摘要
載流子選擇性鈍化接觸是提高太陽能電池效率的重要途徑之一，在隧穿氧化鈍化接觸（Poly Passivated）太陽電池中，可以通過生長一層超薄氧化硅（SiOx）加上磷重摻雜的多晶硅（n+-poly-Si）用于電子選擇性接觸或者加上硼重摻雜的多晶硅（p+-poly-Si）用于空穴選擇性接觸。Poly Passivated結構鈍化接觸太陽能電池采用了與PRRC（鈍化發(fā)射極背場點接觸電池）電池技術兼容的高溫工藝，電池效率已達到25.7%，有望實現(xiàn)大批量生產線。
背景介紹
當前，市場上晶體硅太陽電池大多以P型的單、多晶常規(guī)鋁背表面場電池為主，其制備工藝相對簡單、成本低廉。但由于P型硅電池光電轉換效率難以達到23.5%以上，并且未能徹底解決以P型硅片為基底的電池所產生的光衰現(xiàn)象，這些因素都成為其進一步量產推廣的障礙。與P型硅相比，N型硅體少子壽命更長，對Fe等金屬有更高的容忍度，不易發(fā)生由于B-O復合體導致的LID（Light Induced Degradation）光致誘導衰減現(xiàn)象；以N型硅為基底的電池片轉換效率更高，可以相對降低光伏發(fā)電的制造成本，這使其成為高效晶體硅太陽電池的必選材料。
下圖所示為德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會VDMA 最新發(fā)布的第八版 ITRPV-2017（International Technology Roadmap for Photovoltaic，國際光伏技術路線圖）的電池技術的市場份額及未來十年的預測。
從圖中可以看出，常規(guī)p 型單、多晶背表面場（BSF）電池技術的市場份額在逐年降低，而高效背面鈍化技術電池（包括 PERC、PERL 及 PERT）、硅異質結電池（SHJ）、背接觸電池（BCC）等技術市場份額在逐年升高，2020 年前后高效電池技術將超過常規(guī)電池技術，成為市場主導。這主要歸結于高效晶硅電池制造技術的成熟，光電轉換效率升高及硅材料及輔料等制造成本的降低。
Poly Passivated簡介
Poly Passivated太陽能電池（隧穿氧化層鈍化接觸）是一種使用超薄氧化層作為鈍化層結構的太陽電池。2013年德國Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在28th EU-PVSEC首次報道了Poly Passivated電池概念，該電池的結構如下：
Poly Passivated電池結構
電池基板以N型硅基板為主，使用一層超薄的氧化層與摻雜的薄膜硅鈍化電池的背面，其中背面氧化層厚度1.4nm，隨后在氧化層之上沉積50~200nm非晶硅并摻磷，之后經(jīng)過退火重結晶加強鈍化效果。
Poly Passivated電池的載流子輸運機制
鈍化介質通常不導電，因此在有效鈍化和電流導出之間存在矛盾，解決方案：使用非晶硅作為鈍化層，非晶硅異質結鈍化結構（HIT），或使用超博氧化層作為鈍化層，隧穿氧化層鈍化接觸結構（Poly Passivated）。在電池背面制備一層超薄的隧穿氧化層和一層高摻雜的多晶硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結構，該結構為硅片的背面提供了良好的表面鈍化，超薄氧化層可以使多子電子隧穿進入多晶硅層，同時阻擋少子空穴復合，進而實現(xiàn)電子在多晶硅層的橫向傳輸并被金屬收集，極大地降低了金屬接觸復合電流，提升了電池的開路電壓和短路電流。
隧穿原理示意圖
氧化硅薄層的作用
氧化硅薄層對Poly Passivated鈍化效果的影響，混合型硅薄膜結構能有效改善電池背表面的鈍化效果，有較低的缺陷態(tài)密度，提高了其開路電壓。
Poly Passivated電池優(yōu)勢：
優(yōu)良的界面鈍化能力；有效的摻雜使得硅襯底中費米能級分離（高Voc）；很強的多子輸運能力（高FFs）。
Poly Passivated VS HIT 對比：
光的寄生吸收損失降低；Si薄膜電阻降低，缺陷態(tài)密度也較低；Si/TCO的接觸電阻降低。
研究進展
