摘要
載流子選擇性鈍化接觸是提高太陽能電池效率的重要途徑之一，在隧穿氧化鈍化接觸（Poly Passivated）太陽電池中，可以通過生長(zhǎng)一層超薄氧化硅（SiOx）加上磷重?fù)诫s的多晶硅（n+-poly-Si）用于電子選擇性接觸或者加上硼重?fù)诫s的多晶硅（p+-poly-Si）用于空穴選擇性接觸。Poly Passivated結(jié)構(gòu)鈍化接觸太陽能電池采用了與PRRC（鈍化發(fā)射極背場(chǎng)點(diǎn)接觸電池）電池技術(shù)兼容的高溫工藝，電池效率已達(dá)到25.7%，有望實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)線。
背景介紹
當(dāng)前，市場(chǎng)上晶體硅太陽電池大多以P型的單、多晶常規(guī)鋁背表面場(chǎng)電池為主，其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉。但由于P型硅電池光電轉(zhuǎn)換效率難以達(dá)到23.5%以上，并且未能徹底解決以P型硅片為基底的電池所產(chǎn)生的光衰現(xiàn)象，這些因素都成為其進(jìn)一步量產(chǎn)推廣的障礙。與P型硅相比，N型硅體少子壽命更長(zhǎng)，對(duì)Fe等金屬有更高的容忍度，不易發(fā)生由于B-O復(fù)合體導(dǎo)致的LID（Light Induced Degradation）光致誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象；以N型硅為基底的電池片轉(zhuǎn)換效率更高，可以相對(duì)降低光伏發(fā)電的制造成本，這使其成為高效晶體硅太陽電池的必選材料。
下圖所示為德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)VDMA 最新發(fā)布的第八版 ITRPV-2017（International Technology Roadmap for Photovoltaic，國(guó)際光伏技術(shù)路線圖）的電池技術(shù)的市場(chǎng)份額及未來十年的預(yù)測(cè)。
從圖中可以看出，常規(guī)p 型單、多晶背表面場(chǎng)（BSF）電池技術(shù)的市場(chǎng)份額在逐年降低，而高效背面鈍化技術(shù)電池（包括 PERC、PERL 及 PERT）、硅異質(zhì)結(jié)電池（SHJ）、背接觸電池（BCC）等技術(shù)市場(chǎng)份額在逐年升高，2020 年前后高效電池技術(shù)將超過常規(guī)電池技術(shù)，成為市場(chǎng)主導(dǎo)。這主要?dú)w結(jié)于高效晶硅電池制造技術(shù)的成熟，光電轉(zhuǎn)換效率升高及硅材料及輔料等制造成本的降低。
Poly Passivated簡(jiǎn)介
Poly Passivated太陽能電池（隧穿氧化層鈍化接觸）是一種使用超薄氧化層作為鈍化層結(jié)構(gòu)的太陽電池。2013年德國(guó)Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在28th EU-PVSEC首次報(bào)道了Poly Passivated電池概念，該電池的結(jié)構(gòu)如下：
Poly Passivated電池結(jié)構(gòu)
電池基板以N型硅基板為主，使用一層超薄的氧化層與摻雜的薄膜硅鈍化電池的背面，其中背面氧化層厚度1.4nm，隨后在氧化層之上沉積50~200nm非晶硅并摻磷，之后經(jīng)過退火重結(jié)晶加強(qiáng)鈍化效果。
Poly Passivated電池的載流子輸運(yùn)機(jī)制
鈍化介質(zhì)通常不導(dǎo)電，因此在有效鈍化和電流導(dǎo)出之間存在矛盾，解決方案：使用非晶硅作為鈍化層，非晶硅異質(zhì)結(jié)鈍化結(jié)構(gòu)（HIT），或使用超博氧化層作為鈍化層，隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)（Poly Passivated）。在電池背面制備一層超薄的隧穿氧化層和一層高摻雜的多晶硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為硅片的背面提供了良好的表面鈍化，超薄氧化層可以使多子電子隧穿進(jìn)入多晶硅層，同時(shí)阻擋少子空穴復(fù)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子在多晶硅層的橫向傳輸并被金屬收集，極大地降低了金屬接觸復(fù)合電流，提升了電池的開路電壓和短路電流。
隧穿原理示意圖
氧化硅薄層的作用
氧化硅薄層對(duì)Poly Passivated鈍化效果的影響，混合型硅薄膜結(jié)構(gòu)能有效改善電池背表面的鈍化效果，有較低的缺陷態(tài)密度，提高了其開路電壓。
