1、引言
多晶電池效率的提升受制于表面反射率的降低。常規(guī)多晶主要采用酸制絨,形成蠕蟲狀的坑洞;而單晶采用堿制絨,形成金字塔結(jié)構(gòu)的絨面。相比單晶電池,常規(guī)多晶電池的表面反射率高3%~5%(絕對值)。降低表面反射率是提高多晶電池效率的關(guān)鍵。成本方面,單晶硅片受益于金剛線切割工藝的推廣,成本大幅下降;而多晶硅片金剛線線切的推廣受制于電池制絨工藝的匹配,具體講,金剛線線切多晶硅片使用常規(guī)制絨工藝后,反射率更高并有明顯的線痕等外觀缺陷,嚴(yán)重降低電池效率。阿特斯開發(fā)的濕法黑硅技術(shù)完美的解決以上問題,既能提升電池效率又能降低電池成本,是多晶電池繼續(xù)進(jìn)步的必由之路。
制備黑硅所采用的技術(shù)主要有:
①激光刻蝕法;
?、跉庀喔g法;
?、鄯磻?yīng)離子刻蝕法(Reactive Ion Etching,RIE);
④金屬催化化學(xué)腐蝕法(Metal Catalyzed Chemical Etching,MCCE)。
目前,具有量產(chǎn)可能性的黑硅技術(shù)主要是RIE。但是,RIE黑硅由于需要昂貴的真空設(shè)備以及工藝均勻性較差等因素,尚未大規(guī)模進(jìn)入量產(chǎn)。阿特斯歷經(jīng)3年的自主研發(fā),攻克多道技術(shù)難關(guān),于2014年12月成功將濕法黑硅技術(shù)推廣到生產(chǎn)線,實現(xiàn)0.4%(絕對值)的電池效率增益,成為業(yè)界首家將該技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的太陽能電池公司。如圖1所示,這一技術(shù)大大加快了多晶電池效率的提升速度,使得多晶電池量產(chǎn)效率有望在2016年底提前達(dá)到19%。阿特斯開發(fā)的濕法黑硅成本優(yōu)于RIE,反射率均勻性好,易于產(chǎn)線工藝升級。隨著該技術(shù)的逐漸成熟,阿特斯的濕法黑硅技術(shù)勢必將取代現(xiàn)有常規(guī)多晶制絨,為金剛線切割硅片的及時導(dǎo)入和多晶電池的降本增效提供原動力。
圖1業(yè)界主流多晶效率趨勢
2、產(chǎn)業(yè)化黑硅電池技術(shù)概述
早在2004年,日本京瓷公司引入了RIE多晶制絨技術(shù)。在2008年,以韓國公司為代表的設(shè)備廠家開始在中國推廣RIE技術(shù)。一些一線電池廠家對該技術(shù)也進(jìn)行過小批量評估,由于較高的工藝成本以及組件功率收益不理想,該技術(shù)最終沒能推廣成功。近兩年,基于硅片廠家對金剛線切片技術(shù)導(dǎo)入的預(yù)期以及電池、組件技術(shù)的快速發(fā)展,RIE黑硅技術(shù)又逐漸進(jìn)入業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的視野。同時,國產(chǎn)RIE設(shè)備也促進(jìn)了該技術(shù)發(fā)展。但RIE設(shè)備的綜合性價比始終制約著該技術(shù)的大規(guī)模推廣。
另外一種可大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的黑硅技術(shù)是濕法黑硅技術(shù)。早在2006年,德國的Stutzmann小組即提出了金屬催化化學(xué)腐蝕的概念并在實驗室進(jìn)行了初步的研究;直到2009年,美國國家可再生能源實驗室(NREL)的Branz博士提出了全液相黑硅制備方法,將濕法黑硅技術(shù)朝產(chǎn)業(yè)化方向又推進(jìn)了一步。但是,他們一直未能解決好黑硅表面鈍化難題,使得濕法黑硅技術(shù)一直停留在實驗室階段。濕法黑硅技術(shù)基本原理如圖2所示,采用Au、Ag等貴金屬粒子隨機(jī)附著在硅片表面,反應(yīng)中金屬粒子作為陰極、硅作為陽極,同時在硅表面構(gòu)成微電化學(xué)反應(yīng)通道,在金屬粒子下方快速刻蝕硅基底形成納米結(jié)構(gòu)。
圖2金屬催化化學(xué)腐蝕原理圖
以上兩種產(chǎn)業(yè)化黑硅技術(shù)比較如下。
