鉅大LARGE | 點擊量：614次 | 2022年12月20日
晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)現(xiàn)狀
處處陽光處處電人類這一美好的愿景隨著硅材料技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)裝備制造技術(shù)以及光伏電池關(guān)鍵制造工藝技術(shù)的不斷獲得突破而離我們的現(xiàn)實生活越來越近!近20年來，光伏科學(xué)家和光伏電池制造工藝技術(shù)人員的研究成果已經(jīng)使太陽能光伏發(fā)電成本從最初的幾美元/KWh減少到低于25美分/KWh。而這一趨勢通過研發(fā)更新的工藝技術(shù)、開發(fā)更先進的配套裝備、更廉價的光伏電子材料以及新型高效太陽能電池結(jié)構(gòu)，太陽能光伏(PV)發(fā)電成本將會進一步降低，到本世紀中葉將降至4美分/KWh，優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費用。
大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展趨勢。通過降低峰瓦電池的硅材料成本，通過提升光電轉(zhuǎn)換效率和延長其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本，通過合理的機制建立優(yōu)秀的技術(shù)團隊、防止人才的不合理流動、充分保證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏公司發(fā)展的核心競爭力所在!
1、太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展
晶體硅太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個階段，每一階段效率的提升都是因為新技術(shù)的引入。
1954年貝爾實驗室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的重要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個發(fā)展階段，背電場電池(BSF)[1]技術(shù)、淺結(jié)結(jié)構(gòu)[2]、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面和體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達24.4%鈍化發(fā)射極和背面點接觸(PERL)[3]電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實驗室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來。目前已經(jīng)有多家國內(nèi)外公司對外宣稱到2008年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達到18%，多晶將超過17%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.1表面織構(gòu)
減少入射光學(xué)損失是提高電池效率最直接方法?；瘜W(xué)腐蝕工藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，也是行業(yè)內(nèi)最廣泛使用的技術(shù)，工藝門檻低、產(chǎn)量大;但絨面質(zhì)量不易控制、不良率高，且減反射效果有限(腐蝕后的反射率一般仍在11%以上)，并出現(xiàn)大量的化學(xué)廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)是最有發(fā)展前景的技術(shù)，它首先在硅片表面形成一層MASK(掩膜)再顯影出表面織構(gòu)模型，然后再利用反應(yīng)離子刻蝕方法制備表面織構(gòu)。用這種方法制備出的減反射絨面非常完美，表面反射率最低可降至0.4%，單多晶技術(shù)統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝和設(shè)備都可移植于IC工業(yè)，假如生產(chǎn)成本能夠進一步降低可望取代化學(xué)腐蝕方法而大規(guī)模使用。京瓷產(chǎn)業(yè)化17.2%~17.7%的多晶硅電池就是采用等離子刻蝕工藝的一個成功典范。
1.2發(fā)射區(qū)擴散
PN結(jié)特性決定了太陽能電池的性能!傳統(tǒng)工藝對太陽能電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負載能力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過高導(dǎo)致擴散區(qū)能帶收縮、晶格畸變、缺陷新增、死層明顯、電池短波響應(yīng)差。PN結(jié)技術(shù)是國際一流電池制造公司和國內(nèi)電池公司的重要技術(shù)差距。為了在提高電池的填充因子的同時防止表面死層，選擇性擴散發(fā)射極電池技術(shù)是最有望獲得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的低成本革命性高效電池技術(shù)，其技術(shù)原理簡單且通過現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)，但如何降低制造成本是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中所面對的重要挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)某些大公司對外宣傳的超過17.6%以上的高效電池其技術(shù)核心均來源于此，相信隨著配套裝備和輔助材料的及時解決近二年內(nèi)將會迅速普及和推廣。
在制造工藝上采用氮氣攜帶三氯氧磷管式高溫擴散是目前主流生產(chǎn)技術(shù)，其特點是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡單。隨著電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質(zhì)濃度(表面方塊電阻80～120Ω/口、均勻性±3%以內(nèi))，減壓擴散技術(shù)(DOP)優(yōu)勢非常明顯，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸氣壓、提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量400片的情況下其擴散均勻性仍優(yōu)于±3%，是高品質(zhì)擴散的首選和環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈式擴散設(shè)備不僅適應(yīng)Inline自動化生產(chǎn)方式，而且處理硅片尺寸幾乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重視，其工藝有噴涂磷酸水溶液擴散和絲網(wǎng)印刷磷漿料擴散二種。在鏈式擴散技術(shù)上，BTU、SCHMID以及中電集團第48所均已有長時間的研究及工業(yè)化應(yīng)用，只要能在擴散質(zhì)量上獲得突破其一定會取代目前管式擴散成為主流生產(chǎn)裝備和技術(shù)。
