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光伏电池|深度｜主流光伏电池效率提升方式与潜力分析

电池光伏电池perc硅片topconhjt

来源 | 索比咨询
在新一轮的技术竞赛中 ，HJT ， TOPCon谁会胜出？PERC还有多少的提升潜力？未来电池的理想形态又是什么？
二十年来 ，主流光伏电池的转化率从2000年的12%左右稳步提升到今天的23%以上左右 ， 提升了一倍 。 目前主流的PERC电池遇到了瓶颈 ， 行业在寻求通过改进或其它路线的新技术实现效率进一步提升 。 而这些新技术、新工艺种类繁多 ， 即使是研发人员众多的光伏巨头企业 ， 也持有不同意见 。
本文根据晶体硅太阳电池各种工艺、技术的特点 ， 对电池组件增效技术进行梳理分类 ， 希望能够通过简化的光伏技术“全景图” ， 助力产业更好做出判断 。
晶体硅光伏电池结构设计中的考虑要素
晶体硅光伏电池设计时 ， 要考虑的关键要素包括三个方面：
1 ， PN结
2 ， 表面增效措施
3 ， 光生电流的导出方式
█PN结的设计：P-CELL、N-IBC、N-PERT、HJT
作为光伏电池中必不可少的核心结构 ， PN结起着分离光生载流子的作用 ， 即将硅片中因光子被吸收而产生的正电荷往P型一侧驱赶、负电荷往N型一侧驱赶 ， 从而实现光伏发电 。
P型硅片和N型硅片的区别是P型硅片中的少数载流子（电子）的寿命较短 ， 而N型硅片中的少数载流子（空穴）的寿命较长 ， 因而N型电池具有比P型电池较更较更高的转换效率的潜力 。
如图1所示 ， 考虑到N型硅片和P型硅片中少数载流子寿命的长短不同：P型硅片因其少数载流子寿命较短需要将PN结制备在电池的正面 ， 这样 ， 产生的正、负电荷就分别从电池的背面和正面收集 ， 即典型的P型电池 ， P-Cell；N型硅片因其少数载流子寿命较长而可以将PN结制备在电池的正面或背面 。 将PN结制备在电池背面 ， 而正、负电荷同时在电池背面收集 ， 即为N-IBC电池 ， 其另一优势是还可以避免因正面电极的遮光而进一步提高光电转换效率；将PN结制备在电池正面时 ， 而电池的正、负电荷分别从电池的正面和背面收集 ， 即为N-PERT电池 。
以上形成PN结的方式均采用高温扩散法 。 而用低温薄膜沉积的方法 ， 将非晶硅层沉积在N型硅片上形成PN结 ， 而正、负电荷分别在电池背面和正面收集 ， 即为HJT电池 ， 其最大特点是可以实现全表面钝化 ， 从而最大程度地降低表面复合 。 可以看出 ， 形成PN结的方法有扩散法（P-Cell, N-IBC和N-PERT）和薄膜沉积法（N-HJT） 。 因此 ， 我们所说的P-Cell、N-PERT、N-IBC或N-HJT ， 是从PN结的结构来划分的 。
图1：晶硅电池对的几种基本PN结的设计方式 。
█表面增效措施：PERC与TOPCon
具有PN结只代表电池具有光电转换功能 ， 而其光电转换能力 ， 即转换效率 ， 还受制于很多因素 ， 包括表面对光的反射、表面电极对入射光的部分遮挡、表面缺陷导致的光生载流子的复合损失等等 。 为了尽可能地利用太阳光和降低光生载流子的损失 ， 各种工艺、技术应运而生 。
1）表面制绒(TEXTURE)
我们知道 ， 裸硅片表面对光的反射率超过30% 。 为降低硅片表面对光的反射率 ， 通常在硅片表面制备出凹凸不平的绒面结构 。 目前典型的工艺是：采用碱腐蚀方法 ， 在单晶硅片表面制备出1-2微米尺寸的金字塔状结构；而采用酸腐蚀方法 ， 在多晶硅片表面制备出黑硅结构 。 这样 ， 可以初步将单晶和多晶硅片表面的反射率降低到10%以下 。
2)表面氮化硅薄膜减反射(ARC, Anti-reflection Coating)
尽管表面绒面已大大降低了硅片表面对光的反射 ， 根据光学原理 ， 在硅片表面沉积一层厚度和折射率合适的介质膜 ， 将会进一步降低硅片表面对光的反射至4~5% ， 甚至更低 ， 从而最大程度地利用入射光 。 目前最常用的工艺是利用等离子化学气相沉积法（PECVD）在硅片正面沉积一层氮化硅薄膜 。
3)正表面氮化硅薄膜钝化(SiN Passivation)
由于表面原子排列缺陷的存在 ， 造成硅片里产生的光生载流子在表面区域发生复合损失 ， 从而降低转换效率 。 通过大量的研究发现 ， 利用PECVD方法沉积的含有H的氮化硅薄膜对降低光生载流子在表面的复合非常有效 。 因此 ， 目前PECVD方法沉积的氮化硅薄膜已广泛应用于晶硅电池的正面减反和缺陷钝化 。
