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perc太阳能电池原理|技术|生产流程|工艺流程详解!

PERC(Passivated Emitter and Rear Cell),即钝化发射极和背面电池技术,最早在1983年由澳大利亚科学家Martin Green提出,目前正在成为太阳电池新一代的常规技术。PERC近年来效率记录不断被刷新,将成为未来三年内最具性价比的技术。

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(单面perc电池结构)

perc技术通过在电池的后侧上添加一个电介质钝化层来提高转换效率。标准电池结构中更好的效率水平受限于光生电子重组的趋势。PERC电池最大化跨越了P-N结的电势梯度,这使得电子更稳定的流动,减少电子重组,以及更高的效率水平。

PERC技术的优势还体现在与其他高效电池和组件技术兼容,持续提升效率和发电能力的潜力。通过与多主栅、选择性发射极和TOPCon等技术的叠加,PERC电池效率可以进一步提升;组合金刚线切割和黑硅技术,可以提高多晶电池性价比。而双面PERC电池在几乎不增加成本的情况下实现双面发电,在系统端实现10%-25%的发电增益,极大地增强了PERC技术的竞争力与未来发展潜力。

PERC电池生产流程

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概述流程

PERC 电池的生产流程包括:沉积背面钝化层,然后开口以形成背面接触。这是比常规光伏电池生产流程多出来的两个重要步骤。此外,基于化学湿台的边缘隔离步骤需要针对背部抛光稍做调整。也就是说,硅片背部绒面金字塔型结构需要被溶蚀掉。抛光的程度基于选用技术的不同而异。因此,钝化膜沉积设备和膜开口设备(既可以使用激光也可以运用化学蚀刻)都需要在传统的电池生产线上额外增加加工设备。对于较少应用的激光边缘隔绝处理工艺生产线,需要增加一个化学湿式工作台进行背面抛光。

钝化膜

硅片内部和硅片表面的杂质及缺陷会对光伏电池的性能造成负面影响,钝化工序就是通过降低表面载流子的复合来减小缺陷带来的影响,从而保证电池的效率。

晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。从早期的仅有背电场钝化,到正面氮化硅钝化,再到背面引入诸如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化局部开孔接触的PERC设计。PERC概念的核心就在于为常规光伏电池增加全覆盖的背面钝化膜。

钝化主要通过以下两种方式来减小复合速率,提高少数载流子寿命:一是化学钝化,即使界面的各种缺陷态饱和,降低界面缺陷浓度,从而减少禁带内的复合中心;二是场效应钝化,即通过电荷积累,在界面处形成静电场,从而降低少数载流子浓度。

背钝化材料

在钝化膜材料的选择上。氧化铝(Al2O3)由于具备较高的电荷密度,可以对P型表面提供良好的钝化,目前被广泛应用于PERC电池量产的背面钝化材料。除氧化铝外,氧化硅(SiO2)、氮氧化硅等也可作为背面钝化材料。

此外,为了完全满足背面钝化条件,还需要在氧化铝表面覆一层氮化硅(SiNx),以保护背部钝化膜,并保证电池背面的光学性能。故PERC电池背面钝化多采用Al2O3/SiNx双层结构。

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图:晶硅光伏电池钝化

perc电池工艺

目前业内 PERC电池技术路线基本上经历了三个阶段,第一阶段是在常规产线上直接进行升 级,效率可提升1% ;第二阶段是加入热氧化工艺,并优化刻蚀、扩散匹配,效率提升至 21.7%;第三阶段,即将规模推广的 SE 技术效率将提升至量产 22% 。

无论处于何种工艺阶段,核心的背钝化膜层的生长设备选型十分重要,涉及到了厂房布局、自动化匹配、整体工艺优化重点。

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表:PERC电池工艺路线发展

背面钝化工艺

◎ 等离子体增强化学气相沉积法

等离子体增强化学气相沉积法是利用辉光放电的物理作用来激活粒子的一种化学气相沉积反应,是集等离子体辉光放电与化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术。在辉光放电所形成的等离子体场当中,由于电子和离子的质量相差悬殊,二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢,因此在等离子体内部没有统一的温度,只有所谓的电子气温度和离子温度。从宏观上看来,这种等离子体温度不高,但其内部却处于受激发的状态,其电子能量足以使分子键断裂,并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生,使本来需要在高温下才能进行的化学反应,当处于等离子体场中时,由于反应气体的电激活作用而降低了反应温度,从而在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。

