隨著雙碳政策進(jìn)一步落實(shí)和推進(jìn),光伏作為*有潛力的新能源正越來越引起全球的推崇。單結(jié)晶硅電池的效率極限大約是29.5%,但至今尚未達(dá)到。作為主流的背鈍化電池(PERC)技術(shù)效率極限是24.5%,在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了24%的轉(zhuǎn)換效率,行業(yè)量產(chǎn)平均效率超過23%,已經(jīng)接近PERC電池的效率極限。如何進(jìn)一步提升效率和降低成本成為一個(gè)行業(yè)重點(diǎn)突破的課題。
不同的研究機(jī)構(gòu)和電池制造商逐漸嘗試新的技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了超越PERC限制的電池效率,他們用載流子選擇性接觸取代硅/金屬接觸,例如基于多晶硅(PolySi)的隧道氧化物鈍化接觸(TOPCon)技術(shù)或基于非晶硅(a-Si)和透明導(dǎo)電電極(TCO)異質(zhì)結(jié)鈍化接觸(HJT)太陽能電池。TOPCon和HJT技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25.5%以上的轉(zhuǎn)換效率,量產(chǎn)平均效率也超過了24%,ISFH的理論研究表明,此類技術(shù)的效率極限為27.5%(HJT)和28.7%(TOPCon),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PERC電池24.5%的理論效率(圖1)。其中TOPCon因其低衰減、效率提升潛力大、產(chǎn)線升級成本低等優(yōu)點(diǎn),被行業(yè)**關(guān)注,成為目前N型領(lǐng)域市占率*高的電池技術(shù)。行業(yè)各大**企業(yè)也開始紛紛布局TOPCon產(chǎn)能,搶占市場高地。
圖1:不同鈍化方案的效率極限
一、什么是TOPCon電池
隧穿氧化層鈍化接觸( Tunnel oxide passivating contacts, TOPCon)太陽能電池 ,是 2013 年在第28 屆歐洲 PVSEC 光伏大會(huì)上德國 Fraunhofer太陽能研究所**提出的一種新型鈍化接觸太陽能電池,電池結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,電池前表面為硼擴(kuò)散的發(fā)射極,使用Al2O3/SiNx雙層鈍化膜, 背面制備一層1~2nm 的隧穿氧化層,然后再沉積一層摻雜多晶硅,二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu),為硅片的背面提供了良好的界面鈍化,制備的大面積商用電池效率超過25.5%。
圖2:TOPCon太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖
二、為什么選擇TOPCon電池
圖 3 比較了p型PERC線路和n型TOPCon線路的工藝流程和設(shè)備。由于TOPCon工藝與PERC工藝大部分工序兼容,只需添加硼擴(kuò)散爐、多晶硅沉積設(shè)備以及必要的繞鍍清洗機(jī)即可完成PERC工藝至TOPCon工藝的升級,工藝及設(shè)備的成熟度高,更能夠得到電池廠的認(rèn)可。
圖3:PERC與TOPCon工藝流程對比
從電池成本上來看(圖4),目前TOPCon電池非硅成本已經(jīng)有能力低于RMB 0.3/W,雖然對比PERC電池片目前平均RMB0.21-0.23/W仍有差距,但預(yù)期隨著后續(xù)金屬化環(huán)節(jié)降本,良率和效率的進(jìn)一步提升,以及同樣具備大尺寸生產(chǎn),成本將逐漸靠近PERC。HJT由于高的銀槳耗量、兩倍的設(shè)備投資成本,總體非硅成本雖然也在快速下降,相對PERC和TOPCon還是不占優(yōu)勢。