Poly Passivated電池優(yōu)勢(shì)：
優(yōu)良的界面鈍化能力；有效的摻雜使得硅襯底中費(fèi)米能級(jí)分離（高Voc）；很強(qiáng)的多子輸運(yùn)能力（高FFs）。
Poly Passivated VS HIT 對(duì)比：
光的寄生吸收損失降低；Si薄膜電阻降低，缺陷態(tài)密度也較低；Si/TCO的接觸電阻降低。
研究進(jìn)展
晶體硅（c-Si）是光伏應(yīng)用的首選半導(dǎo)體材料，占光伏市場(chǎng)的93%，其中3/4屬于多晶硅（Bridgman工藝），1/4 是單晶硅（Czochralski工藝）[6]。太陽電池的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提升電池性能的關(guān)鍵因素，目前已成為光伏太陽電池產(chǎn)業(yè)化的重要研究方向。作為高效電池的一個(gè)典型代表——鈍化發(fā)射極及背表面電池 （Passivated emitter and rear cell, PERC），它改善了電池背面的鈍化性能，在器件制備工藝中引入了背鈍化及開槽接觸，電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25.0%。目前，PERC 太陽電池已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，但是激光開槽工藝的復(fù)雜性在很大程度上限制了器件的規(guī)?；?。帶有本征薄膜異質(zhì)結(jié)（Heterojunction withIntrinsic thin film, HIT）太陽電池是目前另一種高效率的太陽電池器件，它通過加入本征薄膜非晶硅來達(dá)到提升單晶硅的表面鈍化質(zhì)量，使表面復(fù)合電流大幅度減小，電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到 25.1%。HIT 結(jié)構(gòu)電池與 IBC 結(jié)構(gòu)電池結(jié)合而成的異質(zhì)結(jié)背接觸 ( HBC) 電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)26.7%的轉(zhuǎn)換效率。HIT 電池具備比PERC 電池更好的鈍化性能，且制備過程中對(duì)溫度要求更低，但制備工藝比傳統(tǒng)晶硅電池復(fù)雜，導(dǎo)致HIT太陽電池的制造成本偏高。為了讓電池制備工藝簡(jiǎn)單的同時(shí)可獲得較好的表面鈍化質(zhì)量，德國(guó)Fraunhofer ISE 研究所設(shè)計(jì)了一種新型的電池結(jié)構(gòu)，即隧穿氧化物鈍化接觸（TunnelOxide Passivated Contact solar cell, Poly Passivated）太陽電池，該結(jié)構(gòu)電池由摻雜的多晶硅（poly-Si）/氧化硅（SiOx）堆疊組成。SiOx 層的厚度小于 1.5 nm，以允許光載流子的隧穿傳輸。超薄SiOx 層可以由濕化學(xué)氧化法，干燥氧化法或UV-O3制備，實(shí)現(xiàn)表面的良好鈍化效果。氧化硅層的化學(xué)鈍化和多晶硅層的場(chǎng)鈍化作用，可以顯著降低襯底表面的復(fù)合程度。同時(shí)，超薄氧化硅還可以保證多子的有效隧穿，高摻雜的多晶硅層可顯著改善多子的傳導(dǎo)性能，因此，Poly Passivated 電池的開路電壓和填充因子系數(shù)都很高。2017 年，德國(guó)Fraunhofer ISE 研究所制備出的Poly Passivated 電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到25.7%，2019 年另一個(gè)德國(guó)研究所 Solar EnergyResearch Hamelin ISFH 通過把 Poly Passivated 結(jié)構(gòu)與IBC 結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的電池最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 26.1%。目前的 Poly Passivated 結(jié)構(gòu)大部分還是應(yīng)用于太陽電池的背面，n-Poly Passivated 結(jié)構(gòu)在電池背面作為單面鈍化層，前表面通常采用擴(kuò)硼技術(shù)。盡管是單面鈍化，但是 n-Poly Passivated 結(jié)構(gòu)鈍化目前已獲得非常優(yōu)秀的鈍化質(zhì)量。2015 年，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院制備的雙面n-Poly Passivated 結(jié)構(gòu)，iVoc 達(dá)到 730 mV。2020年德國(guó) Wilhelm-Johnen-Strasse 制備的 μc-SiC:H(n)/SiOx 結(jié)構(gòu)，其 i Voc 達(dá)到742 mV。