晶體硅（c-Si）是光伏應用的首選半導體材料，占光伏市場的93%，其中3/4屬于多晶硅（Bridgman工藝），1/4 是單晶硅（Czochralski工藝）[6]。太陽電池的高效結構設計是提升電池性能的關鍵因素，目前已成為光伏太陽電池產業(yè)化的重要研究方向。作為高效電池的一個典型代表——鈍化發(fā)射極及背表面電池 （Passivated emitter and rear cell, PERC），它改善了電池背面的鈍化性能，在器件制備工藝中引入了背鈍化及開槽接觸，電池的轉換效率可達25.0%。目前，PERC 太陽電池已經(jīng)進入產業(yè)化，但是激光開槽工藝的復雜性在很大程度上限制了器件的規(guī)模化。帶有本征薄膜異質結（Heterojunction withIntrinsic thin film, HIT）太陽電池是目前另一種高效率的太陽電池器件，它通過加入本征薄膜非晶硅來達到提升單晶硅的表面鈍化質量，使表面復合電流大幅度減小，電池的最高轉換效率已經(jīng)達到 25.1%。HIT 結構電池與 IBC 結構電池結合而成的異質結背接觸 ( HBC) 電池已經(jīng)實現(xiàn)26.7%的轉換效率。HIT 電池具備比PERC 電池更好的鈍化性能，且制備過程中對溫度要求更低，但制備工藝比傳統(tǒng)晶硅電池復雜，導致HIT太陽電池的制造成本偏高。為了讓電池制備工藝簡單的同時可獲得較好的表面鈍化質量，德國Fraunhofer ISE 研究所設計了一種新型的電池結構，即隧穿氧化物鈍化接觸（TunnelOxide Passivated Contact solar cell, Poly Passivated）太陽電池，該結構電池由摻雜的多晶硅（poly-Si）/氧化硅（SiOx）堆疊組成。SiOx 層的厚度小于 1.5 nm，以允許光載流子的隧穿傳輸。超薄SiOx 層可以由濕化學氧化法，干燥氧化法或UV-O3制備，實現(xiàn)表面的良好鈍化效果。氧化硅層的化學鈍化和多晶硅層的場鈍化作用，可以顯著降低襯底表面的復合程度。同時，超薄氧化硅還可以保證多子的有效隧穿，高摻雜的多晶硅層可顯著改善多子的傳導性能，因此，Poly Passivated 電池的開路電壓和填充因子系數(shù)都很高。2017 年，德國Fraunhofer ISE 研究所制備出的Poly Passivated 電池轉換效率已經(jīng)達到25.7%，2019 年另一個德國研究所 Solar EnergyResearch Hamelin ISFH 通過把 Poly Passivated 結構與IBC 結構結合而成的電池最高轉換效率可達到 26.1%。目前的 Poly Passivated 結構大部分還是應用于太陽電池的背面，n-Poly Passivated 結構在電池背面作為單面鈍化層，前表面通常采用擴硼技術。盡管是單面鈍化，但是 n-Poly Passivated 結構鈍化目前已獲得非常優(yōu)秀的鈍化質量。2015 年，美國喬治亞理工學院制備的雙面n-Poly Passivated 結構，iVoc 達到 730 mV。2020年德國 Wilhelm-Johnen-Strasse 制備的 μc-SiC:H(n)/SiOx 結構，其 i Voc 達到742 mV。
產業(yè)界+一道新能情況
鑒于N型鈍化接觸電池具有少子壽命高，無光致衰減，弱光效應好，溫度系數(shù)小等優(yōu)點，一道新能源科技（衢州）有限公司（以下簡稱“一道新能”）于2019年8月開始進行N型雙面鈍化接觸電池的研發(fā)工作，電池背面采用絨面結構，顏色均勻，并跟電池正面顏色一致，能夠實現(xiàn)雙面發(fā)電，雙面率達到87%。不同于PERC電池需要通過背面激光開槽來實現(xiàn)漿料與硅基體的接觸，PPCell可以實現(xiàn)全背面鈍化并促進多數(shù)載流子傳輸，從而實現(xiàn)同時提升電池開路電壓與填充因子的作用，獲得更高的轉換效率，目前P型PERC電池疊加SE技術電池平均量產效率22~23%，N型PPCell量產效率可以達到23.5~24.5%。與P型PERC電池相比，N型單晶硅片無B-O復合體，光衰低 ，其中，PERC電池首年光衰2.6%，年均光衰0.75%，而PPCell首年光衰低于1%，年均光衰不超過0.4%，因此PPCell可以獲得更高的長期發(fā)電量。PPCell電池背面絨面結構，采用銀柵線，與P型電池鋁背場相比，PPCell電池背面遮光面積更小，光響應效率更高，具備更高的雙面率。PPCell電池溫度系數(shù)低于P型PERC電池，更適合溫度較高的應用場景，在一些低緯區(qū)域如中東、巴西、非洲等具備天然的使用傾向性與發(fā)電收益。下表給出了PPCell與PERC電池的各項參數(shù)對比情況：
