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技术整理:光伏发电原理和光伏电池片前沿技术

日期:2023-12-30    来源:光伏技术共享交流

国际太阳能光伏网

2023
12/30
11:16
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关键词: 光伏电池 光伏产业 N型电池片

光伏电池片领域降本增效是推动光伏产业不断发展的内在牵引力,其中以提升光电转换效率为目标的光伏电池片技术变革是推动降本增效的关键举措之一。2015年至2020年,光伏电池片经历了BSF到PERC的应用技术迭代;2021年以来,以TOPCon、XBC、HJT为代表的新型高效光伏电池片技术开始逐步进入规模化应用阶段。在光伏电池片技术的变革过程中,设备是支撑工艺和产能落地的基础和核心,新设备技术需要均衡成本、性能等核心要素,因此设备厂商需要与下游客户紧密配合,根据新的工艺特点提供兼顾成本、效率的系统性解决方案,具有较高的技术和产品壁垒。

比如在光伏电池片核心工艺设备方面,拉普拉斯利用核心技术应用,通过不断创新持续满足下游客户的多项需求,包括:

①使用气态硼源,结合低压氛围、高温等特点攻克工艺难题,率先实现硼扩散设备规模化量产和应用,突破N型电池片量产工艺瓶颈;

②率先实现光伏级大产能LPCVD大规模量产,可高质量满足高效光伏电池片隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备的工艺需求;

③自研水平放片工艺,有效提升产能,满足大硅片、薄硅片的生产需求,降低成本;

④自主设计和生产核心零部件热场,创造性地进行非对称设计,实现精准控温,提高光伏电池片效率和良率,并提升设备可靠性等。

光伏发电的基本原理

光生伏特效应(即“光伏效应”)是指当物体受到光照时,因光能被吸收,电子发生跃迁,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

根据半导体的特性,半导体中有电子和空穴两种电流载体(指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,简称“载流子”),其中电子带负电、空穴带正电,半导体材料中某种载流子占大多数,则称它为多子,占小部分的即为少子。硅片最基本的材料是“硅”,纯净的硅不导电,但可以通过在硅中掺杂来改变特性:在硅晶体中掺入硼元素,即可做成P型硅片;掺入磷元素,即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素价位特点不同,P型硅片中空穴作为多子主要参与导电,电子是少数载流子(少子);N型硅片中电子作为多子主要参与导电,空穴是少子,上述P(Positive,正电)和N(Negative,负电)即根据硅片多子的正负电情况进行的命名。

PN结(结是指交叉,译自英文“PNjunction”)是光伏电池片的基本结构单元,其通常形成于同一块硅片中P型区域和N型区域的交界处,可以通过向P型硅片表面扩散磷元素或者向N型硅片表面扩散硼元素制得。

光伏电池片发电即是利用PN结位置产生的自由电子的电位差来产生电流,当太阳光照射在电池片表面时,电子吸收能量变为移动的自由电子,同时在原来的位置形成空穴,自由电子受到内电场的作用会向N区移动,同时对应空穴向P区移动,当连接电池正负极形成闭合回路时,自由电子受到内电场的力从N区经过导线向P区移动,在外电路产生电流。光伏电池片内部结构及发电原理的简要示意图如下:

影响光伏发电效率的核心要素

光伏发电的本质是将光能转化为电能,因此减少光学损失和电学损失是提升光伏电池片转换效率的两个关键方向。光学损失产生的主要原因是材料表面的反射及遮挡损失,包括电池片前表面和背表面的反射以及组件玻璃的反射、电池栅线的遮挡等。目前减少光学损失的主要方法包括:

①利用化学方法对硅片表面进行腐蚀,形成绒面,增加陷光作用;

②制备减反膜降低反射率,例如玻璃减反膜、电池表面的氮化硅减反膜;

③优化电池栅线,减少栅线遮挡损失,例如使用多主栅及新型高效的XBC电池技术。

目前,制绒、减反膜、多主栅等技术目前应用已较为广泛,发展较为成熟,XBC电池技术正在进入快速发展阶段,XBC电池的PN结和金属接触都处于电池的背面,正面没有金属电极遮挡的影响,同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻从而提高填充因子。

