Oct.2024 10
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一文读懂当前晶硅电池(PERC、TOPCon、HJT、N-IBC、P-IBC)技术及工艺流程

介绍
一文读懂当前晶硅电池(PERC、TOPCon、HJT、N-IBC、P-IBC)技术及工艺流程
细节

一文读懂当前晶硅电池PERCTOPConHJTN-IBCP-IBC技术及工艺流程

1P型电池PERC占据主流接近转化效率极限

晶硅电池技术是以硅片为衬底根据硅片的差异区分为P型电池和N型电池两种电池发电原理无本质差异都是依据PN结进行光生载流子分离在P型半导体材料上扩散磷元素形成n+/p型结构的太阳电池即为P型电池片在N型半导体材料上注入硼元素形成p+/n 型结构的太阳电池即为N型电池片

P型电池制作工艺相对简单成本较低主要是BSF电池和PERC电池2015年之前BSF电池占据90%市场2016年之后PERC电池接棒起跑到2020年PERC电池在全球市场中的占比已经超过85%且目前以双面PERC为主

PERCPassivated Emitter Rear Cell——发射极及背面钝化电池技术与常规电池不同之处在于背面PERC电池采用了钝化膜来钝 化背面取代了传统的全铝背场增强光线在硅基的内背反射降低了背面的复合速率从而使电池的效率提升0.5%-1%2020年规模化生产的单/多晶电池平均转换效率分别达到22.7%和19.4%P型单晶电池均已采用PERC技术平均转换效率同比提升 0.5个百分点

由于P型单晶硅PERC电池理论转换效率极限为24.5%导致P型PERC单晶电池效率很难再有大幅度的提升并且未能彻底解决以P型硅 片为基底的电池所产生的光衰现象这些因素使得P型硅电池很难有进一步的发展与传统的P型单晶电池和P型多晶电池相比N型电池具有转换效率高双面率高温度系数低无光衰弱光效应好载流子寿命更长 等优点

双面P-PERC电池结构

注释

1Front metal gridAg前表面金属银电极

2Front ARC and passivating coatingSiNx前表面氮化硅钝化层

3n+phosphorousemitter磷层发射极称为n+层

4p-type SiP型基底硅层

5p++local Al BSF局部铝背场称为p++层

6Rear metal gridAl金属铝背电极

7Rear ARC and passivating coatingAl2O3/SiNx背钝化层Al2O3带负电可作为P型的背钝化层抑制电子

单双面P-PERC电池工艺生产流程

2N型电池①TOPCon技术过渡最优选择

TOPConTunnel Oxide Passivated Contact——氧化层钝化接触正面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有本质区别电池核心技术是背面钝化接触电池背面由一层超薄氧化硅1~2nm与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成二者共同形成钝化接触结构钝化性能通过退火过程进行激活Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化由微晶非晶混合相转变为多晶在850°C的退火温度下退火iVoc>710mV,J0在9-13fA/cm2显示了钝化接触结构优异的钝化性能

该结构可以阻挡少子空穴复合提升电池开路电压及短路电流超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生弯曲从而形成场钝化效果电子隧穿的几率大幅增加接触电阻下降提升了电池的开路电压和短路电流从而提升电池转化效率

N-TOPCon电池结构

两种工艺生产流程

3N型电池②HJT异质结降本利器

HJTHeterojunction with Intrinsic Thin-film——本征薄膜异质结电池具备对称双面电池结构中间为N型晶体硅正面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜从而形成P-N结背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜以形成背表面场鉴于非晶硅的导电性比较差因此在电池两侧沉积透明导电薄膜TCO进行导电最后采用丝网印刷技术形成双面电极

主要得益于N型硅衬底以及非晶硅对基底表面缺陷的双重钝化作用目前量产效率普遍已在24%以上25%以上的技术路线已经非常明确即在前后表面使用掺杂纳米晶硅掺杂微晶硅掺杂微晶氧化硅掺杂微晶碳化硅取代现有的掺杂HJT未来叠加IBC和钙钛矿转换效率或可提升至30%以上

由于HJT电池衬底通常为N型单晶硅而N型单晶硅为磷掺杂不存在P型晶硅中的硼氧复合硼铁复合等所以HJT电池对于LID效应是免疫的HJT电池的表面沉积有TCO薄膜无绝缘层因此无表面层带电的机会从结构上避免PID 发生HJT电池首年衰减1-2%此后每年衰减0.25%远低于PERC电池掺镓片的衰减情况(首年衰减2%此后每年衰减0.45%)也因此HJT电池全生命周期每W发电量高出双面PERC电池约1.9%-2.9%