PPCell與PERC電池性能參數(shù)表
從總體來看，PPCell電池與PERC電池相比，可以實現(xiàn)更高轉換效率，同時在雙面率與溫度系數(shù)方面具備比PERC電池更明顯的優(yōu)勢，從而使PPCell度電成本明顯降低。
2019年末，一道新能N型PPCell電池的研發(fā)平均轉換效率達到22.6%，2020年6月完成現(xiàn)有產線的改造，建成產能為100 MW的N型雙面鈍化接觸電池生產線。2020年8月完成背面磷擴工藝優(yōu)化與量產，N型雙面鈍化接觸電池量產的平均轉換效率達到23.5%，到目前為止，該電池研發(fā)轉換效率已經(jīng)達到24.0%。以下為一道新能N型PPCell電池的效率分布圖與電性能參數(shù)：
PPCell電池的效率分布圖
PPCell電性能參數(shù)
后續(xù)還可以進一步優(yōu)化前期工藝，產線平均量產效率可以達到24.5%以上。
光伏電池技術路線：
目前晶硅類電池的技術方向包括單晶和多晶。多晶電池逐漸向黑硅方向升級，單晶包括P型和N型，P型電池中PERC技術逐漸成為主流，疊加SE（選擇性發(fā)射極）技術，電池效率逐漸提升。但P型電池有其轉換效率的極限，而N型電池成為未來高轉換效率的方向，目前包括PERT、PPCELL（隧穿氧化鈍化接觸）、IBC（全背電極接觸）、HJT（異質結）四種技術路徑。
硅電池技術路線
1）PERC目前技術比較成熟、性價比高，技術相對容易，設備完成了國產化，量產效率達到22.5%以上，成為這兩年高效電池主要擴產的技術，疊加SE（選擇性發(fā)射極)技術，目前依然是光伏電池主流技術。
2）N-PERT可實現(xiàn)量產，技術難度容易，設備投資較少。但是與雙面P-PERC相比沒有性價比優(yōu)勢，已經(jīng)證明為不經(jīng)濟的技術路線。
3）HJT效率可達24.5%，工序少、可實現(xiàn)量產，但是其設備貴、投資成本高，成為阻礙其大規(guī)模產業(yè)化的重要限制因素。
4）PPCELL背面收光較差，量產難度高，一道新能針對這一問題進行了背面形貌優(yōu)化與poly層改進，目前已經(jīng)實現(xiàn)量產，后續(xù)還可以進一步改善升級。
5）IBC效率最高，可以達到23.5%-24.5%，技術難度極高，設備投資高，成本高，國內尚未實現(xiàn)量產。
PPCELL電池基于N型硅襯底，前表面采用疊層膜鈍化工藝，背表面采用基于超薄氧化硅和摻雜多晶硅的隧穿氧化層鈍化接觸結構，得益于超薄氧化硅和摻雜多晶硅的隧穿氧化層鈍化接觸結構的應用，兩者形成接觸鈍化結構，可以大幅提升N型電池片的開壓和轉換效率。高轉換效率有望持續(xù)降低度電成本，光伏發(fā)電最終以實現(xiàn)平價上網(wǎng)為目標，產業(yè)降本是必經(jīng)之路，其中轉換效率的提升是電池降本的核心，也是主要競爭力。從技術路線發(fā)展來看，由于P型電池片的轉換效率提升存在瓶頸，P型電池片向N型電池片轉型或勢在必行。下表是一道新能PPCELL電池與當前市場上常規(guī)電池的成本對比情況：
為了降低光伏度電成本，一道新能通過技術升級，完成了N型PPCell與P型電池度電成本同價的目標，后續(xù)PPCell還存在很大的提效空間，具備更強的市場吸引力，未來將從P型向N型跨越迎來下一次光伏技術革命。從歷史發(fā)展來看，得益于單晶硅片取代多晶硅片的大趨勢，單晶硅片廠商過去幾年的產能和銷量增長遠高于行業(yè)新增裝機增長。從當前產能布局來看，單晶產品滲透率或即將達到瓶頸，后續(xù)單晶硅片滲透率提升所帶來的超額收益或將減少，N型產品占比提升將會帶來下一輪新的超額收益。
