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                        碳中和光伏產業全面分析:電池TOPCon/HJT疊層鈣鈦礦,通威愛旭隆基

                        2022-03-21 18:27
                        史晨星
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                        本篇講光伏中游電池,下篇講光伏中游組件

                        六、電池

                        27. 市場:150 GW 900 億2021 年全國電池片產量 152 GW 912 億(0.6元/W)

                        28. 原理:半導體光電特性

                        半導體摻入Ⅴ族元素(磷P砷As),V族元素相比Ⅳ族的外層電子多出一個,多出的電子能夠作為導電的來源,這種摻雜手段被稱為N(Negative)型摻雜
                        如果摻入Ⅲ族元素(如硼B氟化硼BF2),Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外層電子少一個,這種缺少電子的空位被稱為空穴,空穴同樣能夠導電,對應的摻雜手段被稱為P(Positive)型摻雜

                        當太陽光照射在表面,PN結附近的電子吸收能量變為移動的自由電子,同時在原來的位置形成空穴,當連接電池正負極形成閉合回路時,自由電子受到內電場的力從N區經過導線向P區移動,在外電路產生電流,詳細分析請參考半導體全面分析(一):兩大特性,三大政策,四大分類!

                        29. 技術路線:Al-BSF→PERC→TOPCon/HJT→HBC/TBC→疊層鈣鈦礦/多帶隙/熱載流子

                        根據所用材料的不同,太陽能電池可分為三大類

                        晶體硅太陽能電池:單晶硅、多晶硅薄膜太陽能電池:硅基薄膜、化合物類以及有機類新型太陽能電池:疊層、多帶隙、熱載流子

                        技術路線為 Al-BSF→PERC→TOPCon/HJT→HBC/TBC→疊層鈣鈦礦/多帶隙/熱載流子,下面一一介紹

                        30. Al-BSF:制絨、擴散、刻蝕、鍍膜、絲印、燒結、分選

                        基于光伏原理,提升光電轉換效率要降低光損失、減少電子空穴對復合

                        降低光損失:光照射時,電池片正反面都會產生折射和反射,降低電池片反射率的工藝包括表面制絨、柵線遮光、制備雙層減反膜等

                        減少電子空穴對復合:光伏利用少數載流子(電子/空穴)進行工作,少數載流子壽命(少子從產生到復合的時間間隔)決定轉換效率,減少少子復合可以增加少子壽命,少子復合包括體復合和表面復合,減少少子復合的工藝包括正面鍍膜(同時減少體復合和表面復合)、鋁背場(減少背面復合)、鍍氧化鋁鈍化(減少背面復合)等

                        Al-BSF 鋁背場電池指在 PN 結制備完成后,在硅片的背光面沉積一層鋁膜,制備 P+層的光伏電池,既可以減少少數載流子在背面復合的概率,也可以作為背面的金屬電極,包括制絨清洗、擴散制結、刻蝕、制備減反射膜、印刷電極、燒結及自動分選七道工序

                        制絨清洗:利用硅的各向異性腐蝕,在每平方厘米硅表面形成幾百萬個四面方錐體也即金字塔結構,由于入射光在表面的多次反射和折射,增加了光的吸收,提高了電池的短路電流和轉換效率

                        擴散制結:太陽能電池需要一個大面積的 PN 結以實現光能到電能的轉換,擴散爐即為制造太陽能電池 PN 結的專用設備

                        去磷硅玻璃:把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡,使其產生化學反應生成可溶性的絡和物六氟硅酸,以去除擴散制結后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃

                        等離子刻蝕:擴散過程中硅片表面擴散上磷,PN 結正面所收集到的電子會沿著邊緣擴散有磷的區域流到 PN 結的背面造成短路,通常采用等離子刻蝕對太陽能電池周邊的摻雜硅進行刻蝕去除電池邊緣的 PN 結