圖4:PERC,TOPCon,HJT成本預(yù)估(數(shù)據(jù)來源PV InfoLink)
經(jīng)過多方實(shí)證數(shù)據(jù),在大部分同等條件下,TOPCon組件要比PERC組件多發(fā)3%以上的發(fā)電量。根據(jù)內(nèi)部收益率(IRR)的計(jì)算方式:假設(shè)IRR值不變,發(fā)電量增加3%,那么其組件成本可增加0.14-0.15元/W;同尺寸的組件版型, TOPCon組件比PERC組件在單片組件上功率要高出15-20瓦。則意味著功率提高了2.67%,2.67%的效率提升則可給除組件以外的EPC成本節(jié)約至少有0.04元/W以上的成本。經(jīng)過實(shí)際測算,在TOPCon組件比PERC組件貴0.2元/W的情況下,依然可以給項(xiàng)目帶來相同的內(nèi)部收益率。因此預(yù)計(jì)近兩年TOPCon將迎來快速擴(kuò)產(chǎn)(圖6)。
圖5:系統(tǒng)端收益分析
圖6:TOPCon,HJT技術(shù)產(chǎn)能預(yù)測(數(shù)據(jù)來源PV InfoLink)
三、TOPCon電池的技術(shù)難點(diǎn)
1. Tunnel Oxide生長的厚度和均勻性控制
形成氧化層的方法很多,但是隧穿氧化層的厚度要求在1~2nm范圍內(nèi),太薄起不到界面鈍化效果,太厚則難以發(fā)生隧穿效應(yīng)使得接觸電阻變大,都會(huì)影響*終電池片的電性能。常用的超薄氧化層生長方式有:濕化學(xué)硝酸氧化,等離子體輔助氧化,熱氧化,UV/O3氧化,原子層沉積,PECVD沉積等。其中熱生長的氧化硅不僅能提供**的化學(xué)鈍化質(zhì)量,其設(shè)置和處理也都容易完成,并且可以集成到后續(xù)的LPCVD多晶硅沉積工序中,成為TOPCon工藝的**方案。PECVD沉積1-2nm的隧穿氧化膜,可以和PECVD沉積poly膜兼容,但是均勻性難以控制,工藝尚不成熟。ALD方式沉積的隧穿氧化膜具有良好的均勻性,厚度可控,但是需要增加額外的步驟,不利于工藝簡化。
2. TOPcon摻雜多晶硅沉積問題。
目前,主流的TOPCon層沉積技術(shù)主要有LPCVD、 PECVD 和 PVD 三種技術(shù)路線。
LPCVD 全稱為低壓力化學(xué)氣相沉積法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition),該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于工藝成熟、控制簡單容易,但難于鍍膜速度慢,同時(shí)存在原位摻雜、有繞鍍、石英件沉積嚴(yán)重等問題。
PECVD 全稱為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )。根據(jù)沉積腔室等離子源與樣品的關(guān)系、以及腔室的不同又可細(xì)分為微波 PECVD、管式 PECVD 和板式 PECVD。微波 PECVD 沉積速率高達(dá) 100A/s,但目前沉積的氧化硅膜較厚,且維護(hù)成本比較高。管式 PECVD 和板式 PECVD 同樣可以實(shí)現(xiàn)原位摻雜和無繞鍍,但也存在含氫、維護(hù)成本高等問題。
PVD 為物**相沉積法(Physical Vapor Deposition),與 PECVD 一樣可以實(shí)現(xiàn)原位摻雜、無繞度和冷壁,但目前技術(shù)仍不夠成熟。
圖7以圖形方式總結(jié)了ISFH的文獻(xiàn)綜述,通過飽和電流密度J0(fA/cm2)對比不同鈍化方式的鈍化質(zhì)量。Poly-Si可以通過LPCVD或PECVD與這兩種方式沉積,決定接觸鈍化質(zhì)量和電池效率的因素還包括界面隧穿氧化層和表面形態(tài)(絨面或平面)。我們從這張圖表中得出如下結(jié)論:
