205以上多晶电池量产技术路线.docx
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205以上多晶电池量产技术路线
20.5%以上效率多晶电池量产技术路线
2016-07-2100:
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1.晶体硅电池效率损失机制
太阳能电池转换效率受到光吸收利用、载流子输运、载流子收集的限制。
对于晶体硅电池而言，其转换效率的理论最高值是28%。
影响晶体硅电池转换效率的原因主要来自两个方面，如图1所示：
（1）光学损失，包括电池前表面反射损失、正面电极的遮光损失以及长波段的非吸收透射损失。
（2）电学损失，包括硅片表面及体内的光生载流子复合、硅片体电阻、扩散层横向电阻和金属电极电阻，以及金属和硅片的接触电阻等的损失。
这其中最关键的是降低光生载流子的复合，它直接影响太阳能电池的开路电压。
当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响将比较显着。
图1.晶体硅电池效率损失模型
2.提高晶体硅电池转换效率的途径
和晶体硅电池转换效率损失机制相对应地，为了提高转换效率，主要从减小入射光的反射、减小正面金属电极遮光、降低电阻损耗、减小载流子复合几个方面着手。
（1）减小入射光反射率：
又可分成表面绒面织构化和减反射膜两个方面。
表面绒面织构化最典型的应用就是碱制绒制备单晶硅电池的金字塔绒面结构。
采用选择性腐蚀NaOH溶液，利用腐蚀液对各个晶面腐蚀速率的不同，形成非均匀腐蚀，在硅表面形成类似金字塔形状的绒面，如图2A。
制得绒面的反射率可达到10%左右。
依靠表面金字塔形的绒面结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在硅中的前进方向，延长了光程，增加了光生载流子的产量;曲折的绒面又增加了结面积，从而增加对光生载流子的收集率。
对于多晶硅电池而言，由于硅片晶粒晶向的不均匀，无法使用碱制绒。
为有效降低绒面反射率，目前已经有反应离子刻蚀（RIE）或者湿法纳米黑硅技术应用到规模化生产中。
RIE通常使用SF6/O2混合工艺气体，在蚀刻过程中，F自由基对硅进行化学蚀刻形成可挥发的SiF，O自由基形成SixOyFz对侧墙进行钝化处理，形成绒面结构，如图2B。
其绒面反射率可达到4%以下。
减反射膜利用光的干涉相消原理，减小入射光的反射。
从最开始的单层膜，已经发展到现在的双层减反射膜和渐进式减反射膜。
根据所用镀膜设备的不同，管式PECVD通常采用双层SiNx1/SiNx2减反射膜，板式PECVD则采用渐进式减反射膜。
由于SiNx薄膜可调的折射率范围比较小，相比于单层减反射膜，不管是双层SiNx1/SiNx2减反射膜，还是渐进式减反射膜，对反射率的降低并不是十分显着。
（2）减小正面电极遮光损失：
新型正面电极结构例如MWT（metalWrapThrough）电池，它通过激光穿孔和灌孔印刷技术将正面发射极的接触电极穿过硅片基体引导到硅片背面，通过16个电极孔收集光生电流，如图3所示，直接减少了主栅的遮光面积。
在MWT电池组件的封装技术中，导电胶的采用将背面正负极同时与基板连接，这样增加堆积密度，不仅方便安全，而且也减少FF损失和提高Jsc（分别大约2.5%和1.6%）。
图3.MWT电池及其横截面示意图
把正面电极遮光减小到极致的是IBC电池，如图4所示。
该技术在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成有指状交叉排列的P+区和N+区，以及相对应的P区金属电极和N区金属电极。
所有的金属电极都排列在电池背面，因此正面（受光面）完全没有遮光损失。
此外，P+和N+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2，大大降低了串联电阻。
图4.IBC电池及其结构示意图
（3）减小电阻损耗：
减小正面电极的电阻损耗往往需要和减小正面电极的遮光面积之间进行平衡。
其中在工业化生产中应用最成熟的是细栅密栅电池技术。