產(chǎn)業(yè)界+一道新能情況
鑒于N型鈍化接觸電池具有少子壽命高，無光致衰減，弱光效應(yīng)好，溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，一道新能源科技（衢州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“一道新能”）于2019年8月開始進(jìn)行N型雙面鈍化接觸電池的研發(fā)工作，電池背面采用絨面結(jié)構(gòu)，顏色均勻，并跟電池正面顏色一致，能夠?qū)崿F(xiàn)雙面發(fā)電，雙面率達(dá)到87%。不同于PERC電池需要通過背面激光開槽來實(shí)現(xiàn)漿料與硅基體的接觸，PPCell可以實(shí)現(xiàn)全背面鈍化并促進(jìn)多數(shù)載流子傳輸，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)提升電池開路電壓與填充因子的作用，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，目前P型PERC電池疊加SE技術(shù)電池平均量產(chǎn)效率22~23%，N型PPCell量產(chǎn)效率可以達(dá)到23.5~24.5%。與P型PERC電池相比，N型單晶硅片無B-O復(fù)合體，光衰低 ，其中，PERC電池首年光衰2.6%，年均光衰0.75%，而PPCell首年光衰低于1%，年均光衰不超過0.4%，因此PPCell可以獲得更高的長(zhǎng)期發(fā)電量。PPCell電池背面絨面結(jié)構(gòu)，采用銀柵線，與P型電池鋁背場(chǎng)相比，PPCell電池背面遮光面積更小，光響應(yīng)效率更高，具備更高的雙面率。PPCell電池溫度系數(shù)低于P型PERC電池，更適合溫度較高的應(yīng)用場(chǎng)景，在一些低緯區(qū)域如中東、巴西、非洲等具備天然的使用傾向性與發(fā)電收益。下表給出了PPCell與PERC電池的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比情況：
PPCell與PERC電池性能參數(shù)表
從總體來看，PPCell電池與PERC電池相比，可以實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)在雙面率與溫度系數(shù)方面具備比PERC電池更明顯的優(yōu)勢(shì)，從而使PPCell度電成本明顯降低。
2019年末，一道新能N型PPCell電池的研發(fā)平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.6%，2020年6月完成現(xiàn)有產(chǎn)線的改造，建成產(chǎn)能為100 MW的N型雙面鈍化接觸電池生產(chǎn)線。2020年8月完成背面磷擴(kuò)工藝優(yōu)化與量產(chǎn)，N型雙面鈍化接觸電池量產(chǎn)的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.5%，到目前為止，該電池研發(fā)轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到24.0%。以下為一道新能N型PPCell電池的效率分布圖與電性能參數(shù)：
PPCell電池的效率分布圖
PPCell電性能參數(shù)
后續(xù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化前期工藝，產(chǎn)線平均量產(chǎn)效率可以達(dá)到24.5%以上。
光伏電池技術(shù)路線：
目前晶硅類電池的技術(shù)方向包括單晶和多晶。多晶電池逐漸向黑硅方向升級(jí)，單晶包括P型和N型，P型電池中PERC技術(shù)逐漸成為主流，疊加SE（選擇性發(fā)射極）技術(shù)，電池效率逐漸提升。但P型電池有其轉(zhuǎn)換效率的極限，而N型電池成為未來高轉(zhuǎn)換效率的方向，目前包括PERT、PPCELL（隧穿氧化鈍化接觸）、IBC（全背電極接觸）、HJT（異質(zhì)結(jié)）四種技術(shù)路徑。
硅電池技術(shù)路線
1）PERC目前技術(shù)比較成熟、性價(jià)比高，技術(shù)相對(duì)容易，設(shè)備完成了國(guó)產(chǎn)化，量產(chǎn)效率達(dá)到22.5%以上，成為這兩年高效電池主要擴(kuò)產(chǎn)的技術(shù)，疊加SE（選擇性發(fā)射極)技術(shù)，目前依然是光伏電池主流技術(shù)。