1.3去邊技術(shù)
產(chǎn)業(yè)化的周邊PN結(jié)去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法技術(shù)成熟、產(chǎn)量大，但存在過刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不僅影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而且導(dǎo)致電池片蹦邊、色差和缺角等不良率上升。激光開槽隔離技術(shù)根據(jù)PN結(jié)深度而在硅片邊緣開一物理隔離槽，但和國外情況相反，據(jù)國內(nèi)使用情況來看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術(shù)，因此該方法有待進一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術(shù)--化學(xué)腐蝕去邊和背面腐蝕拋光技術(shù)集刻蝕和去PSG一體，背面絨面的拋光極大降低了入射光的透射損失、提高電池紅光響應(yīng)。該方法工藝簡單、易于實現(xiàn)inline自動化生產(chǎn)，不存在鉆刻和刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對穩(wěn)定，因此盡管配套設(shè)備昂貴但仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。
1.4表面減反射膜生長技術(shù)
早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以新增對入射光的吸收，但該方法均需先單獨采用熱氧化方法生長一層10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且對多晶效果不理想。
SixNy膜層不僅減緩漿料中玻璃體對硅的腐蝕抑制Ag的擴散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范圍更寬易于調(diào)節(jié)，而且致密的SixNy膜層是有害雜質(zhì)良好的阻擋層。同時生成的氫原子對硅片具有表面鈍化和體鈍化的雙重用途，可以很好地修復(fù)硅中的位錯、表面懸掛鍵，提高了硅片中載流子的遷移率因而迅速成為高效電池生產(chǎn)的主流技術(shù)。雙層SiN減反射膜，通過控制各膜層中硅的富集率實現(xiàn)了5.5%的反射率;而另一種SiN和SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前廣泛采用的單層SiN膜減反射率最優(yōu)為10.4%。
在電池背面生長一層10～30nmSiN膜以期最大限度對電池進行鈍化和缺陷的修復(fù)從而提高電池的效率是目前的一個熱點課題，由于該技術(shù)牽涉到和后面的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、電極漿料技術(shù)及燒結(jié)工藝的配合目前尚處于實驗研究階段，但它肯定是今后的一個發(fā)展趨勢。
匹配封裝材料對光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的實際使用效果是光伏公司技術(shù)實力的體現(xiàn)!如何減少電磁波對電池表面PN結(jié)輻射損傷以及損傷的有效修復(fù)是該工藝的核心技術(shù)，處理不好往往導(dǎo)致電池效率一致性較差。裝備方面有持續(xù)式間接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。
1.5絲網(wǎng)印刷和金屬漿料技術(shù)
絲網(wǎng)印刷技術(shù)是低成本太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其重要技術(shù)進步和電極漿料及網(wǎng)版制版技術(shù)緊密相聯(lián)。電極漿料技術(shù)進步是提升電池效率的捷徑，也是一些實驗室技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。根據(jù)電池表面擴散薄層方塊電阻、擴散結(jié)深以及表面減反射膜厚度和密度等開發(fā)相對應(yīng)的漿料已經(jīng)成為國際一流光伏公司領(lǐng)先同行的一個有力：如摻P的正銀漿料實現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術(shù);向漿料中添加添加劑實現(xiàn)80～100um細柵技術(shù);配合超薄片的低翹曲背鋁漿料等。
硅片厚度不斷減薄、電池面積不斷增大，如何降低碎片率和電池片的翹曲度成為設(shè)備制造廠商和電池制造公司共同關(guān)注的焦點問題。設(shè)備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應(yīng)120um厚度硅片的全自動印刷設(shè)備。
2、存在的問題
工藝方面：盡管太陽能電池制造是一個短工藝生產(chǎn)流程，光伏技術(shù)和檢測手段也有了長足的發(fā)展，但太陽能電池工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無法從電池的不合理電參數(shù)來準確判斷問題具體所在，對每一工序質(zhì)量也還沒有完全行之有效的檢測方法和手段，在線檢測技術(shù)遠落后于工藝技術(shù)的發(fā)展!
設(shè)備方面：目前國內(nèi)外各制造廠商設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口標準，導(dǎo)致上下道工序之間無法有效銜接，導(dǎo)致較大的時間和資源浪費!物化新工藝的裝備滯后于市場的發(fā)展!
原材料方面：原材料市場特別是硅片質(zhì)量良莠不齊，許多公司缺乏自律性，導(dǎo)致我國光伏產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng)一權(quán)威標準和準入制度。
3、發(fā)展展望
以硅片為載體的光伏電池制造技術(shù)，其理論極限效率為29%。近年來由于一系列新技術(shù)的突破，硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)業(yè)化水平單晶16%～18%、多晶15%～17%，按目前的晶體硅電池效率路線圖和電池技術(shù)，提升效率的難度已經(jīng)非常大。因此有人預(yù)言硅電池的市場生命周期，但產(chǎn)品市場生命力的決定因素是其性價比，就如半導(dǎo)體集成電路相同近一個世紀了仍然離不開硅基，晶體硅太陽能電池作為光伏發(fā)電重要材料的現(xiàn)狀不會改變，市場主導(dǎo)地位將繼續(xù)延續(xù)!其特點將會是向著高效率、大尺寸、超薄化、長壽命方向發(fā)展。隨著我們對半導(dǎo)體材料和光伏技術(shù)研究的不斷深入，必將會不斷誕生一些突破性的技術(shù)來巔覆傳統(tǒng)、提升太陽能電池的效率、降低系統(tǒng)發(fā)電成本，實現(xiàn)光伏發(fā)電從補充能源向主流能源的躍進!只是以前這些技術(shù)都由國外公司和機構(gòu)出現(xiàn)?？梢灶A(yù)見通過我國廣大光伏人的努力，今后這些革命性的技術(shù)突破將會在我們我國本土公司和科研機構(gòu)中出現(xiàn)!
下一篇：電動汽車輛使用新式電池的運用探討