N-HJT电池结构及工艺流程

N-HJT工艺生产流程

4N型电池③IBC潜力无限

IBCInterdigitated Back Contact——交叉指式背接触电池技术将P/N结基底与发射区的接触电极以交指形状做在电池背面核心技术如何在电池背面制备出质量较好成叉指状间隔排列的p区和n区通过在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩膜层掩膜层上的硼经扩散后进入N型衬底形成p+区而未印刷掩膜层的区域经磷扩散后形成n+区前表面制备金字塔状绒面来增强光的吸收同时在前表面形成前表面场FSF使用离子注入技术可获得均匀性好结深精确可控的p区和n区电池正面无栅线遮挡可消除金属电极的遮光电流损失实现入射光子的最大利用化较常规太阳电池短路电流可提高7%左右由于背接触结构不必考虑栅线遮挡问题可适当加宽栅线比例从而降低串联电阻且有高的填充因子可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计可得到较低的前表面复合速率和表面反射从而提高Voc和Jsc外形美观尤其适用于光伏建筑一体化但IBC电池成本较高尚未产业化IBC电池制程工艺复杂多次使用掩膜光刻等半导体技术成本几乎为常规电池的两倍

N-IBC电池结构

注释

1SiNx Coating氮化硅反层

2N+FSFN+前表面场

3n-Cz WaferN型基底硅片

4P+emitterP+发射极

5N++BSFN+背场

6Al2O3 passivation layer氧化铝钝化层

7SiNx Coating氮化硅减反层

8Ag Grid银电极

N-IBC工艺生产流程

5P型IBC隆基有望主推目前暂定位分布式

P-IBC技术是在隆基出来后大家才开始比较关注隆基的P-IBC技术为HPBC以P型硅片为基底其实早在16-17年TNO宣传P型IBC结构P-IBC加了个LPCVD其他的与PERC兼容激光有点差别90%兼容P-IBC背结结构效率有优势目前还是偏向于单面双面率不到50%定位成分布式产品P-IBC有机会成本与PERC接近效率做上去就是24.5%-25%实现1-3分人民币/W成本差距

两种P-IBC电池结构

工艺流程①刻蚀掩膜

工艺流程②全激光

其他企业P-IBC进展

江苏日托于2021年3月申请的专利一种P型IBC电池的制备方法采用P 型硅片作为衬底正背面均无需硼掺杂且不需要掩膜和光刻工艺步骤简单将传统 IBC复杂的过程18步简化为12步生产成本明显降低

S01对P型单晶硅基底进行化学清洗和碱抛光去除硅基底表面的机械损伤层和污 染物且使硅基底正背表面形貌较为平坦 

S02双面沉积氧化硅和非晶硅膜层抛光后的基底正背面沉积氧化硅层和非晶硅 层 

S03背面P扩散退火对背面非晶硅层进行磷掺杂处理后高温退火处理非晶硅 转化为多晶硅 

S04背面激光刻蚀利用纳秒级或皮秒激光对背面进行图案化处理 

S05去除正侧面PSG在S02和S03过程中同时会在基底正面以及侧面形成磷硅玻璃层即PSG采用HF酸去除

S06碱制绒利用KOH溶液使基底正面和背面局部区域构造为金字塔绒面结构

S07双面沉积AlOx膜层以原子层沉积方式在基底正背面沉积一层致密的氧化铝薄 膜

S08背面沉积减反射膜层以PECVD的方式在基底背面沉积氮化硅氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜 

S09正面沉积减反射膜层以PECVD的方式在基底正面沉积氮化硅氮氧化硅中的一 种或多种叠层膜

S10背面激光开膜利用纳秒级或皮秒级激光对背面减反射层和钝化膜叠层进行开 膜处理 

S11丝网印刷正负电极N区印刷负电极Ag浆P区印刷正电极Al浆

S12烧结正电极Al浆和负电极Ag浆共烧结形成良好的欧姆接触

这种方法的变化在于1利用P型单晶硅衬底作为P区正背面均无需硼掺杂且无 需掩膜和光刻工艺步骤简单2P区正电极采用Al浆Ag浆使用量降低50%且采用P 型单晶硅作为基底明显降低了生产成本激光设备在此方法下得到比较好的应用设备环节省去了比较昂贵离子注入和光刻掩膜设备金属化环节采用高温银浆与铝 浆金属化成本同步降低增加设备仅为激光设备与部分清洗设备初步估计改良后P 型IBC设备与PERC/TOPcon设备成本较为接近龙头企业规模化采购降低投资成本预计单GW投资额约在1.9-2.1亿元



作者:光伏ETF_
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