池片技术 3.1技术原理概述 晶硅电池一直是太阳能电池应用的主导技术，占有绝大部分光伏市场。
主流晶硅组件的制造方法却与十几年前基本没有变化，组件的性能提高主要源于晶硅材料本身和辅料性能的改进，如正面银浆、背面铝浆的不断更新换代，改善正、背面金属接触性能，印刷网板的改进优化和正面银栅线的两次对准印刷等。
高效率晶体硅太阳电池的概念在上世纪80年代被提出，主要是引入了热氧化表面钝化技术，陷光效应和增加背场理论。
表面钝化：
热氧化生长的SiO2层可以得到极低的表面载流子复合速度，配合FZ（区熔）晶硅极高的体内载流子寿命，这种SiO2钝化的电池展示了大于700mV的极高的开路电压。
异质结也可以实现表面钝化效果，而采用a-Si（非晶硅）异质结，表面钝化效果十分优异，从而得到极高的开路电压。
陷光技术：
背面全反射镜与正表面绒面配合，使穿过硅片还没有被吸收完的红外光在电池背表面被反射回硅体内，而当这些红外光到达正表面时会被再次被反射回去。
理论上这种陷光效应可以使未被吸收的光线在电池中来回穿越最多4n2次（n为硅的折射率，约为3.5），4n2即50次，可以大幅提高电池的短路电流密度。
增加背场：
如在P型电池中背面增加一层P浓掺杂层，形成P/P结构，在P/P的界面就产生了一个P区指向P的内建电场。
内建电场所分离出的光生载流子的积累，形成一个以P端指向P端的光生电压，此电压与电池结构PN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压。
同时背电场使光生载流子加速，可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了少子收集几率，提高短路电流。
实际上，只要以上技术原理应用出色，并合理减小电池的内阻，各种电池结构都可以实现20%以上的光电转换效率。
3.2IBC电池 IBC（Interdigitatedbackcontact）电池选用N型衬底材料，前后表面均覆盖一层热氧化膜。
正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅复合膜与N层结合作为前表面电场，并制成绒面结构以抗反射。
背面利用扩散法做成P和N交错间隔的交叉式接面，并通过氧化硅上开金属接触孔，实现电极与发射区或基区的接触。
IBC电池的正负极均在电池片的背面，电池表面呈黑色、完全没有金属栅线，可大大增加电池的转换效率。
优势 这种把正面金属栅极去掉的电池结构有很多优点：
减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积；组件装配成本降低；交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分利于引出电流；外型美观。
应用 Sunpower已全面量产N型IBC电池，2015年其IBC电池出货量超过1GW。
2015年10月，Sunpower宣布其IBC电池效率达到25.2%（面积153.5cm2，FraunhoferISE测试），IBC组件全面积转化效率达到22%（面积1.57389m2），孔径面积转化效率达到22.8%（NREL测试）。
该公司预计2016年IBC电池出货量将达到1.6GW，平均转换效率为21.5%。
[2]
3.3HIT电池 HIT（Hetero-junctionwithIntrinsicThin-layer）电池即本征薄膜异质结。
常规电池的p-n结由导电类型相反的同种材料晶体硅组成的，属于同质结电池；而HIT电池的p-n结是由两种不同的半导体材料—非晶硅/晶体硅组成。
HIT电池以n型单晶硅片为衬底，在经过清洗制绒的n型c-Si两面分别沉积本征层、掺杂层、TCO以及印刷电极，这种对称结构便于减少工艺设备和步骤。
[3] 优势 1）结构对称，可双面发电：
由于HIT电池结构对称，正反面受光照后都能发电，可以做成双面电池组件。
在同样的光照条件下，组件背面能产生的电流约为前面的80%，发电量比单面组件多。
2）低温制造工艺，保护载流子寿命：