4)铝背场(BSF, Backside Field)
如前表面一样 ， 背表面的存在也同样会使光生载流子发生复合损失 。 为了降低背表面区域光生载流子的复合损失 ， 业内首先采用在硅片背表面印刷一层铝浆料 ， 然后再通过烧结形成硅铝合金层 ， 该合金层与硅体形成一电场（称为铝背场BSF） ， 其作用是将运动到背表面区域的少数载流子（电子）驱赶回硅体材料内 ， 从而降低光生载流子在背表面的复合损失 ， 达到提高转换效率的目的 。
5)钝化发射极和背面电池技术(PERC, Passivated Emitter and Rear Cell)
背面铝背场的使用对提高晶体硅电池的转换效率及商业化起到了很大的推动作用 。 但随着材料技术和生产技术的进步 ， 如前所述 ， 正面采用氮化硅钝化对降低正表面复合取得了很好的效果 ， 而人们一直期待在工业化生产中 ， 能有比铝背场更有效的降低背表面处的光生载流子复合损失的方法 ， 这就是近年来被行业广泛采用的新一代的PERC技术 ， 即通过在电池背面沉积AlOx+SiNx复合介质膜 ， 其钝化作用远好于铝背场 。 PERC技术最早是在1983年由澳大利亚新南威尔士大学Martin Green教授提出 ， 其目前为日托光伏首席科学家 。
6)量子隧穿氧化层钝化接触(TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact)
提升光伏电池转换效率的过程就是不断克服木桶效应的过程 ， 即在不同阶段改进影响转换效率的不同短板因素 。 如前所述的正面氮化硅结构和背面PERC结构因其优良的钝化效果降低正反表面的复合起到了很好的重要 ， 太阳电池的转换效率大幅提高 ， 但电池表面（尤其是背表面）的电极接触区域因属于重杂质区 ， 仍然会对光生载流子造成相对较高的复合 。 因此 ， 实现对电池表面的电接触区域的导电连接而又不增加这些区域的复合 ， 将有助于进一步提高电池的转化效率 ， 特别是对体少子寿命更高的N型电池更显重要 。 这就是量子隧穿氧化层钝化接触技术 ， 简称TOPCon ， 于2013年由德国Fraunhofer研究所的Frank Feldmann博士提出 。 TOPCon技术就是通过在电池背面制备一层超薄的氧化层和一层高掺杂的N型多晶硅薄层 。 超薄氧化层的电导通能力的物理基础是量子隧穿效应 。 这一复合结构既确保了对电池背面的全面积钝化 ， 同时又实现了导电接触 ， 从而有助于进一步提高电池的转换效率 。
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█电流导出的方式：HJT、PERT、P型与IBC的差别
如下表所示 ， 根据太阳电池的PN结的结构 ， P-Cell、N-PERT和N-HJT是分别从电池的正反两面进行电荷的收集、汇聚和传导的 ， 而N-IBC电池是在电池的背面同时实现正负电荷的收集、汇聚和传导的 。
因此 ， 通过从以上三个方面对太阳电池的各种工艺技术的分析 ， 可以将目前行业这些工艺技术归纳如下表 。
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常规晶硅光伏组件封装中的固有特征
为了满足实际应用中对机械载荷、防腐蚀及功率模块化等方面的要求 ， 需要将光伏电池串联并封装起来制成光伏组件 。 光伏电池本身的电极结构决定了组件封装时电池之间的联结方式 。 如上所述 ， 目前行业中占绝对主流的电池以P型电池为主 ， 其主要特征是电池的正负电极分别位于电池的不同面（正面或背面） ， 其实 ， 除了N-IBC电池以外 ， 其它电池也是如此 。 因此 ， 这就决定了在将电池封装成组件时 ， 首先需要利用焊带将每片电池从正面焊接 ， 然后焊接到相邻电池片的背面 ， 如图2所示 。
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图2：常规P型栅线电池组件中电池之间的连接方式 。
这种结构是行业里面沿用多年的连接方式 。 鉴于电池片电极本身的结构 ， 也只能采用这种焊带连接的方式 。 然而 ， 通过仔细分析 ， 人们发现该种连接方式存在几方面的固有问题 。
1
●由于采用焊带 ， 正面遮光增加 ， 导致电池片和组件效率受影响 。
2