在不降低正面电极总的印刷浆料增重的前提下，将细栅线宽度降低，细栅线数目增加。
细栅线数目增加意味着相邻栅线之间的间距减小，从而横向电阻降低，同时不增加遮光面积。
多主栅技术也是减小电阻损耗的主要方式。
细栅线从一端到最近主栅的距离降低，可以减小总的细栅线电阻。
采用多主栅的同时，主栅的宽度适当降低，从而不增加总的遮光面积。
另外一个能够减小电阻损耗的技术是二次印刷技术。
该技术通过套印两次细栅线，一方面降低细栅线的宽度、另一方面还能增加细栅线的高度，在降低细栅线电阻损耗提高填充因子的同时，还能提高电池的短路电流。
（4）减小载流子复合：
最简便的减小载流子复合的方式是使用低杂质含量、低缺陷密度的高品质硅片。
最近几年由于硅片铸锭工艺的进步以及高品质多晶硅料的使用，硅片的体少子寿命有很大改进。
普通多晶硅电池的转换效率也有显着的提高，目前业内平均转换效率在18.4%左右。
晶体硅电池的扩散层属于掺杂较重的区域，相比于电池的基底区域，少数载流子复合较为严重。
降低扩散层的掺杂浓度能够有效降低少数载流子复合，提高电池的开路电压和短路电流。
高阻密栅（高扩散方阻、多细栅线数目）技术是目前业内普遍应用的技术手段。
高阻密栅技术通过提高电池扩散层的方块电阻，降低扩散层的表面掺杂浓度以及总的掺杂浓度，最终提高开路电压和短路电流。
不过由于横向电阻增加以及表面浓度降低，该技术需要牺牲一部分填充因子。
选择性发射极技术能够同时兼顾高扩散层方块电阻以及填充因子，该技术在电极区域形成的是重掺杂的N型层，极大降低了与金属电极的接触电阻，有益于改善填充因子，同时在受光区形成的是轻掺杂的N型层，能有效降低N型层的载流子复合，改善短波段的光谱响应，提高开路电压和短路电流。
2010左右，该技术在业内曾非常热门，当时与均匀发射极电池相比，转换效率能够提高0.2个百分点左右。
近几年由于浆料的性能不断改进，选择性发射极的优势越来越小，个别选择性发射极技术如硅墨技术、激光选择性发射极逐渐被淘汰出局。
对晶体硅电池而言，提高转换效率的重要途径是改善前表面以及背表面的钝化效果。
由于P型晶体硅电池的扩散层是N型导电层，使用目前的SiNx减反射薄膜内带有固定正电荷，能够起到良好的场钝化效果，使用SiOx/SiNx薄膜能够进一步提高界面的介质钝化效果。
在晶体硅电池背面，目前的铝背面场可以提供一定的场钝化效果，但Al作为受主杂质在硅材料内部的固溶度较低，铝背场提供的场钝化效果比较弱。
能够显着改善背面钝化效果的是AlOx/SiNx钝化薄膜，一方面AlOx薄膜内部的固定负电荷密度较高，能够提供较强的场钝化能力;另一方面，在高温烧结过程中，AlOx与P型硅基片界面能够形成一层1~2nm厚的SiOx层，起到介质钝化的作用。
对于P型基底，AlOx/SiNx叠层薄膜能够将少数载流子的表面复合速率降低到10cm/s。
许多高效电池结构，如PERC、PERC、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx叠层钝化薄膜为基础。
与常规晶体硅电池相比，PERC电池用AlOx/SiNx叠层薄膜替代铝背场，背面镀完AlOx/SiNx后进行局部的激光剥离出硅基片和背面铝层的接触窗口，背面的光生电流通过该窗口被背面铝层收集。
目前PERC电池技术已经成为热门的高效量产技术，其转换效率提升在0.5~0.8个百分点之间。
3.20.5%以上效率多晶电池量产技术路线
晶科能源专注于具有可量产性的高效电池开发，目前已经实现了20%以上的高效多晶电池的批量生产，有望在年内实现20.5%以上量产效率。
其高效多晶硅电池结构如图7所示。
以金刚线切割的多晶硅片为基础，正面是低反射率的亚微米级绒面，结合SiOx/SiNx薄膜保证正面的钝化效果。
背面采用AlOx/SiNx叠层钝化，形成PERC电池结构，大大改善背表面的钝化效果。
低反射率的亚微米级绒面使得高效多晶电池具有明显的短路电流增益。
SiOx/SiNx薄膜又能够使得正面的表面积增加的情况下，钝化效果不降低。
背面PERC结构一方面提高了背面长波段的光谱响应，同时背面的背反射改善了长波段太阳光的利用次数。
在正面电极上，采用多主栅细栅密栅设计。
这种高效电池结构保证了优越的短路电流、开路电压和填充因子，最终获得了高转换效率。