◎热氧化法

在太阳电池制造过程中,将已经形成p-n结的硅片放入高温炉中,在高温下与氧化剂进行反应就可以长出一层SiO2薄膜,对太阳电池表面起到钝化作用。热氧化法制备的SiO2薄膜,由于热氧化二氧化硅中存在大量固定正电荷,这些固定正电荷将产生场效应钝化作用,降低了硅片表面的缺陷密度,可以获得低的表面复合速率。

◎原子层沉积法

原子层沉积是将不同气相前驱反应物交替地通入反应器,在沉积基底上化学吸附并反应形成薄膜的过程,以限制表面反应物的方式,将沉积过程控制在原子水平。以前驱体三甲基铝和水为反应物,经过一系列反应构成了一次ALD循环,在n型晶体硅表面沉积形成Al2O3薄膜,通过控制循环次数即可得到所需的薄膜厚度。原子层沉积的最大优点在于其自限制性,因而可以精确控制薄膜的厚度和质量,从而具有很好的台阶覆盖性和大面积厚度均匀性。基于上述原子层沉积法的优点,J.Schmidt等人利用原子层沉积法制备Al2O3作为背表面钝化膜制备出效率为20.6%的PERC型太阳电池。它的缺点也同样明显,即较低的生长速度,原因在于每个循环反应中的两次抽气过程耗时达几秒,而前驱体的反应时间不过几毫秒,这将原子层沉积的速度限制在大约2nm/min。

◎叠层钝化

热生长的SiO2由于其良好的致密性,具有很好的表面钝化作用,而等离子体增强化学气相沉积法沉积的SiNx薄膜对硅片的表面和体内都有一定的钝化作用。由于波长较短的光在电池表面很小的薄层内吸收较为充分,因此为了更好地降低电池表面的复合速率,提高电池的短波响应,同时结合热生长SiO2的表面钝化特性、等离子体增强化学气相沉积法沉积SiNx有良好的减反射以及体钝化特点,研究人员对晶体硅太阳电池采用了SiO2/SiNx叠层的钝化结构,对晶体硅太阳电池进行了有效的表面钝化和体钝化显著增大了太阳电池的短路电流和开路电压,进而提高了太阳电池的转换效率。目前叠层钝化已是晶体硅太阳电池研究的一个重要方向。

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图:基于AlOX的背钝化技术的市场份额预测(来源:ITRPV 2018)
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表:PECVD与ALD Al2O3钝化膜制备工艺比较

量产设备的出现也是PERC实现产业化不可或缺的因素。钝化量产设备分为两派:一派以德国Centrotherm为代表,采用PECVD生长的氧化硅/氮化硅叠层膜作为背面钝化膜,另一派以德国R&R公司为代表生产的氧化铝镀膜设备,并且开发出二合一的氧化铝叠层膜设备。而对于氧化铝镀膜设备根据其生长原理不同有两种,一种是以原子层沉积技术生长氧化铝膜,另外一种则是以PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方式获得氧化铝膜。采用原子层沉积技术生长氧化铝膜量产设备亦有两个类型:一是以BeneQ和ASM为代表的管式设备,存在主要问题是:产能低,存在正面绕射问题。另外一种则以Rena SolayTec,Levitech为代表的在线式设备,在线式设备不存在产能和绕射问题。而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方式获得氧化铝膜的主要厂家有R&R,AMAT,MANZ,Singulus等。对于开孔的量产设备,若选择腐蚀浆料开孔,添加一台印刷机即可。若选用激光开孔,目前主流的激光量产设备采用的是纳秒级激光器,主要厂家有Rofin,Inonnas,MANZ等公司。

满足perc电池需要的新材料的推出,也是推动PERC产业化显著进展的一大功臣。尤其是浆料公司开发出适合于硅衬底局域接触的太阳能电池用铝浆,使得PERC电池的阵地由实验室走向产业化。使用传统铝浆,在局域接触条件下高温烧结时,基体硅材料易溶于铝,使得铝和基体材料接触界面形成空洞而断路,增大了铝硅的局域接触电阻。美国杜邦公司通过浆料成分的改进,结合合适的烧结工艺,开孔处可以形成连续的局域铝背场,并且孔洞填充充实,没有空洞。