                        鍍減反射膜:為了減少表面反射,提高電池的轉換效率,采用 PECVD 設備沉積一層氮化硅減反射膜

                        絲網印刷:采用絲網印刷機將預定圖形壓印在基板上,包括電池背面銀鋁漿印刷、電池背面鋁漿印刷、電池正面銀漿印刷

                        快速燒結:燒結爐快速燒結,將有機樹脂粘合劑燃燒掉,剩下純粹由于玻璃質作用而密合在硅片上的銀電極,當銀電極和晶體硅在溫度達到共晶溫度時,晶體硅原子以一定的比例融入到熔融的銀電極材料中去,從而形成上下電極的歐姆接觸

                        自動分選:自動分選機通過模擬太陽光譜光源,對電池片的相關電參數進行測量,根據測量結果將電池片進行分類

                        31. PERC:鍍膜開槽,市占率 85%

                        Al-BSF(鋁背場電池)鋁背層紅外輻射光只有 60-70% 能被反射,產生光電損失,PERC 發射極鈍化和背面接觸(Passivated Emitterand Rear Cell)在電池背面附上一層鈍化層(氧化鋁或氧化硅)產生更多反射光增加額外電流減少光電損失,如果背面不用鋁漿,改成局部鋁柵線,可以簡單升級成雙面 PERC 結構,雙面率可以達到 75—85%

                        PERC 工藝增加兩道工序:PECVD 沉積背面鈍化疊層(增強背面鈍化反射能力)、背面鈍化層激光開槽(打通鈍化疊層形成電學通路)

                        光電轉換效率:2021 年單晶 PERC 電池市占率達到 85%,隆基已可將 PERC 電池效率提升至 24.06% 逼近理論極限效率 24.5%

                        32. N 型:N-PERT 沒有性價比優勢

                        前文原理中提到 P 型半導體和 N 型半導體緊密結合后形成 P-N 結,但是實際中在工藝上難以實現 P 型半導體和 N 型半導體的直接結合,P 型硅片通常是在硅片端生產一片摻硼的硅片,然后通過擴散爐給 P 型硅片的表面進行擴散摻入磷,從而形成 P-N 結,N 型則反之

                        N 型電池片轉換效率高于 P 型,主要原因是因為 P 型電池片與電子的結合能力更強,如果把電子比作蘿卜,空穴比作坑,則在 P 型硅片中坑很多,蘿卜少,所以每當有電子流入正極很快就找到了坑,故而少子壽命低(復合速度快),而摻入磷的 N 型硅片體內有大量的自由電子,坑少蘿卜多,此時則只能是來一個空穴占一個電子,其余電子則總處于自由激發態,少子壽命長(復合速度慢)

                        N 型電池片工藝更為復雜,因為磷與硅相溶性差,拉棒時磷分布不均,P型硅片摻硼元素,硼與硅分凝系數相當,分散均勻度更容易控制,因此 P 型電池相對于 N 型電池在工藝上更為簡單,成本也較低

                        N-PERT鈍化發射極背表面全擴散電池(Passivated Emitter Rear Totally-diffused Cell)是一種全擴散背場鈍化結構,通常PN結在正面,結構比較簡單,是最早的N型電池,是天然的雙面結構,雙面率可以達到80—95%,N-PERT 電池雖然實現了雙面發電,但效率提升有限,與 PERC 電池相比沒有性價比優勢 N-PERT 工藝:增加正面硼擴散爐擴硼、背面離子注入機注入磷、背面 PECVD 鈍化疊層,減少了激光開槽工藝

                        33. TOPCon:擴硼注磷鍍膜,原有產線改造

                        2013 年德國 Fraunhofer 研究所 Frank Feldmann 博士提出 TOPCon 隧穿氧化層鈍化接觸電池(Tunnel Oxide Passivating Contacts Cell),正面與 N-PERT 相同,在 N 型硅片背面沉積一層薄氧化硅,然后再沉積一層磷摻雜多晶硅薄膜,實現背面鈍化接觸,使多子電子隧穿進入多晶硅層同時阻擋少子空穴復合,進而電子在多晶硅層橫向傳輸被金屬收集,降低金屬接觸復合電流,提升開路電壓和短路電流,提升電池轉化效率,極限理論效率 28.7%

                        TOPCon 增加 3 道工藝:正面硼擴散爐擴散硼、背面離子注入機注入磷、LPCVD/PECVD/PVD 沉積TOPCon 層

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