图7.晶科能源量产高效多晶电池结构示意图
金刚线切割的多晶硅片硅材料损失较少，单位时间内的切片数增加，在成本上比常规砂浆线切割的多晶硅片有优势。
而且其机械损伤较少，相应的缺陷密度较小。
但是用常规的酸制绒手段不能实现有效的绒面制备。
金刚线切割的多晶硅片经过常规酸制绒后的表面平均反射率接近30%，只能选择另外的新型的制绒手段。
针对金刚线切割多晶硅片，晶科能源实现的高效电池生产技术工艺流程如图8所示。
在先进制绒阶段，金刚线多晶硅片经过常规酸制绒工艺进行初步制绒，去除表面附近的损伤层。
继续经过黑硅技术手段进行再制绒，形成亚微米级的绒面。
后续经过绒面微处理完成整个先进制绒过程。
为增强前表面的钝化效果，一低温氧化的薄层SiOx薄膜被引入到正面扩散层表面。
除了提供钝化效果，该氧化层还具有一定的抗PID效果。
低温氧化工艺使得增加该工艺步骤所需的成本较低。
在PERC结构化阶段，高效电池先经过背面AlOx/SiN叠层薄膜沉积，再进行正面SiNx减反射薄膜沉积。
后续经过激光开膜形成背面铝层的接触窗口，然后印刷PERC铝浆，通过调整匹配PERC铝浆的烧结工艺，达到形成良好背面局部接触的效果。
背面PERC结构将降低背面复合速率，改善长波吸收效率，从而提升整体电性能。
特别值得一提的是，当电池正面和背面分别集成黑硅技术和PERC技术的情况下，电池效率的实际提升达到了1+1>2的效果。
这与以往电池片正面或背面多项技术集成时出现的提升效果无法叠加是不同的。
图8.晶科能源量产高效多晶电池的工艺流程
4.20%以上效率多晶电池电性能表现
图9所示的双面钝化的少子寿命测试表明，金刚线多晶硅片具有较高的体少子寿命，达到350us左右，优于常规砂浆线多晶硅片。
这样就从基础上保证了高效多晶电池的转换效率。
图9.双面钝化少子寿命对比测试
经过先进制绒技术手段得到的绒面尺寸在亚微米范围。
从SEM图片（图10A）观察，制绒后的绒面在虫卵形凹坑内部还有许许多多微小的丘陵结构，入射光在虫卵凹坑内的微型丘陵结构表面处形成多次反射，从而极大降低制绒后的反射率。
和常规酸制绒相比，其平均反射率能够降低到10%以下。
背面PERC结构中的AlOx/SiNx叠层薄膜，一方面是钝化膜，另一方面和背面铝层组成了一面反射器。
AlOx/SiNx叠层薄膜中的负电性固定电荷起到了场钝化的作用，AlOx和硅基底背面形成SiOx薄层还起到介质钝化效果，两者叠加很好改善了背面的钝化效果。
从内量子效率测试看，如图11所示，在中长波段，高效电池相比常规电池的内量子效率有显着提升。
背面AlOx薄膜的折射率约为1.6，SiN薄膜的折射率在2.1左右，AlOx/SiNx叠层薄膜与硅基底以及背面铝层较大的折射率差异使得透射到背面的中长波段入射光被反射回电池内部，增加了对中长波段太阳光的利用率。
图11.高效多晶硅电池的内量子效率
良好的金刚线切割多晶硅片品质、极低的正面反射率、优越的背表面钝化性能和背反射特性、优化的正面电极多主栅设计，使得晶科能源的高效多晶硅电池批量生产效率超过20%，也有机会进一步提升到20.5%以上。
短路电流密度从常规多晶电池的36.7mA/cm2提升到39.3mA/cm2，开路电压从638mV提高到659mV，创造了业内多晶硅电池量产效率记录。
图12为高效多晶硅电池批量生产效率分布。
图12.高效多晶硅电池批量生产效率
来源：
晶科能源 本期责编：
DM
而在4月份摩尔光伏刊登过晶澳太阳能有限公司产品技术部总监宋锋兵关于《光电转换效率20%以上多晶电池技术研究及产业化》，小编也分享给大家。
引言
中国光伏产品产能占全球近60%，其中80%以上是多晶产品。
多晶产品具有成本优势，但相对较低的光电转换效率，很大程度上制约其降低光伏度电成本的潜力。
2015年上半年以来，中国一线厂商多晶电池光电转换效率先后迈入18%门槛。
在此基础上，如果能提高光电转换效率绝对值2.0%，达到20.0%以上水平，可以降低系统度电成本10%左右。
如何达到这一目标，是否有可行的解决方案，是中国光伏行业面临的挑战和机遇。
值得庆幸的是，在全球市场压力和国家政策引导双重驱动下，中国光伏领军企业纷纷加大对研发的投入，技术创新取得了长足的进步。