2）N-PERT可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，技術(shù)難度容易，設(shè)備投資較少。但是與雙面P-PERC相比沒有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)證明為不經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線。
3）HJT效率可達(dá)24.5%，工序少、可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是其設(shè)備貴、投資成本高，成為阻礙其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的重要限制因素。
4）PPCELL背面收光較差，量產(chǎn)難度高，一道新能針對(duì)這一問題進(jìn)行了背面形貌優(yōu)化與poly層改進(jìn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，后續(xù)還可以進(jìn)一步改善升級(jí)。
5）IBC效率最高，可以達(dá)到23.5%-24.5%，技術(shù)難度極高，設(shè)備投資高，成本高，國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
PPCELL電池基于N型硅襯底，前表面采用疊層膜鈍化工藝，背表面采用基于超薄氧化硅和摻雜多晶硅的隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)，得益于超薄氧化硅和摻雜多晶硅的隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，兩者形成接觸鈍化結(jié)構(gòu)，可以大幅提升N型電池片的開壓和轉(zhuǎn)換效率。高轉(zhuǎn)換效率有望持續(xù)降低度電成本，光伏發(fā)電最終以實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)為目標(biāo)，產(chǎn)業(yè)降本是必經(jīng)之路，其中轉(zhuǎn)換效率的提升是電池降本的核心，也是主要競(jìng)爭(zhēng)力。從技術(shù)路線發(fā)展來看，由于P型電池片的轉(zhuǎn)換效率提升存在瓶頸，P型電池片向N型電池片轉(zhuǎn)型或勢(shì)在必行。下表是一道新能PPCELL電池與當(dāng)前市場(chǎng)上常規(guī)電池的成本對(duì)比情況：
為了降低光伏度電成本，一道新能通過技術(shù)升級(jí)，完成了N型PPCell與P型電池度電成本同價(jià)的目標(biāo)，后續(xù)PPCell還存在很大的提效空間，具備更強(qiáng)的市場(chǎng)吸引力，未來將從P型向N型跨越迎來下一次光伏技術(shù)革命。從歷史發(fā)展來看，得益于單晶硅片取代多晶硅片的大趨勢(shì)，單晶硅片廠商過去幾年的產(chǎn)能和銷量增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于行業(yè)新增裝機(jī)增長(zhǎng)。從當(dāng)前產(chǎn)能布局來看，單晶產(chǎn)品滲透率或即將達(dá)到瓶頸，后續(xù)單晶硅片滲透率提升所帶來的超額收益或?qū)p少，N型產(chǎn)品占比提升將會(huì)帶來下一輪新的超額收益。
相對(duì)于單面電池，雙面電池背面可以充分利用大氣散射及地面反射的太陽光，若對(duì)地面進(jìn)行反射處理，如白漆、白膜等，增加組件背面的反射，可以顯著提升組件的發(fā)電效果。依靠雙面發(fā)電特性，雙面組件在土地、沙地和草地上增益發(fā)電21%-23%，在水泥地面上增益發(fā)電28%，在白漆地面上增益發(fā)電36%。2019年ITRPV預(yù)測(cè)雙面電池市場(chǎng)份額發(fā)展趨勢(shì)如圖8所示，雙面電池的市場(chǎng)份額將逐漸增加，2019年的占比達(dá)到~15%，將在2029年有望達(dá)到60%[11]，表明雙面電池是未來電池技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù)，2018年10個(gè)運(yùn)用領(lǐng)跑基地（5 GW）項(xiàng)目中，雙面技術(shù)占比為53%，3個(gè)技術(shù)領(lǐng)跑基地（1.5 GW）項(xiàng)目中，雙面技術(shù)占比高達(dá)66%，可以預(yù)見雙面電池技術(shù)是未來領(lǐng)跑基地項(xiàng)目的必然選擇。
ITRPV 2019預(yù)測(cè)各類太陽能電池市場(chǎng)份額發(fā)展趨勢(shì)
