PERC(Passivated Emitter Rear Cell，發(fā)射極及背面鈍化)作為一種高效電池技術(shù)，自開始導入量產(chǎn)后，便迅速被光伏電池企業(yè)所引入，替代常規(guī)背電場(BSF)技術(shù)快速擴張并沿用至今。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(CPIA) 發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖(2021年版)》中數(shù)據(jù)表明，2021年PERC電池市場占比高達91.2%，其市場地位穩(wěn)居第一。
鑒于此，接下來一段時間將分別從PERC電池的發(fā)展、PERC組件的提效與產(chǎn)品優(yōu)化選型這三個方面對PERC技術(shù)與產(chǎn)品展開介紹。
本文作為系列第一篇，將重點講述PERC電池能夠量產(chǎn)十年，并且在未來三年仍占據(jù)市場主導地位的原因。
1 PERC電池崛起的十年歷程
一般來講，行業(yè)內(nèi)將1989年趙建華博士首次正式公布PERC電池作為該項技術(shù)的起點，但直到20多年后的2013年，通過諸多廠家與機構(gòu)長期的技術(shù)儲備和研究，PERC技術(shù)才具備了量產(chǎn)化和商業(yè)化的基礎，并在2015年正式啟動大規(guī)模量產(chǎn)，經(jīng)歷了幾次量產(chǎn)化加速的過程之后，自2019年起首次超越BSF技術(shù)成為最主流的光伏電池技術(shù)。圖1展示了PERC電池自誕生以來的幾個重要時間節(jié)點。
圖 1 PERC電池主要發(fā)展歷程
2PERC電池的結(jié)構(gòu)與工藝
PERC電池是從早期的BSF電池升級而來，并且得到了行業(yè)的廣泛應用，其電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過在BSF結(jié)構(gòu)的基礎上增加背面鈍化層，降低少數(shù)載流子的復合，提升電池的轉(zhuǎn)換效率。
圖 2 PERC電池結(jié)構(gòu)圖
PERC電池的工藝流程相對簡單，且設備成熟，近兩年來，標配了一些提效工藝，如激光SE、堿拋、光注入/電注入等，其整體工藝流程如圖3所示。
PERC技術(shù)以背面鈍化層的沉積和激光開槽為主，后續(xù)在此基礎上進行工藝改進優(yōu)化時增加了正面的SE激光和光注入/電注入退火等工藝，未來隨著光伏技術(shù)的不斷進步，為提升PERC電池的量產(chǎn)效率，也必將會對電池工藝進行進一步的改進與優(yōu)化。
圖 3 PERC電池工藝流程圖
3 PERC電池的提效路線
PERC電池技術(shù)具有強大的包容性，可以兼容各類電池技術(shù)乃至硅片端的技術(shù)，在PERC技術(shù)被發(fā)明和應用以來，其量產(chǎn)效率也從開始的20%左右一路提升到現(xiàn)在的23.5%左右，單年效率最大提升幅度達0.6%，2013年以來PERC電池的量產(chǎn)效率趨勢見圖4。預計在未來三年，PERC的量產(chǎn)效率可以達到24%左右。
圖 4 PERC電池量產(chǎn)效率
回顧PERC發(fā)展的這十年，其效率提升的路徑主要從增加光線的吸收和降低少數(shù)載流子的復合兩方面入手，主要體現(xiàn)在以下四個方面：
1)金屬柵線的優(yōu)化：自光伏電池出現(xiàn)以來，減少柵線對光的遮擋，提高收集電流的效率一直是提效的主方向之一，這方面主要路徑有增加主柵線根數(shù)，采用多主柵(MBB)方案，調(diào)整柵線高寬比以及二次印刷技術(shù)等;
2)雙面技術(shù)的推廣：PERC技術(shù)具有天然的雙面優(yōu)勢，將背面電場印刷改為局部鋁柵線，節(jié)省漿料成本，同時還可以有效利用環(huán)境中的漫反射光，從而提高電池的實際發(fā)電能力;
3)選擇性發(fā)射極(SE)的采用：通過對電池正面金屬柵線與硅片接觸的部位進行重摻雜，電極之間輕摻雜，進一步降低擴散層的復合，提高短波響應，同時減少了前表面金屬電極與硅的接觸電阻，從而提高轉(zhuǎn)換效率;
4)電池衰減問題的解決：通過采用摻鎵硅片解決PERC電池因硼氧復合導致的光衰問題，通過燒結(jié)后的光注入/電注入可以使衰減問題得到進一步的改善。
另外，電池效率的提升還可以通過對背面鈍化層的優(yōu)化、多層減反膜的陷光技術(shù)、更高少子壽命的高質(zhì)量硅片等途徑實現(xiàn)。
在理論研究方面，ISFH的Byungsul Min等人分別從新型發(fā)射極結(jié)構(gòu)、摻硼鋁背場、減少正面電極柵線寬度、提高硅片質(zhì)量、多主柵等技術(shù)優(yōu)化路徑進行分析，研究不同的優(yōu)化途徑對PERC電池效率提升效果，得出PERC電池的量產(chǎn)效率可提升至24%以上，如圖5所示。
圖 5 PERC電池效率提升路徑
來源：B Min, M Müller , H Wagner, A Roadmap Toward 24% Efficient PERC Solar Cells in Industrial Mass Production, IEEE Journal of Photovoltaics , 2017 , PP (99) :1-10
4未來三年PERC電池將仍是主角
PERC技術(shù)基于其強大的性價比優(yōu)勢，以及產(chǎn)能布局，至少未來三年依舊是行業(yè)內(nèi)的主流技術(shù)，各廠家也會積極提效降本來延長它的生命周期，根據(jù)CPIA的預測，到2025年，PERC電池市場占有率仍然超過50%，具體數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖 6 2021-2030 年各種電池技術(shù)市場占比變化趨勢
技術(shù)的更新迭代是光伏行業(yè)能夠健康穩(wěn)定發(fā)展的動力，從圖6中還可以看出，n型電池由于具備更高的效率潛力，其占有率也在逐年提升，尤其TOPCon電池和異質(zhì)結(jié)電池。但是這兩類技術(shù)都需要新建或改造產(chǎn)線，相比于PERC電池生產(chǎn)線1.5~2億元/GW的投資成本，TOPCon的新線投資成本要高出30%左右，即使升級改造現(xiàn)有PERC產(chǎn)線，其綜合投資成本也高出PERC產(chǎn)線的20%左右，異質(zhì)結(jié)產(chǎn)線的單位投資成本甚至更高，為PERC的2倍以上。
基于高投資成本，其擴張速度相比于之前PERC替代BSF電池則要慢得多，2021年n型技術(shù)的市占率僅為3%。預計到2025年，TOPCon電池和異質(zhì)結(jié)電池的市場占有率也才達到40%左右。當然除成本問題之外，n型技術(shù)還需要一步步的積累與多次驗證，才能在未來接過行業(yè)主導的接力棒，給行業(yè)和客戶提供更多價值。在此之前，PERC依舊會是光伏市場的主角。
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