由于采用硅基薄膜形成p-n结，因而最高工艺温度就是非晶硅薄膜形成温度（约200℃）。
从而避免了传统热扩散型晶体硅太阳能电池形成p-n结的高温（约900℃），并减小硅片的热损伤和变形。
3）高开路电压特性：
由于在晶体硅和掺杂薄膜硅之间插入了本征薄膜i-a-Si:
H，且PECVD沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢能对其界面进行钝化，有效地降低晶硅表面缺陷，因此HIT电池的开路电压高，提升转换效率。
4）温度特性好：
当光伏组件的工作温度升高时，其输出功率和转换效率随温度的升高而下降。
由于HIT电池结构中的非晶硅薄膜/晶体硅异质结，温度特性更为优异，温度系数为-0.25%/℃，近晶硅电池的温度系数-0.45%/℃的一半。
在STC条件下功率相同的HIT组件与常规晶硅组件一天中的发电量比较，HIT组件能多发电8%～10%。
应用 日本Panasonic-Sanyo（2012年Sanyo太阳能电池并入Panasonic）在HIT领域可谓一枝独秀。
2013年，松下报道其商业规模的HIT电池最高电池效率达24.7%（电池面积约100cm2）。
2014年4月，松下将IBC技术与HIT技术结合，研发出的HIT-IBC太阳能电池最高效率达25.6%（电池面积143.7cm2），一举打破了晶体硅电池转换效率的世界纪录，并将这个最高效率保持至今。
松下HITTMDouble产线目前产能约900MW，计划将HIT电池总产能将提升至1GW以上。
随着松下公司关于HIT的主体专利在2010年到期，国内外诸多研究机构和企业都加大了对HIT技术的研发。
主流光伏设备供应商MeyerBurger于2014年11月正式开启其在瑞士的异质结太阳能电池中试线；美国光伏安装商SolarCity在2014年9月宣布破土动工其位于纽约州的新1GWp工厂，技术来源于其所收购的Silevo的隧道异质结型电池；我国也在“十二五”期启动了基于中试水平的MW级异质结太阳能电池产业化关键技术的863项目。
未来随着HIT电池扩产降本，必将得到更广泛的应用。
3.4PERC系列电池 三类背钝化（PERC/PERT/PERL）结构的共有特点是在传统铝背场的基础上增加了钝化层，更好地阻挡电子在背表面复合。
PERC（PassivatedEmitterandRearCell）技术利用SiNx或Al2O3在电池背面形成钝化层，作为背反射层，增加长波光的吸收，同时将P-N极间的电势差最大化，降低电子复合，从而提升电池转化效率。
[4]
PERT（PassivatedEmitter,RearTotally-diffused）技术在单晶硅电池表面用KOH腐蚀形成倒金字塔结构面，浅磷扩散形成前表面场（FSF），背面浅硼扩散形成发射结，然后在两面生长高质量的SiO2钝化层，通过光刻工艺在前电极下实现重磷扩散，背电极的点接触处实现重硼扩散。
前电极采用电镀工艺镀银背电极热蒸发铝形成点接触结构。
最后前面ZnS/MgF2双层减反射薄。
这种结构的电池虽然效率不错，但生产工艺复杂，并不适合工业化生产。
PERL（PassivatedEmitter,RearLocally-diffused）电池技术原理是钝化发射极，背面定域扩散[5]。
1990年，新南威尔士大学的赵建华在PERC电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池。
[6] PERL和PERT是PERC的加强版，因为在加钝化层之后又重度扩散（局部或全部）和硅片极性相同的材料，形成又一个背电场。
在各种高效产品中，PERC性价优势最为明显，拥有较高市场竞争力。
优势 细数光伏技术史，LaserIsolation、SelectiveEmitter（SE）、LaserDoping、DoublePrint等各有拥护者，但都因为量产碰到瓶颈、产出降低以及工艺步骤增加等造成技术导入性价比不高导致难以风行。