●由于采用焊带 ， 且为了不引起明显的电流传输损失 ， 焊带必须具备一定的横截面积 。 常用的焊带厚度大于硅片的厚度 ， 经过焊接和封装后 ， 电池片上（特别是电池片边沿）存在较大的应力 ， 在制造、运输、安装、运维等过程中 ， 这些应力将演变为隐裂纹/裂纹 ， 从而导致组件功率的衰减 。 研究表明 ， 隐裂纹/裂纹是导致晶硅组件功率衰减的主要因素 ， 单玻晶硅组件25年寿命的主要限制因素即源于此 。
3
●由于焊带导致应力 ， 阻碍了更薄硅片的使用 。 事实上 ， 自大约20年前起 ， 用于光伏电池的硅片厚度一直在持续降低 ， 至5年以前已降到180微米左右 ， 但过去5年至今几乎没有继续往下降 ， 主要原因就是焊带连接没法继续用于更薄的硅片 ， 从而限制了继续通过降低硅片厚度实现降低成本的可能 。
4
● 随着光伏发电与建筑物越来越紧密的结合 ， 人们对光伏组件的美观度要求越来越高 。 而采用焊带连接的方式的组件 ， 外观单一而难以满足人们对其美观度要求 。
5
●在其发电寿命到期后 ， 光伏组件的回收是行业不可回避的问题 。 由于焊带和焊料中含有重金属铅 ， 为了避免对土壤和环境的污染 ， 必须对光伏组件中的铅加以回收 。 因此 ， 采用焊带连接的光伏组件将会在成本和技术两方面对光伏组件的回收带来额外的挑战 。
尽管行业一直在努力探索各种改进的电池连接方法（包括拼片、叠瓦等） ， 但这些工作均仅着眼于提高封装密度以提高组件效率和功率 ， 并且受限于电池片本身的电极结构 ， 没法从根本上彻底消除以上问题 。
晶硅光伏组件封装结构的必然趋势
如上所述 ， 常规光伏电池因其正负电极分别位于电池的不同表面 ， 而需要采用焊带进行相邻电池片之间的正面到背面的连接方式 ， 但由此带来了诸多固有的缺点 。 因此 ， 如果相邻电池片之间的连接方式仅仅通过电池片背面之间的连接就能够实现 ， 而与正面无关 ， 如图3所示 ， 我们将可以避免常规组件的以上所有缺点 。
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图3：电池片之间的背面连接方式示意图 。
显然 ， 要通过电池片背面与背面之间的连接实现电池片之间的正负连接（串联） ， 其前提是需要将电池的正负电极均设计在电池的背面 。 从上可知 ， 在所有四种PN结特征的电池中 ， 只有N-IBC电池满足这一条件 ， 而其它三种电池（P-Cell、N-PERT和N-HJT）的基本结构均不满足实现背面连接的条件 。 因此 ， 只要将电池的结构重新设计以改变电池片的电流传导方式 ， 使正负电极都位于电池的背面 ， 即可充分发挥背面连接的优势、克服焊带连接的固有缺点 。
基于多年的努力 ， 人们通过采用金属缠绕穿孔的方法（MWT, Metal Wrap-through）成功地实现了电池电极的背面化 。 如4所示为以P型电池为例的背电极化的示意图 。 因此 ， MWT事实上就是改变电池片的导电通道以实现正负电极背面化 ， 并最终适用于组件的背接触式封装 。 同样 ， 其它类型的电池（N-HJT ，N-PERT）均可通过MWT实现电极背面化 。
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图4：常规P型晶硅电池的电极背面化（MWT） 。
电池片实现电极背面化后 ， 相应的组件封装即可采用导电背板接触式的连接方式 ， 从而全面克服常规焊带连接的缺点 ， 实现高效率、低应力（高可靠性和长寿命）、薄硅片（低成本）、外观优美、无铅等优势 。
由于采用导电背板的背接触连接方式的组件有多方面的优势 ， 目前基于P型电池的MWT技术已实现了30年发电量寿命保险、150微米厚度硅片、无铅化、轻柔性等诸多独特的优点 ， 并且可以与N-HJT等技术进一步结合 。
综上所述 ， 光伏电池设计中 ， 一方面要考虑尽量提高电池的转换效率；另一方面 ， 还需考虑电池在组件封装时体现出更大的优势 。 而作为行业普遍认同的高端封装方式 ， 背接触封装多年前就在IBC电池组件中得到了应用 。 通过MWT技术 ， 可以将所有电池实现电极背面化 ， 从而适合于背接触封装 。 可以预期 ， 基于背接触封装技术在提高组件性能、降低成本、组件无铅化等方面的独特优势 ， IBC和MWT背接触技术将会得到更大的发展 。
【光伏电池|深度｜主流光伏电池效率提升方式与潜力分析】—END—


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