背面抛光工艺

多晶硅太阳能电池背面抛光工艺既是一步单独的工序又是为下一步背面钝化镀膜的准备工序。需要去除背绒面的原因是,与抛光表面相比,带有随机金字塔结构的表面复合速度较高。一个显著的原因是,绒面在增加表面积的同时也增加了悬空键。尤其是在应用PECVD时,钝化层在平滑表面的沉积效果最佳。由于电池背面并不主动参与光的吸收,也不直接捕捉光子,所以去除背绒面不会造成损失。根据传统的扩散方法,硅片将单面或双面掺杂。一旦磷出现在背面,就必须被除去。

除非采用激光边缘隔离技术。背面抛光并不需要添加专门的工艺和设备。只需在清洗时改变用于蚀刻的化学试剂。在这个步骤中,可以加强化学试剂以达到理想的表面粗糙度。

蚀刻成都也取决于介质膜沉积的工艺。如ALD沉积膜的质量非常好,因而不需要为了追求钝化效果而主动抛光。不过通常在蚀刻背面发射极和PSG过程中,都会蚀刻掉1至2微米。同时在该工序中可以通过提高蚀刻强度来形成理想的表面粗糙度。为了最优化电池的性能,蚀刻的最佳厚度为5-6微米。另一方面,过于光滑的表面除了提高成本以外,也无益于电池的性能。虽然抛光可以大大降低表面复合速度,但保留一定的粗糙度有利于形成接触以及光的捕获。报告显示,表面粗糙度最佳值为300-500纳米。换言之,在进行表面蚀刻时,一方面要足以去除磷和金字塔尖顶,另一方面要保留一定纹理以达到最佳电极接触和捕光效果。行业专家认为,PECVD工艺将需要从表面去除约6微米厚的硅层,而基于ALD的钝化方案则需要4-5微米。

金属化工艺

对于PERC电池,其金属化工艺仍可采用丝网印刷工艺,但由于PERC电池的背面结构发生改变,对导电浆料的性能提出了不同于常规电池浆料的要求。

在背面局部金属化阶段,会遇到铝背场空洞问题,即局部金属接触区域未形成铝背场,硅溶解进铝而形成空洞,会造成接触电阻的提高和填充因子的下降。PERC电池对背面铝浆基本要求如下:(1)开膜处填充效果良好;(2)对介质膜的损伤适中;(3)形成连续的、均匀的、厚度合适的局部铝背场(LBSF);(4)具备良好的可靠性,如附着性、EL、耐老化性能等。

对于PERC背面银浆,除需具备传统晶硅电池背银所必需的良好的印刷性能和较低的银含量特性之外,还应当具备如下几条要素:(1)低活性,减少玻璃粉与钝化膜的反应,避免银浆与硅片接触部分形成大量复合中心,提高电池片开路电压;(2)较宽的工艺窗口,适应低温烧结工艺;(3)优秀的附着力,及老化附着力。

对于PERC电池正面银浆而言,为了配合perc技术获得更高的转换效率,除了提高接触性能,细线印刷降低栅线遮光面积等常规性能之外,还需要能够叠加双次印刷,分步印刷,多主栅技术。同时,为了帮助PERC电池降低光致衰减效应,还要求银浆拥有宽的烧结工艺窗口,能够适应低温烧结。

随着PERC电池的快速发展,市场对PERC电池专用金属导电浆料的需求越来越强烈。为了配合PERC电池对浆料的特殊需求,浆料供应商开发了一系列PERC电池专用浆料,如PERC正面低温银浆、背面铝浆、PERC+背面烧穿浆料等。

PERC电池效率记录

1、PERC电池技术与常规电池效率比较

光电转换效率是晶体硅太阳能电池最重要的参数。2017年,我国产业化生产的常规多晶硅电池转换效率达到18.8%,单晶硅电池转换效率达到20.2%。

与常规电池相比,PERC电池的优势主要有两个方面:

(1)内板反射增强,降低长波的光学损失;

(2)高质量的背面钝化,这使得PERC电池的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)较之常规电池邮大幅提升,从而电池转化效率更高。