近几年来，高效铸锭技术、高效电池技术日趋成熟并逐步转入量产，为高性能、低成本多晶电池的产业化实现提供了契机。
高效铸锭技术，即通过新型铸锭方式实现低缺陷的多晶硅生长，有效降低晶体内复合，实现少子寿命的显著提升，为提高电池转换效率提供原料条件。
反应离子刻蚀技术，即通过对多晶绒面进行微处理而降低电池表面反射率，提高电池短波吸收，从而提高多晶电池转换效率。
背钝化技术，利用Al2O3等薄层在电池背面形成钝化层，增加对长波光的吸收，降低少子在背表面的复合，从而达到提升电池转化效率的目的。
本文论述如何将以上三项技术进行有机整合，分别对硅片基体、电池器件正面结构、电池器件背面结构进行革新，实现效率20%以上多晶电池的开发和产业化。
高效多晶硅铸锭技术
硅片是太阳能电池制备的原材料，所以硅片的晶体品质是决定电池性能的关键因素。
传统铸锭多晶硅在具有大量晶界的同时，晶体中还存在高密度位错等缺陷，严重影响少子寿命，影响电池转换效率。
这也是造成多晶硅与单晶硅电池转换效率差异的关键原因之一。
在铸锭多晶硅发展的几十年当中，业界一直在为提高多晶硅片品质进行不懈努力，但是一直没有取得突破性的进展，直到近两年高效多晶硅的诞生使得多晶硅片品质向前迈进了一大步。
早期多晶硅的改进主要寄希望于生长大比例性能优良的孪晶，如台湾中美晶（SAS）的A+、A++等多晶硅产品，但是规模化上量存在稳定性方面的问题，提升效果也有限，所以并不是很成功[1]。
近两年来发展的高效多晶硅铸锭技术是采用同质或异质籽晶进行引晶实现晶粒结构优化，从而达到晶体品质的提升，由此得到的高效多晶硅片性能优越，目前已经逐步取代了传统多晶硅产品。
与传统多晶硅片相比，高效多晶硅片中的不同晶粒具有类似的形状、尺寸较小且均匀（如图1）。
高效多晶硅的这种晶粒结构有助于改善晶体中的位错分布，其总体位错密度较传统多晶硅下降约1个数量级，基本保持在104cm-2，而且呈现分散的分布，很难观察到高密度位错聚集区（如图2），缺陷密度及分布的改善使得晶体的少子寿命得到明显提升。
高效多晶硅的开发是多晶硅片品质提升的一个重要突破，在常规的电池工艺条件下，高效多晶硅片的使用可将电池转换效率提升0.5%，同时也为更高效率的多晶硅电池制备提供了优质的原料基础。
反应离子刻蚀技术
增加光吸收是提升电池转换效率的重要途径，通过绒面制作加强硅片表面的陷光作用是增加光吸收的主要手段之一。
与单晶硅中的金字塔绒面结构相比，采用传统酸制绒获得的多晶硅表面陷光效果较差，这也一直是多晶硅电池的劣势环节，并成为制约多晶硅电池效率提升的因素之一。
反应离子刻蚀技术（ReactiveIonEtching，RIE）的应用则可有效地弥补这一缺陷，在多晶硅片表面获得低反射率的绒面结构，增加光吸收，从而提升电池转换效率。
RIE技术是物理性的离子轰击与化学反应相结合的刻蚀技术，利用化学反应性气体（SF6、Cl2、O2等）产生的具有化学活性的基团和离子，其中的高能离子轰击被刻蚀材料，产生损伤的表面，进一步加速活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率。
该方法可以在硅片表面形成均匀的纳米陷光结构（如图3）。
将RIE技术与酸制绒相结合，可以在传统的多晶硅绒面结构（如图4）基础上进一步增加一层具有优良陷光作用的纳米表面，得到的绒面结构如图5所示，该结构有助于增加光线的反射次数，提升光的吸收率。
多晶硅片正常酸制绒之后的反射率大概在24%左右，RIE制绒后反射率有大幅度降低，尤其是在短波段的反射率，相对降低了60%以上，如图6及图7所示。
在使用RIE制绒过程中，由于等离子轰击使得硅片表面存在严重损伤，从而成为强复合中心，降低了p-n结对少数载流子的收集率，影响其在量子效率上的表现（如图8），所以在电池表面的陷光优势并没有转化为电池短路电流的提升。
采用匹配性去损伤及钝化工艺可以有效去除掉电池表面的损伤层与缺陷，硅片前表面损伤得到修复后，RIE电池的光电量子效率得到大幅提升（如图9）。
目前RIE技术已经实现成熟量产化，为高效率多晶硅电池的发展奠定了基础。
RIE工艺制备的均匀纳米陷光结构可以有效地解决金刚线切多晶硅片的制绒问题，采用该技术可消除金刚线切多晶硅片表面带来的绒面差异，获得与砂浆线切多晶硅电池一致的转换效率。
