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IBC,HIT,PERL高效率太阳能电池的发展现状与趋势L高效率太阳能电池的发展现状与趋势
2018-11-14 09:55:24   来源:ofweek太阳能网   作者:于红波采编  点击:

  华中科技大学教授博导曾祥斌表示,近年来光伏产业发展迅速,2011-2016年全球增量中光伏发电增量已超四分之一,预测2014-2022年间光伏发电增量占总增量的三分之一以上。目前光伏发电在全球发电总量中占比1%,发展空间巨大。而经过60年的努力,硅基电池效率普遍高于20%,最高达到26.6%,已经接近S-Q理论极限。


  在降本增效大趋势下,发展高效率电池成为了行业的当务之急。在演讲中,曾祥斌教授为现场观众分析阐述了几种常见的高效率晶体硅太阳能电池,包括IBC电池、HIT电池、PERL电池。


  一、IBC电池


  IBC电池(全背电极接触晶硅光伏电池)是将正负两极金属接触均移到电池片背面的技术,使面朝太阳的电池片正面呈全黑色,完全看不到多数光伏电池正面呈现的金属线。这不仅为使用者带来更多有效发电面积,也有利于提升发电效率,外观上也更加美观


  1.工艺及特点


  从工艺制程来看,IBC电池的工艺流程比传统太阳能电池复杂很多。IBC的关键工艺在于在电池背面形成交叉排列的p+区和n+区,以及在上面形成金属化接触。因此,IBC电池的制作需要采取局部掺杂法,比如利用光刻或者激光形成所需要的图案,然后采取两步单独的扩散过程来形成p型区和n型区。第二个关键工艺在于丝网印刷的对准精度问题和印刷重复性问题,因此对电池背面图案和栅线的设计要求非常高,必须在工艺可靠性和电池效率之间找出平衡点。


  目前,Sunpower研发的第三代IBC电池最高效率已经达到25%。应用层选择性激光工艺来制造POLO-IBC电池,功率转换效率已经达到26.1%,这是P型晶体硅太阳能电池的世界纪录效率。


  2.产业趋势


  IBC电池P-N结和电极全部在背面,完全消除了前表面栅线的遮光,量产平均效率可达23%。但IBC电池对硅片质量要求高,且制程相对复杂,因此成本高昂。使用工业化技术例如丝网印刷、管式扩散或离子注入来降低IBC电池成本。


  IBC电池成本是普通电池成本的2倍左右,这制约了IBC电池的大规模应用。随着中国一线光伏制造商的进入,以及新型工艺和新型材料的开发,IBC电池将沿着提高电池转换效率,降低电池制造成本的方向继续向前发展。IBC太阳电池的商业化应用和推广,有着广泛的前景。


  产能产量方面,国家电投集团太阳能电力有限公司西宁公司200兆瓦N型IBC电池及组件项目为中国首条量产规模IBC电池及组件生产线,2020年初投产后,将成为国内第一条电池转换效率大于23%的IBC量产示范线,组件功率达到330瓦(60片)。


  二、HIT电池


  异质结( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太阳能电池是日本三洋公司1997年推出的一种商业化的高效电池设计和制造方法。


  1.优势特点


  相较于传统单晶硅太阳能电池,其具有的优点如下:


  1.无需高温炉管制备,可降低生产耗能并缩短制备时间;


  2.借助非晶硅材料的高带隙性,可有效增加短波长光的利用;


  3.与传统单晶硅太阳能电池相比,其具有较高的转换效率;


  4.温度稳定性好。


  质结电池的优势在于超高电池转换效率,低制程温度以及可向薄型化发展。但是,由于设备初期投资高以及对制程工艺要求严格,大部分厂商对此技术仍在观望阶段。


  效率发展及技术趋势


  异质结电池具有能量转换效率高、简单的低温制造工艺、薄硅片应用、温度系数和CTM低、可双面发电等一系列优势。异质结电池实现低成本量产的关键在于设备国产化、提高良率和产能以及降低硅片、低温银浆、TCO靶材和清洗制绒化学品等成本。日本松下、上澎、晋能、福建金石和中智电力等已实现异质结电池量产。2018年,通威、爱康、彩虹等企业纷纷开建异质结电池产能,且均规划了GW级产能布局,热度可见一斑。


  在异质结太阳电池及组件的研发和生产领域,日本松下可谓一枝独秀,是目前市场上主流的异质结电池和组件供应商。该HIT技术(HIT为松下为其异质结技术注册的商标)起源于松下收购的三洋电机,随后松下通过反复改良电池结构,在2014年将IBC技术与HIT技术结合,研发出的HIT-IBC太阳电池最高效率达25.6%,一举打破了当时晶体硅电池转换效率的世界纪录。


  HIT电池虽然效率已达26%,成本也在逐渐降低,但发电成本仍然远高于传统方法的发电成本。为了满足国民生产对太阳能电池组件的需求,在以后的研究中,一方面应大力开发新技术在保证电池转换效率的前提下降低HIT电池的厚度;另一方面要用廉价材料代替昂贵的单晶硅材料来降低成本,如多晶硅。同时也可以通过开发新技术来降低单晶硅的生产成本。


  HIT电池今后努力的方向:研制低电阻低温浆料,优化沉积工艺,改善钝化层性能,寻求光透过率高及导电性好的发射层取代材料等。同时,精简工艺流程,尝试新型组件结构,进一步降低大面积制备成本,才能真正实现HIT异质结电池产业化。