相较之下，PERC仅需增加BackPassivation及LaserGrooving两道工艺，每条产线增加的成本不超过六百万美元，量产时额外增加的制造成本每瓦仅2-4美分，效率却能有显著提升，而且传统电池片技术的优化同样能体现在PERC的效率提升上，应用灵活。
使得台湾厂商在2013~2014年间大举导入PERC机台，PERC技术就此开始风行。
应用 据EnergyTrend统计，2014年底全球的PERC产能约2.5GW，其中台湾就占了1GW；2015H2台湾厂商的扩产趋缓，然而世界主要大厂HanwhaQ-CELLS、Trina、JASolar和SolarWorld的大举扩张让整体PERC产能的版图产生不小的变动。
动辄300MW、500MW的扩产幅度也让PERC产能持续扩张。
除了PERC效率持续提升之外，不少厂商也预估若全球PERC产能扩大后、势必能降低PERC材料成本的价格，每瓦额外制造成本仍有下降空间。
3.5其他电池技术 双面N型电池 双面电池利用SiO2/SiNx在太阳能电池的双面进行表面钝化和制备双层减反射膜，获得最好的电池效率为18.3％。
双面N型电池是GammaSolar公司研发的一 种新型结构。
在N型CZ单晶硅基底上，正面扩散硼形成P发射结，背面扩散磷形成N背表面场。
详细的工艺我们无法知晓，该公司称在180μm厚、156mmx156mm的N型硅片上两面效率均达到了17%。
MWT电池 MWT（MetalWrapThrough）电池，即金属缠绕式电池，或称金属穿孔卷绕电池。
与常规电池相比，MWT电池技术是采用激光打孔、背面布线的技术消除了正面电极的主栅线，正面电极细栅线搜集的电流通过孔洞中的银浆引到背面，这样电池的正负电极点都分布在电池片的背面，有效减少了正面栅线的遮光，提高了转化效率，同时降低了银浆的耗量和金属电极-发射极界面的少子复合损失。
金属电极绕通还可以实现双pn结结构，即通过金属化通道将前结和背结连接起来，共同收集载流子，提高分离和收集载流子的效率，对于少子寿命较低的硅衬底采用此种结构仍可获得较高的短路电流，降低了对Si材料的要求。
EWT电池 EWT（EmitterWrapThrough）与MWT电池不同的是，在EWT电池中，传递功率的栅线也被转移至背面。
与MWT电池类似，EWT电池也是通过在电池上钻微型孔来连接上、下表面。
相比MWT电池的每块硅片约200个通孔，EWT电池每块硅片大约有2万个这种通孔，故激光钻孔成为唯一可满足商业规模速度的工艺。
生产工业化大面积硅片的EWT电池对技术要求很高，比如无损伤激光切割的实现、丝网印刷对电极形状的限制、孔内金属的填充深度以及发射极串联电阻的优化等。
由于EWT电池正面没有栅线和电极，使模组装配更为简便，同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子，使光生电流有大幅度的提高。
利用这种新型几何结构生产出来的早期电池获得了超过17%的效率。
[7] OECO电池 OECO（ObliquelyEvaporatedContact）为倾斜蒸发金属接触硅太阳能电池，德国ISFH研究所从上世纪九十年代开始对其进行研制[8]。
与其他高效电池相比，具有结构设计新颖、制作简单、电极原料无损耗、成本低廉和适合大批量生产等优点。
OECO电池结构基于金属－绝缘体－半导体（MIS）接触，利用表面沟槽形貌的遮掩在极薄的氧化隧道层上倾斜蒸镀低成本的Al作为电极，无需光刻、电极烧穿、电极下重掺杂和高温工艺即可形成高质量的接触，并且一次性可蒸镀大批量的电池电极[9]。
更为重要的是当这种电池制作面积从4cm2扩大到100cm2时，效率也只是从21.1％略微降到20％，仍然属于高效范围，所以这种电池更适宜于工业化。
电池的表面由许多排列整齐的方形沟槽组成，浅发射极n位于硅片的上表面，在其上有一极薄的氧化隧道层，Al电极倾斜蒸镀于沟槽的侧面，然后利用PECVD蒸镀氮化硅作为钝化层和减反射膜此外，还有Topcon，Hybrid等其他电池技术，在此不做详述。