目前,PERC技术成为P型电池效率继续提升的主要方法,但PERC技术应用在多晶及单晶电池片上的效率表现有所差异。单晶电池产线在导入PERC技术后,可使转换效率绝对值提升1%以上,即单晶PERC电池产业化效率可达到21%以上,部分领先企业可将效率提升至21.5%;应用在多晶电池上有绝对值0.6%以上的效率提升,PERC多晶电池产业化效率可达到19.5%。此外,若在多晶PERC电池上叠加黑硅技术,产业化效率可达到20%以上。目前市场主流太阳能电池效率水平及组件功率如下图所示。

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perc太阳能电池原理|技术|生产流程|工艺流程详解!2、perc电池技术效率发展

PERC电池是太阳能电池效率纪录一次又一次被打破的主要技术贡献者。2018年上半年,PERC电池效率记录为23.95%,由晶科在2018年5月9日创造。

(1)以下为单多晶PERC电池效率记录路线图

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(2)以下为主流企业PERC电池峰值以及量产效率(截止到2017年)。

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随着大批光伏企业进入到PERC生产并积极推进技术创新,电池效率正在迅速提升中。

PERC电池产能情况

1、全球PERC产能实际情况(2018年)

硅片下游,行业龙头纷纷上马高效电池片/组件扩产计划,单晶电池扩产以单晶 PERC 为主。17 年底全球单晶 PERC 电池产能超 30GW,根据现有扩产计划估算,预计 18 年底将达到 60GW。

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(数据来源:观研网)

2、PERC产品在全部应用产品中的占比

根据ITRPV-2018版发布的报告,PERC组件在全部应用产品中的市场份额将大幅增加。

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(数据来源:ITRPV 2018年版)

3、2018~2021年PERC电池产能预测

随着perc技术成熟度的不断提升,常规单晶与单晶PERC的成本差距在逐步缩小,预计2018年起,PERC将逐步替代常规单晶,成为单晶产线的标配。多晶方面,在金刚线切多晶硅片搭配黑硅技术大幅降本提效的基础上,再叠加PERC技术,可以实现“1+1>2”的效果,预计2018年起,电池厂商将陆续开始做多晶黑硅+PERC技术的升级。据PV infolink预估,2018-2021年,PERC年产能将逐步增加,分别达到55GW、77GW、91W和96GW,如下图所示。单晶PERC仍将占据PERC市场的主要份额。

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PERC应用实证发电量数据统计

提升发电量

PERC组件多发电的原理在于其优秀的低辐照性能,更好的功率温度系数以及首年光衰问题的解决。电站端的实际测试中,PERC组件比常规组件每瓦发电量高出3%左右。

什么是perc电池?perc太阳能电池原理|技术|生产流程|工艺流程详解!
发表于:2018-07-20 10:41:40
来源:索比光伏网

降低度电成本

BOS成本中,有很多项目是与光伏项目的面积相关的,如支架、汇流箱、电缆等。相同数量的组件(面积相同),无论使用270W还是300W,支架、基础、电缆等投资总量都是相同的,但显然高效组件均摊的单瓦投资会明显低于低效组件。

除了BOS成本以外,高效组件还可以降低土地成本(屋顶组件)。在不同的条件下,高效组件节省的BOS成本和土地成本是不相同的。可见,在合理的价格差异之下,当(高效组件价格-低效组价价格)

主流厂商PERC发电实证数据

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图:隆基乐叶蒲城实验电站双面发电组件发电初步验证(2017.4-5)
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图:隆基乐叶库布奇项目2017年各月日均发电对比(KWh/MWp)
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图:晶澳三亚实证基地16年12月交流发电统计

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图:晶澳吐鲁番实证基地17年1月交流发电统计

晶澳太阳能单晶PERC组件在大型电站方面的发电表现,其领跑者50MW项目分别使用了单晶PERC 295W与常规多晶270W组件,PERC单晶组件在近6个月的运行中平均多发电3.4%。

存在的问题

虽然perc电池产业化的号角已经吹响,但仍存在一些问题有待业内同行解决,最为突出的就是PERC电池的光致衰减。令人欣慰的是已有越来越多的工作关注并致力于解决PERC光致衰减问题,现有的通过提高硅片品质,降低体材料氧含量,降低硼浓度(高电阻率硅片),优化热过程等方法,已使得PERC电池光致衰减问题得到了较大改善。

光衰(LID)