电学损失产生的主要原因是光伏电池片体内及表面电子和空穴的复合,复合率越低,光电转换效率就越高。电池片表面的表面态(悬挂键、杂质、晶格失配和损伤层等)以及电池片内部存在的杂质,它们都会成为载流子的复合中心。

对于解决材料本身的内部缺陷及杂质等引起的问题,单晶硅要优于多晶硅,N型电池要优于P型电池;对于电池表面的复合中心,通过改变光伏电池的结构,如引入钝化膜(主要为Al2O3、SiNx)、隧穿氧化及掺杂多晶硅层等方式,可以有效延长电池片内部少子寿命,减少复合导致的电学损失。

随着单晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx为代表的钝化膜技术在此前的PERC技术也已经得到普遍应用,在材料方面引入N型硅片衬底及电池片结构方面进一步加强钝化效果(如引入隧穿氧化及掺杂多晶硅层)是目前进一步降低电学损失的成熟有效方式,应用该等改善材料和进行结构改变的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏电池片技术。

各主要电池片技术的具体情况如下:

注:以上转换效率理论极限值数据来自于权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)。

②具有多方面优势的N型光伏电池片技术已日趋成熟

光伏电池片的生产是以硅片为基础材料,通过扩散掺杂元素、多层镀膜等多步骤处理后,形成基本发电单元的过程。其中,以P型硅片作为衬底通过磷元素扩散或掺杂最终制作出的电池片为P型电池片,代表性是基于PERC技术产品;以N型硅片作为衬底通过硼元素扩散或掺杂最终制作出的电池片为N型电池片,具有代表性的为N型TOPCon、N型IBC、N型HJT等新型高效光伏电池片。N型电池片相较于P型电池片具有较为显著的优势:

A、高转换效率:N型电池片的少数载流子寿命显著高于P型电池,能够极大提升电池的开路电压和短路电流,带来更高电池转化效率,如N型TOPCon的转换效率理论可达28.7%,显著高于PERC的24.5%;

B、低衰减率:N型电池片衬底硅片主要掺入磷元素,在材料中不会形成硼氧原子对(导致P型电池光致衰减的主要因素),因而N型电池片的初始光诱导衰减几乎为零,整体衰减率较低;

C、弱光效应好:N型电池片弱光条件下光谱响应好,提升早晚等弱光情况下的发电能力;

D、高双面率:双面率高达85%以上,有效提升发电增益;E、低温度系数:传统P型电池片温度每升高一度,输出功率就降低0.4%~0.5%,而N型电池温片度系数仅有前者一半左右,发电量显著高于P型电池片。

从光伏电池片技术降本增效的发展目标和趋势来看,在解决了生产设备技术攻关、生产工艺提升、成本优化等关键问题后,TOPCon和XBC两种技术路线下的N型电池片已实现落地量产,其中已量产TOPCon的代表性主流厂商包括晶科能源、钧达股份、中来股份等,已量产或投产XBC的厂商为爱旭股份及隆基绿能。

低压水平硼扩散技术

N型光伏电池片具有高转换效率、低衰减率、弱光效应好和低温度系数等优势,但是,N型硅片需要在硅片表面扩散硼元素以达到形成PN结的目的,而硼扩散设备一直是困扰N型光伏电池片量产的难题,所以最早大规模量产的单晶硅电池是P型的PERC。

硼原子相对于其拟扩散进入的衬底硅原子而言,原子质量较小,对硅原子的替代需要更高的能量,硼扩散工艺相对于磷扩散需要的温度更高(由850℃上升至1050℃左右),且扩散时间长,工艺难度大,设备维护费用高。

行业内原有工艺采用三溴化硼作为扩散硼源,通过氮气携源的方式通入设备,其通入状态为小液滴,在扩散过程中,容易造成硼源在硅片表面分布不均匀,导致形成的PN结不均匀,同时产生的副产物为粘稠状物质,设备需要频繁维护,稼动率低,运营成本极高,难以实现大规模量产,主要用于研发。

低压水平硼扩散技术,很好地解决了前述技术瓶颈:

①采用三氯化硼作为扩散硼源,在一定温度下通过饱和蒸汽压的方式通入设备,通入状态为气态,扩散过程中硼源在硅片表面分布均匀,形成更均匀的PN结,解决N型电池PN结制备均匀性较差的难题;