所以，RIE技术有助于实现金刚线切技术在多晶硅中的应用，将RIE技术与金刚线切割技术相结合，可在提升电池效率的同时，也为高效率多晶硅电池产品的成本下降提供空间。
背钝化技术
背钝化技术（passivatedemitterandrearcell，PERC）无凝是近两年来太阳能电池产业中的热点技术，该技术诞生于上世纪80年代，由此制得的晶硅电池转换效率屡破纪录[4]。
随着工艺、设备及相关原材料的日趋成熟，该技术已经逐步从实验室走向了生产线，为高效晶硅电池的发展提供了条件。
据相关预测，在未来的几年中，PERC将在量产上得到飞速发展，成为未来的主流电池技术[2]。
PERC电池的结构示意图如图10所示。
PERC技术采用Al2O3对硅片的背面进行钝化，在Al2O3/Si接触面具有高的负电荷密度从而表现出显著的场效应钝化；具有很好的热稳定性，Al2O3/Si与Si的接触面存在一层极薄的SiO2对于负电荷形成有决定性作用，且SiO2可以减少Al2O3/Si的接触面的界面态，从而提高电池片在长波处的吸收（如图11）。
而且从外量子效应（EQE）和反射率（Reflectivity）曲线上对比可以发现PERC电池长波处（900-1200nm）的反射率与量子效应明显高于传统电池。
采用PERC技术获得的背场反射增强，可有效降低长波的光学损失及背表面复合速率。
高质量的背面钝化使得电池的Voc与Isc较之常规电池有大幅提升，从而达到提升电池转化效率的目的。
早期的研发及近期的量产推广的PERC电池基本上是基于高品质的单晶硅，但是随着高效多晶硅的开发将多晶硅品质显著提升，PERC技术应用于多晶硅电池也成为一个新的选择，采用PERC工艺多晶电池效率可以达到19.5%。
如果与RIE等技术相结合，在多晶硅电池中将实现更为可观的效率增益。
强强联合制备高效率多晶硅电池
以上先进技术的日渐成熟为高效多晶硅电池的发展奠定了基础。
首先，RIE技术与PERC技术相结合有效增加了电池对光的吸收率，实现了可见光全波段的吸收增益（如图14），为电池转换效率的提供了条件。
其中，RIE技术有效降低了电池中入射表面的反射损失，特别是大幅度提升了短波段的吸收率；PERC技术制作的背场则增强了光的背面反射，提高了电池对长波的吸收。
另一方面，高效多晶硅片的使用有效降低了硅片基体内的复合，同时PERC技术的钝化层降低了表面复合，两者结合减少了电池中的复合损失，保证了被吸收光能的有效利用。
将这些新型技术相结合，可以从多方面提升多晶硅电池的性能，实现1+1+1>3的提升效果，将多晶硅电池的转换效率提升至一个新的台阶。
2014年下半年，晶澳太阳能量产了RIE技术（润秀，RIECIUM），产线量产平均效率达18.8%。
2015年4月，晶澳太阳能整合了RIE和PERC技术，基于高效多晶硅片对新一代润秀技术（RIECIUMPLUS）进行了中试，电池平均效率超过20.0%，打破了多晶电池效率的纪录。
2015年下半年，晶澳太阳能计划垂直整合硅片（高效多晶硅片、金刚线切割）、电池（RIE、PERC）和高效组件技术优势，量产平均电池效率预期20%以上，平均组件（60片电池标准组件）功率预期285W以上。
转化效率20%以上多晶硅电池技术产业化展望
光伏行业在全球范围仍需政府补贴来支持，光伏清洁能源走进千家万户、实现完全的市场化面临着提高质量、大幅降低度电成本的挑战。
现阶段国内光伏度电成本依然高出火电上网电价50%左右，如果要到达2020年平价上网的预定目标，需要每年整体降低度电成本10%左右。
这需要中国光伏企业进行高质量的创新，在控制成本的前提下，有效的提升光伏产品的光电转换效率。
在新一代高效多晶硅片基础上，整合RIE技术、背钝化技术等主流新技术，完全有可能提升电池转换效率至20%以上，并实现大规模产业化，整体降低光度度电成本10%左右。
无论是在大型地面光伏电站上，还是在分布式光伏系统方面，都具有很好的应用前景。
这类具有自主知识产权的高性能、低成本解决方案，可以提振中国光伏产品的品牌形象，提升中国光伏产业在全球的核心竞争力。
参考文献略
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