ITRPV 2019預(yù)測(cè)不同高效太陽能電池的市場(chǎng)份額發(fā)展趨勢(shì)如圖9所示，圖中可以看出，無論對(duì)于P型單晶PERC還是多晶PERC電池，市場(chǎng)份額的占比會(huì)呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)，N型單晶PERC電池的市場(chǎng)份額在2023年之前將維持穩(wěn)定，2023年之后會(huì)緩慢增長(zhǎng)；而采用鈍化接觸技術(shù)的電池將呈現(xiàn)逐年迅速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，尤其是采用鈍化接觸技術(shù)的N型電池，將在2029年有望達(dá)到20%的市場(chǎng)份額，是P型鈍化接觸電池的2倍。
觀察全球制造商N(yùn)型產(chǎn)能利用率，IBC、PERT、Poly Passivated、HJT都在50%以下。深究原因，IBC因?yàn)榧夹g(shù)難度較高，跨入門坎不易，實(shí)際產(chǎn)出仍有待考驗(yàn)。PERT僅有少數(shù)廠家穩(wěn)定生產(chǎn)，待Poly Passivated技術(shù)成熟后，預(yù)估將由PERT進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Poly Passivated的發(fā)展雖在今年不如預(yù)期，也出現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)出的一線廠家開始轉(zhuǎn)往HJT進(jìn)行研究，但仍有大廠釋出GW的擴(kuò)產(chǎn)消息，今年至明年許多PERC擴(kuò)產(chǎn)也為Poly Passivated預(yù)留空間，因此預(yù)估1-2年P(guān)oly Passivated產(chǎn)能擴(kuò)充與產(chǎn)出都將超越HJT。HJT因在降本、訂單上尚未樂觀，明年產(chǎn)出并不看好，但部分大廠及設(shè)備商仍在籌備HJT的擴(kuò)產(chǎn)，未來依舊可期。整體而言，2021年P(guān)oly Passivated與HJT對(duì)全球的N型產(chǎn)能占比達(dá)到88%，兩大技術(shù)為N型主流趨勢(shì)，而預(yù)計(jì)明年P(guān)oly Passivated產(chǎn)出將由2.6GW成長(zhǎng)至4.9GW，HJT產(chǎn)出將由1.9GW成長(zhǎng)至3.2GW，對(duì)比兩種N型技術(shù)產(chǎn)出數(shù)據(jù)，預(yù)估Poly Passivated產(chǎn)出將領(lǐng)先HJT。
總體而言，中國(guó)設(shè)備廠家的投入讓設(shè)備成本逐漸下降，技術(shù)也不斷成熟，雙面電池的市場(chǎng)需求日益成長(zhǎng)，這讓2021年N型產(chǎn)能擴(kuò)張將比往年更加明顯。
雙面電池及組件的產(chǎn)能及實(shí)際需求
目前有越來越多的廠家加入N型產(chǎn)品的研究，起初由于成本考慮，Poly Passivated有較多的垂直整合廠投入，考慮到技術(shù)、成本、雙面市場(chǎng)以及一線廠家對(duì)N型技術(shù)的投入進(jìn)度，預(yù)估明年P(guān)oly Passivated有較多擴(kuò)產(chǎn)落地。
總結(jié)
1.鈍化接觸電池可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異鈍化性能與接觸性能，其中，化學(xué)鈍化終止了界面缺陷，電場(chǎng)效應(yīng)使少數(shù)載流子遠(yuǎn)離缺陷界面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)載流子一維縱向輸運(yùn)的同時(shí)能降低金屬與硅基底的復(fù)合，兼顧開路電壓與填充因子，能有效提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
2.與P型PERC電池相比，N型單晶鈍化接觸電池具備更高效率與使用壽命、弱光響應(yīng)好與無LID等優(yōu)勢(shì)，電池工藝可以與常規(guī)電池工藝兼容，可以在現(xiàn)有產(chǎn)線上進(jìn)行升級(jí)，獲得效率大幅提升的條件下有效控制成本。
3.根據(jù)ITRPV 2019預(yù)測(cè)，雙面電池技術(shù)是符合市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，市場(chǎng)份額將逐漸增加；同時(shí)，雙面電池技術(shù)也是未來領(lǐng)跑基地項(xiàng)目的必然選擇。鈍化接觸技術(shù)與雙面電池技術(shù)的結(jié)合，是未來單晶太陽能電池技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。
評(píng)論