②使用气态三氯化硼作为掺杂源,与传统三溴化硼液态源硼扩散相比,在设备营造的特殊反应氛围下,副产物为粉末状的氧化硼,石英管寿命长、维护费用低、运营成本低。

TOPCon电池片由PERC电池片的基础架构升级而来,主要差别在于硼扩散与隧穿氧化及掺杂多晶硅层的制备:

A由于衬底硅片由P型变为N型,所以需要在衬底表面进行硼扩散以制备P+发射极;

B背面由隧穿氧化及掺杂多晶硅层构成,以多晶硅层的制备方式划分,主要分为三种技术路线,分别为LPCVD、PECVD及PVD,其中LPCVD相较于PECVD、PVD在技术成熟度、成膜质量(均匀性好、致密度高)方面具有优势,随着石英管寿命的提升以及双插工艺(双插,即一个舟齿放置两块硅片,相较于单插,硅片放置量提升一倍)的不断成熟,LPCVD已成为下游客户的主流选择。除上述外,TOPCon生产过程涉及的其他设备则与PERC大体相同,主要环节包括清洗制绒、刻蚀、正面氧化铝(Al2O3)沉积、双面氮化硅(SiNx)沉积、丝网印刷等。

XBC电池片制造工序较PERC差异较大,但也需要使用LPCVD制备隧穿氧化和掺杂多晶硅层,N型XBC则还需要硼扩散设备进行硼掺杂。

②硼扩散设备是制备N型电池片PN结的主要设备

N型光伏电池片具有高转换效率、低衰减率、弱光效应好和低温度系数等优势,但是,N型硅片需要在硅片表面扩散硼元素以达到形成PN结的目的,而硼扩散设备一直是困扰N型光伏电池片量产的难题。

硼原子相对于其拟扩散进入的衬底硅原子而言,原子质量较小,对硅原子的替代需要更高的能量,硼扩散工艺相对于磷扩散需要的温度更高(由850℃上升至1050℃左右),且扩散时间长,工艺难度大,设备维护费用高。行业内原有工艺采用三溴化硼作为扩散硼源,通过氮气携源的方式通入设备,其通入状态为小液滴,在扩散过程中,容易造成硼源在硅片表面分布不均匀,导致形成的PN结不均匀,同时产生的副产物为粘稠状物质,设备需要频繁维护,稼动率低,运营成本极高,难以实现大规模量产,主要用于研发。

低压水平硼扩散技术,很好地解决了前述技术瓶颈:

A采用三氯化硼作为扩散硼源,在一定温度下通过饱和蒸汽压的方式通入设备,通入状态为气态,扩散过程中硼源在硅片表面分布均匀,形成更均匀的PN结,解决N型电池PN结制备均匀性较差的难题;

B使用气态三氯化硼作为掺杂源,与传统三溴化硼液态源硼扩散相比,在设备营造的特殊反应氛围下,副产物为粉末状的氧化硼,石英管寿命长、维护费用低、运营成本低。

③LPCVD是制备高质量隧穿氧化及掺杂多晶硅层的成熟设备

目前N型电池片隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备的技术路线分为LPCVD方案(LPCVD+磷扩散设备)、PECVD方案(PECVD+退火)、PVD方案(PVD+退火)。LPCVD凭借技术成熟、成膜质量高、产能大等优点成为下游客户最主流的解决方案;PECVD方案则在成膜效率方面具有一定优势,部分厂商也进行了采纳;少部分厂商基于PVD低绕镀等优势则选择了PVD方案。

在未将光伏级大产能LPCVD推向市场之前,主要行业痛点在于:

ALPCVD原成熟应用于半导体领域,但光伏相对于半导体的成本控制要求更高,隧穿氧化及掺杂多晶硅层对光伏电池片转换效率提升带来的收益与相应增加的工序成本相比较必须具有经济性,此外还有大产能的需求,对于结构构造、工艺设计提出了特殊的要求;B

石英管损耗较高,增加了生产成本;C镀膜均匀度较差。

拉普拉斯结合上述痛点创造性地进行了气流控制设计、载片设计、非对称热场设计、硅片载具的创新设计、自适应串级温控设计、优化设备结构延长石英管寿命和提升产能,并自研新型石英管涂层技术进一步延长石英寿命,完成了光伏级大产能LPCVD的量产落地,为客户产品中隧穿氧化及掺杂多晶硅层制备提供成熟的LPCVD解决方案。


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