  产业化发展趋势


  在高效异质结电池产业化方面,目前中智电力已在江苏泰兴建成首期两条高效异质结太阳电池生产线并投入量产,年产能160MW,平均转换效率已达22.8%,最高效率已超过23.5%,预计2018年底异质结平均转换效率将达23%。60片异质结电池双面双玻组件平均功率达325W,最高功率达到335W。


  此外,2018年5月,通威太阳能、上海微系统所、三峡资本在成都正式签订硅基异质结SHJ太阳能电池产业化战略合作协议。三方共同建设SHJ太阳能高效电池中试线和产业化运营,量产化SHJ太阳能电池光电转换效率将超过23%。五年后计划将实现超过10GW的SHJ太阳能电池技术的规模化、商业化、低成本化的产品转化。


  异质结太阳电池现阶段生产成本仍偏高。但随着更多企业的加入,以及设备国产化、硅片减薄、低温银浆用量的降低等,异质结电池的成本有望得到大幅降低,异质结技术路线将取得长足发展!


  三、PERL电池


  PERL(钝化发射极背部局域扩散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。1990年,新南威尔士大学的在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。2001年,PERL电池效率达到24.7%,接近理论值,是迄今为止的最高记录。


  效率发展及技术趋势


  N型PERT双面电池在近两年开始备受瞩目,其电池的特点是可以双面吸收入射光线,从而提升电池和组件的最终发电量。在目前技术阶段,N型双面电池的正面效率约为21.5%,背面效率约为19%。封装成双玻组件以后,如果假设背面可以吸光20%,那么组件的最终输出功率可以达到350W,然而行业内对双面电池和组件还没有一个统一的测量标准。


  在工艺制程方面,N型PERT电池比传统P型电池增加了硼元素掺杂(通过扩散diffusion或者APCVD工艺)和双面浆料印刷等工艺。由于N型PERT电池技术不需要使用激光工艺,因此制作工艺并不会对硅片造成额外晶体伤害。此外,N型电池具备零光致衰减、弱光效应好以及组件稳定性高等特点。最近两年,在N-PERT电池工艺的基础上,德国弗朗霍夫研究所开发出TOPCon (隧穿氧化层钝化接触)技术。通过在背面制备超薄氧化硅SiO2和掺杂多晶硅薄层Poly-Si,二者共同形成了接触钝化结构。该技术可以极大地降低背面的表面复合和金属复合,因此大幅度的提升N型电池的VOC和转换效率。


  PERL电池具有高效率的原因在于:


  1.电池正面采用“倒金字塔”,这种结构受光效果优于绒面结构,具有很低的反射率,从而提高了电池的JSC;


  2. 淡磷、浓磷的分区扩散。栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻;而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小,且短波响应好的要求;


  3.背面进行定域、小面积的硼扩散P+区。这会减少背电极的接触电阻,又增加了硼背面场,蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器,从而进一步提高了电池的转化效率;


  4. 双面钝化。发射极的表面钝化降低表面态,同时减少了前表面的少子复合。而背面钝化使反向饱和电流密度下降,同时光谱响应也得到改善;但是这种电池的制造过程相当繁琐,其中涉及到好几道光刻工艺,所以不是一个低成本的生产工艺。


  产业化发展趋势


  N-PERT和N-PERL电池结构简单,效率提升潜力大,可双面发电。英利、中来、林洋、LG等已经实现了N型单晶双面高效电池的量产。2018年9月底,在比利时布鲁塞尔举行的EU PVSEC大会上,Imec宣布,最新一代大面积单面丝网印刷背面发射极nPERT电池的转换效率达到了23.03%,已经通过弗劳恩霍夫ISE研究所认证。


  Imec表示,预计今年年底,nPERT技术的效率会达到23.5%,这种技术清晰的路线图指向的最终效率超过了24%。


  PERT/PERL电池由于比较大的效率提升潜力,相对比较简单的电池结构,且与现有产业化生产比较好的兼容性,成为近些年行业研究的热点,不同国家不同机构的研究人员开展了大量富有成效的工作。


  中国英利公司与ECN合作开发的PANDA双面电池已经实现大规模量产,并充分利用了原有电池线的生产设备;韩国LG公司利用离子注入工艺和丝网印刷实现量产的电池效率达到21.5~22%,是比较高的量产效率。


  需要特别指出的是德国Fraunhofer利用Topcon技术制备的n-PERT电池转化效率达25.1%,是非常值得产业界期待的技术路线。


  总结


  最后,经过一系列的分析,曾祥斌认为当下的高效电池具备以下5大趋势:


  1.高效率电池种类很多,产业化前景良好的主要是硅基电池。


  2.硅基电池中,发展空间大的是基于PERC(PERLPERT)系列太阳能电池。


  3.异质结电池是效率最高的一种硅基电池,目前是电池性能记录保持者,但市场空间有待进一步扩大。


  4.N型电池越来越受到重视和发展。到2020之前,预测可实现低成本批产平均效率大于23%的均为N型电池;到2021年,N型电池市场占有率将超过30%。


  5.新技术开发和先进技术的融合进一步提升电池性能。HJ-IBC,TOP-contact,N型衬底的结合等。


  4.N型电池越来越受到重视和发展。到2020之前,预测可实现低成本批产平均效率大于23%的均为N型电池;到2021年,N型电池市场占有率将超过30%。


  5.新技术开发和先进技术的融合进一步提升电池性能。HJ-IBC,TOP-contact,N型衬底的结合等。

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