與常規(guī)的多晶電池相比,濕法黑硅電池不同之處在制絨這一工序,由于同樣采用濕法化學(xué)腐蝕工藝,與現(xiàn)有的常規(guī)電池工藝能很好的兼容。而RIE黑硅是在常規(guī)酸腐蝕后,再進(jìn)行RIE形成納米絨面,最后通過化學(xué)腐蝕去除硅片表面的殘留物和離子轟擊帶來的損傷層。比常規(guī)多晶電池制程,增加了至少兩道工序。
3、阿特斯?jié)穹ê诠?span id="l0yvznw" class="hrefStyle">電池技術(shù)進(jìn)展
阿特斯早在2009年開始黑硅技術(shù)調(diào)研,并選用濕法黑硅技術(shù)作為黑硅技術(shù)的首選,一直致力于產(chǎn)業(yè)化濕法黑硅技術(shù)的開發(fā)。
濕法黑硅技術(shù)產(chǎn)業(yè)化最關(guān)鍵的技術(shù)難點在于:一、通過納米微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及后道工序匹配,解決減反效果與其帶來的表面鈍化問題之間的矛盾;二、開發(fā)適合產(chǎn)業(yè)化的穩(wěn)定工藝流程以及成本控制,提高凈收益。如何設(shè)計合適的設(shè)備,確保該工藝能夠全天候穩(wěn)定運行,是產(chǎn)業(yè)化必須面對的問題。
阿特斯開發(fā)的濕法黑硅技術(shù),可以實現(xiàn)不同類型的納米絨面。這些絨面包括:納米正金字塔、納米倒金字塔、納米柱、納米凹坑等,如圖3所示。對于不同類型的納米結(jié)構(gòu),其光學(xué)特性以及電學(xué)特性是不同的。光學(xué)特性主要是封裝后光學(xué)多次反射的角度和路徑不同,從而導(dǎo)致組件端光學(xué)增益的不同;電學(xué)特性主要是不同納米結(jié)構(gòu)的尺寸以及表面積不同,從而導(dǎo)致表面鈍化的不同,進(jìn)而影響最終電池的電性能。濕法黑硅的優(yōu)勢就在于,它可以調(diào)控不同類型的納米微結(jié)構(gòu),通過光學(xué)和電學(xué)性能上的匹配,實現(xiàn)濕法黑硅組件功率的最大化。
圖3不同類型的濕法黑硅納米絨面結(jié)構(gòu)
2012年底,阿特斯在實驗室實現(xiàn)濕法黑硅技術(shù)效率上的突破,隨后在向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移的過程中,通過不懈努力解決了諸多技術(shù)難題,于2014年12月將該技術(shù)成功推廣到生產(chǎn)線,在世界上首次實現(xiàn)濕法黑硅技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,使電池平均效率提升達(dá)到0.4%。表1是阿特斯產(chǎn)業(yè)化濕法黑硅電池典型電性能數(shù)據(jù)(所列各項均為與常規(guī)電池參照組相比的絕對增益)??刂坪秒姵毓に嚕_保效率提升和關(guān)鍵電性能參數(shù)的穩(wěn)定,對黑硅電池效率轉(zhuǎn)化成組件CTM至關(guān)重要。
濕法黑硅技術(shù)是通過提高電池的短波響應(yīng)來提高光電流。圖4是典型的濕法黑硅電池與常規(guī)多晶電池的量子效率以及反射率曲線。
圖4濕法黑硅電池與常規(guī)多晶電池的外量子效率以及反射率曲線
隨著濕法黑硅技術(shù)的成熟,阿特斯已將此技術(shù)推廣到多個生產(chǎn)基地。該技術(shù)已成為阿特斯多晶電池新增產(chǎn)能的標(biāo)配技術(shù)。
4、結(jié)語
綜上所述,黑硅技術(shù)為金剛線線切在多晶切片領(lǐng)域的大面積推廣鋪平了道路。黑硅技術(shù)還可以融合其他硅片及電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù),從根本上提升多晶電池的轉(zhuǎn)換效率,并降低光伏組件的成本。黑硅技術(shù)勢必取代常規(guī)多晶制絨,成為未來多晶電池制程的標(biāo)配技術(shù)。那么黑硅技術(shù)到底是多晶的垂死掙扎還是多晶對單晶的大殺器呢?