圖7:不同鈍化方式的鈍化質(zhì)量對比
PECVD沉積多晶硅未在制絨表面進(jìn)行測試,可能是由于鍍膜均勻性差,對雙面絨面的雙面電池鈍化效果差。
PECVD沉積多晶硅搭配熱氧化鈍化效果優(yōu)于濕氧化,因此隧穿氧化層制備方法對鈍化質(zhì)量有一定的影響。
搭配PECVD沉積多晶硅的熱氧化需要額外的設(shè)備。
LPCVD沉積多晶硅在熱氧化和化學(xué)濕法氧化得到相似的J0,這表明LPCVD技術(shù)在使用熱或濕化學(xué)氧化物方面具有更大的靈活性。
此外,熱氧化可以和LPCVD在同一爐管中進(jìn)行。
LPCVD 適用于平面和絨面,更適合于雙面電池。
PECVD鍍膜工藝搭配p型多晶硅、熱氧化、拋光表面體表現(xiàn)出良好的鈍化結(jié)果,這意味著此工藝可以適用于其他的電池結(jié)構(gòu)。
由于上述原因,LPCVD目前在TOPCon產(chǎn)線生產(chǎn)中進(jìn)行了**的測試。與PECVD不同,LPCVD沉積的主要缺點(diǎn)是石英件的消耗以及多晶硅的繞鍍問題,硅片背靠背的裝載在專門設(shè)計(jì)的石英舟上仍然會(huì)有邊緣5mm左右的繞鍍。得益于大產(chǎn)能LPCVD設(shè)備的研發(fā),鍍膜設(shè)備的成本進(jìn)一步下降,采用雙面鍍膜方案可以簡單有效的去除電池正面poly硅繞鍍問題。與這個(gè)缺點(diǎn)對比,優(yōu)勢也是很明顯的,例如高產(chǎn)量、更高的生長速率、更好的鈍化質(zhì)量和原位隧穿SiO2生長。
3、硼擴(kuò)散問題
TOPCon工藝另外一個(gè)重要的工序是發(fā)射極的形成,因?yàn)楝F(xiàn)在TOPCon電池主要是基于N型硅片,發(fā)射極是通過硼擴(kuò)散形成。
硼擴(kuò)散通常是在低壓管式爐中完成,對比磷擴(kuò)散,硼擴(kuò)散需要更高的溫度(超過1000℃)和更長的循環(huán)時(shí)間(150分鐘以上),這使得硼擴(kuò)散的產(chǎn)能變低,提高產(chǎn)能降低成本是一個(gè)必然趨勢。
硼擴(kuò)散的前驅(qū)體選擇也是重要的課題,在此之前BBr3是使用***的前驅(qū)體,但是三溴化硼有一個(gè)傳統(tǒng)的問題,該反應(yīng)的副產(chǎn)物會(huì)充當(dāng)石英的粘合劑,使得石英管使用壽命短,設(shè)備維護(hù)成本高;近一年BCl3作為前驅(qū)體有了更多的追隨者,因?yàn)槁入x子的存在能夠讓石英管更為清潔,反應(yīng)副產(chǎn)物無腐蝕性和黏連性,石英管的使用壽命更長。三氯化硼以瓶裝的氣態(tài)形式供應(yīng),無需起泡器,有助于進(jìn)氣。雖然擴(kuò)散均勻性稍差,氣態(tài)源也存在一定的安全問題,但鑒于使用成本更低,優(yōu)勢還是很明顯。
四、TOPCon電池技術(shù)展望
盡管TOPCon電池仍有較多待解決的問題,但是TOPCon電池先天的高轉(zhuǎn)換效率、低衰減和更低LCOE潛力決定其勢必成為繼PERC后下一代電池主流技術(shù)。目前TOPCon 電池已經(jīng)取得了高于PERC的效率,在系統(tǒng)端也表現(xiàn)出更高的收益率。而成本因素是制約TOPCon電池能否快速增長的關(guān)鍵。隨著越來越多的設(shè)備和制造廠商加入對TOPCon電池的研究,效率和良率有望進(jìn)一步提升,隨著設(shè)備產(chǎn)能提升和運(yùn)營成本的下降,TOPCon電池產(chǎn)能的擴(kuò)張將加速落地。
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