相對于單面電池，雙面電池背面可以充分利用大氣散射及地面反射的太陽光，若對地面進行反射處理，如白漆、白膜等，增加組件背面的反射，可以顯著提升組件的發(fā)電效果。依靠雙面發(fā)電特性，雙面組件在土地、沙地和草地上增益發(fā)電21%-23%，在水泥地面上增益發(fā)電28%，在白漆地面上增益發(fā)電36%。2019年ITRPV預測雙面電池市場份額發(fā)展趨勢如圖8所示，雙面電池的市場份額將逐漸增加，2019年的占比達到~15%，將在2029年有望達到60%[11]，表明雙面電池是未來電池技術發(fā)展的趨勢。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)，2018年10個運用領跑基地（5 GW）項目中，雙面技術占比為53%，3個技術領跑基地（1.5 GW）項目中，雙面技術占比高達66%，可以預見雙面電池技術是未來領跑基地項目的必然選擇。
ITRPV 2019預測各類太陽能電池市場份額發(fā)展趨勢
ITRPV 2019預測不同高效太陽能電池的市場份額發(fā)展趨勢如圖9所示，圖中可以看出，無論對于P型單晶PERC還是多晶PERC電池，市場份額的占比會呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，N型單晶PERC電池的市場份額在2023年之前將維持穩(wěn)定，2023年之后會緩慢增長；而采用鈍化接觸技術的電池將呈現(xiàn)逐年迅速增長的態(tài)勢，尤其是采用鈍化接觸技術的N型電池，將在2029年有望達到20%的市場份額，是P型鈍化接觸電池的2倍。
觀察全球制造商N型產能利用率，IBC、PERT、Poly Passivated、HJT都在50%以下。深究原因，IBC因為技術難度較高，跨入門坎不易，實際產出仍有待考驗。PERT僅有少數(shù)廠家穩(wěn)定生產，待Poly Passivated技術成熟后，預估將由PERT進行轉換。Poly Passivated的發(fā)展雖在今年不如預期，也出現(xiàn)穩(wěn)定產出的一線廠家開始轉往HJT進行研究，但仍有大廠釋出GW的擴產消息，今年至明年許多PERC擴產也為Poly Passivated預留空間，因此預估1-2年Poly Passivated產能擴充與產出都將超越HJT。HJT因在降本、訂單上尚未樂觀，明年產出并不看好，但部分大廠及設備商仍在籌備HJT的擴產，未來依舊可期。整體而言，2021年Poly Passivated與HJT對全球的N型產能占比達到88%，兩大技術為N型主流趨勢，而預計明年Poly Passivated產出將由2.6GW成長至4.9GW，HJT產出將由1.9GW成長至3.2GW，對比兩種N型技術產出數(shù)據(jù)，預估Poly Passivated產出將領先HJT。
總體而言，中國設備廠家的投入讓設備成本逐漸下降，技術也不斷成熟，雙面電池的市場需求日益成長，這讓2021年N型產能擴張將比往年更加明顯。
雙面電池及組件的產能及實際需求
目前有越來越多的廠家加入N型產品的研究，起初由于成本考慮，Poly Passivated有較多的垂直整合廠投入，考慮到技術、成本、雙面市場以及一線廠家對N型技術的投入進度，預估明年Poly Passivated有較多擴產落地。
總結
1.鈍化接觸電池可以實現(xiàn)優(yōu)異鈍化性能與接觸性能，其中，化學鈍化終止了界面缺陷，電場效應使少數(shù)載流子遠離缺陷界面區(qū)域實現(xiàn)載流子一維縱向輸運的同時能降低金屬與硅基底的復合，兼顧開路電壓與填充因子，能有效提高太陽能電池的轉換效率。
2.與P型PERC電池相比，N型單晶鈍化接觸電池具備更高效率與使用壽命、弱光響應好與無LID等優(yōu)勢，電池工藝可以與常規(guī)電池工藝兼容，可以在現(xiàn)有產線上進行升級，獲得效率大幅提升的條件下有效控制成本。
3.根據(jù)ITRPV 2019預測，雙面電池技術是符合市場發(fā)展的趨勢，市場份額將逐漸增加；同時，雙面電池技術也是未來領跑基地項目的必然選擇。鈍化接觸技術與雙面電池技術的結合，是未來單晶太陽能電池技術發(fā)展的主流趨勢。
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