P型晶硅电池普遍存在光致衰减的问题,而叠加perc技术后衰减问题更甚,尤其是多晶PERC,目前导致光致衰减的机理尚不清楚。

单晶PERC光衰要高于单晶BSF电池,单晶PERC的光衰主要与电池中B-O对有关,此类衰减可通过降低硅片中氧含量、掺Ga、光照+退火等工艺消除。

多晶PERC的光衰机理更为复杂。目前认为,多晶PERC的光衰与电池的热过程密切相关,因此也称为光照热衰减(Light elevated Temperature Induce Degradation,LeTID)。多晶PERC的LeTID比多晶Al-BSF电池高6%~10%左右。多晶PERC电池的LeTID与B-O对无关,表现为掺Ga不起作用;与体内的复合有关,而与表面钝化特性关系不大;与少数载流子注入浓度有关;与电池热历史有关。

最新研究显示,吸杂可以抑制衰减(P吸杂比Al吸杂更有效);高温退火及激光快速退火也可以抑制多晶PERC光衰。

“黑硅”的湿法刻蚀解决方案

在多晶黑硅+PERC电池技术上,目前主要有直接制绒、湿法黑硅(MACE)与干法黑硅三种方案。与目前的工业水平相比较,湿法黑硅方案具有较强的竞争力。

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图:湿法黑硅方案(MACE )

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图:P型多晶湿法黑硅PERC电池效率分布

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图:多晶湿法黑硅PERC组件投产情况

成本

单晶PERC电池和多晶PERC电池都面临不断降低成本的挑战。如第五章所述,当价差在0.38元/W以内时,300WPERC高效组件对比270W常规组件的度电成本更低,在地面光伏项目上更具有性价比优势。也就是说,PERC电池必须控制好成本,才能为光伏电站带来更好的投资回报。

因为对标的主要竞争对手是单晶常规电池,多晶P ERC电池控制成本的任务更为紧迫。现阶段主流光伏电池企业量产的高效单晶常规电池效率约为20%,所封装的60片规格组件功率可达285瓦。而行业领先多晶电池企业,采用多晶硅片叠加湿法黑硅和PERC工艺,量产多晶PERC电池效率近20%,所封装的60片规格组件功率也在285瓦级别。

多晶硅片用湿法黑硅技术成本增加0.2元/片(考虑到中国趋于严格的环保要求,为实现完全达标排放,可能还需增加废液处理成本),再使用PERC技术成本增加0.5元/片,也就是说,当单晶和多晶硅片价差(含增值税)在0.82元/片之内的时候,高效单晶常规电池更具性价比。因此,多晶硅片迫切需要降低成本和市场价格,拉开与单晶硅片的价格差距,以维持市场竞争力。多晶硅片行业正在推进普及金刚线切割取代砂浆切割工艺,可以有效降低多晶硅片成本。

PERC电池技术展望

PERC电池还有很大的效率提升空间,发射极、背面铝背场、主栅、硅片质量等还有优化空间。预计2025年,单晶PERC电池可实现高达24%的转换效率,市场占有率将进一步提高。

随着技术的进步,双面PERC工艺的成熟不仅能拓宽PERC电池的应用场景,而且可获得更高的发电增益。

PERC电池效率提升的不同路线

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图:PERC电池效率提升的不同路线(来源:ISFH)

(注:SelEm1-前电极SE,SelEm2-前表面SE+BSG烧结n++,BSF-seg-局域背场,advEm-新型的发射极结构,Al-B-BSF-掺硼铝背场,base1ms-1msP型硅片,4BB-4主栅,Multi wire-多主栅,finger10μm-10μm栅线)

各家PERC技术路线

目前,领先厂商的单晶PERC电池的量产效率可以达21.5%左右,多晶PERC的量产效率可达19.7%左右。而截至目前,单晶PERC和多晶PERC的世界最高效率分别已达23.6%和22.04%,分别由隆基乐叶和晶科能源创造。可以看出,PERC电池仍有很大的效率提升空间。

PERC电池效率进一步提升的方向有:(1)细栅金属化技术,减少正面遮挡,如应用5BB或MBB技术;

(2)正面采用选择性发射极,降低表面复合损失;(3)先进的陷光技术,如采用多层减反膜技术;(4)降低背面金属接触区域的复合,如采用局部B掺杂;(5)采用高质量硅片,如提高硅片的少子寿命;(6)双面PERC电池。

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图:协鑫集成多晶PERC组件技术路线2017 to 2020

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图:隆基乐叶高效PERC技术路线图

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