第四章组件端技术 4.1切片及叠瓦技术 传统组件电池片之间采用汇流条连接结构，大量汇流条的使用，增加了组件内部的损耗，降低了组件转换效率，同时单片电池片的差异在串联结构下，反向电流对组件影响会增加，从而产生热斑效应而损坏组件甚至影响整个光伏系统的运转。
切片技术将电池片栅线重新设计成可合理切割成小片的图形，使切割后每个小片的正负极按照叠瓦的设计工艺。
再将每小片焊接制作成串，并且摒弃了传统的焊带串接电池结构，将串经过串并联排版后层压成组件，这样充分利用组件内的间隙，在相同的面积下，可以放置多于常规组件13%以上的电池片，并且由于此组件结构的优化，采用无焊带设计，大大减少了组件的线损，大幅度提高了组件的输出功率。
优势 降低焊带电阻对组件功率的影响。
保证组件封装过程中的最小功率损失；降低了反向电流对组件产生热斑效应的影响；可融合多种电池片产业化新技术，叠加效果甚至要好于单个技术增益的相加。
应用 赛拉弗公司Eclipse采用无主栅以及创新性的电气设计，降低了组件内部损耗，有效提高组件功率，单块组件最高输出功率提升10%以上，相同60片版型的组件最高可以达到340W以上。
同时大幅度降低了热斑效应的产生。
同等阴影遮挡影响情况下，Eclipse产生的热斑发热量相当于传统组件的50%，降低了热斑效应的风险。
4.2SWCT SWCT（SmartWireConnectionTechnology）对传统电池工艺的革新体现在金属化和互连两个工艺中，电池在PECVD减反射镀层后网印细栅，而后不网印主栅，而是将一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在电池正面。
这层薄膜内嵌的铜线表面也镀有特别的低熔点金属，在随后的组件层压工艺中，层压机的压力和温度帮助铜线和网印的细栅结合在一起。
这些铜线的一端汇集在一个较宽的汇流带上，在同一步层压工艺中连接在相邻电池的背面。
[10]
与传统3主栅技术相比，由于铜线的截面为圆形，制成组件后可以将有效遮光面积减少30%，同时减少电阻损失，组件总功率提高3%。
由于30条主栅分布更密集，主栅和细栅之间的触点多达2660个，在硅片隐裂和微裂部位电流传导的路径更加优化，因此由于微裂造成的损失被大大减小，产线的产量可提高1%。
更为重要的是由于主栅材料采用铜线，电池的银材料用量可以减少80%。
MeyerBurger称使用该技术的组件已经在世界各地的电站项目拥有了200MW的安装量。
技术原理与之相似的，还有德国太阳能设备制造商Schmid的无主栅技术MultiBusbar。
优势 SmartWire的优势主要在于通过减少遮挡和电阻损失增加组件功率，使用铜线代替银主栅降低成本。
传统技术往往在提高效率的同时增加了成本，但SmartWire实现两者兼得。
更是突破了传统的电池组串工艺，使电池排布更自由，更紧密，组件更小更轻，对项目开发来说，意味着更小的占地面积，更低的屋顶承重要求和更低的人力成本。
此外，SmartWire作为一种电池互连技术与其他技术广泛兼容。
不但可以搭配网印电极和镀铜电极，还可以用于异质结的ITO。
第五章现存问题 5.1成本控制 行业对成本下降的追求从规模化生产伊始持续至今，各大光伏企业都在为制造能与传统能源和其他可再生能源在能效与售价上竞争的组件不懈努力，以求太阳能供能系统从靠各国补贴存活到完全市场化。
光伏组件近两年价格持续下降的历程从下图可见一斑。
从历史数据来看，LCOE的下降是源于技术研发带来的效率提高和产业规模扩大的经验曲线效应，持续提高组件效率正是行业市场化进程的重要一步。
组件输 出瓦数的提升关系整体系统成，可以降低系统BOS成本,如支架、缆线、汇流箱及土地面积。
对高效组件降本，实现项目LCOE的进一步下降则是技术研发的根本目的。
不过高瓦数输出的组件通常代表需使用价格较高的高效电池片或更精密的封装技术。
目前高效组件项目初投资偏高问题持续存在。
近两年晶硅组件价格下降约20%，使高效组件的性能优势愈发不明显，图为晶硅组件的能效和价格关系图，可以看出，价格的差距远高于效率提升。
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