2020年中國(guó)光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告
—— 晶體硅太陽(yáng)電池研究進(jìn)展（4）

中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)光伏專(zhuān)業(yè)委員會(huì)

(中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)，北京 100190)

目前TOPCon電池的一大任務(wù)就是如何簡(jiǎn)化制備工藝，以便最大限度地降低成本。圖24給出了TOPCon電池的3種不同的工業(yè)化工藝流程，這3種工藝分別為L(zhǎng)PCVD制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的全擴(kuò)散工藝、LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合擴(kuò)硼及離子注入磷工藝，以及PECVD制備多晶硅膜并原位摻雜工藝。

圖24 TOPCon 電池的3種不同的工業(yè)化工藝流程Fig. 24 Three kinds of different industrialization process flow of TOPCon solar cell

1)LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的全擴(kuò)散工藝。該工藝使用LPCVD制備背表面SiO2膜并制備多晶硅膜。先使用LPCVD制備SiO2膜，然后在600～700 ℃的溫度制備本征非晶硅膜；隨后對(duì)背表面進(jìn)行單面擴(kuò)散，由于擴(kuò)散溫度可以達(dá)到850℃，具有對(duì)非晶硅膜的晶化退火作用，因此可以不用單獨(dú)退火；之后對(duì)正表面繞鍍過(guò)去的多晶硅進(jìn)行腐蝕；由于腐蝕過(guò)程也會(huì)對(duì)原正表面的p-n結(jié)產(chǎn)生腐蝕減薄作用，因此這一單面腐蝕過(guò)程要特別注意，腐蝕之后還要對(duì)背表面的磷硅玻璃進(jìn)行移除。此外，磷擴(kuò)散工藝也可能對(duì)背表面硅薄膜的晶化程度不夠，可能還需要在擴(kuò)散之前進(jìn)行更高溫度的晶化退火。在完成上述工藝后，需要進(jìn)行常規(guī)的雙面鍍膜與雙面絲印制備電極的工藝流程。

但值得注意的是，在n型襯底的TOPCon電池正表面需要制備Al2O3層和SiNx層。對(duì)于很薄但鈍化效果卻良好的膜層，采用ALD方式制備的Al2O3層更具有優(yōu)勢(shì)。

2)LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合擴(kuò)硼及離子注入磷工藝。這種技術(shù)路線與上一種技術(shù)路線的區(qū)別在于其使用離子注入技術(shù)代替了擴(kuò)磷工藝。由于離子注入屬于單面工藝，因此摻雜離子不存在繞鍍，但是LPCVD 生長(zhǎng)的本征非晶硅仍存在繞鍍現(xiàn)象，因此仍需要進(jìn)行單面腐蝕，以去除本征多晶硅層在正表面的繞鍍層。雖然這種工藝中的離子注入設(shè)備使成本增加，但其繞鍍現(xiàn)象較輕。

3)PECVD制備多晶硅膜并原位摻雜工藝。2019年多家公司推出了使用PECVD制備非晶硅膜的工藝，可以在同一臺(tái)PECVD設(shè)備一次性完成制備SiOx膜并沉積摻磷非晶硅膜，然后進(jìn)行退火晶化處理。由于PECVD沉積溫度低，并且具有單面沉積的特性，簡(jiǎn)化了許多工藝流程，這一工藝的步驟從擴(kuò)散或離子注入的11步變成了9步。

2019年有4家公司推出了LPCVD設(shè)備，這4家公司分別為：Centrotherm、捷佳偉創(chuàng)、SEMCO，以及Tempress公司。表13給出了這4家公司生產(chǎn)的LPCVD設(shè)備的技術(shù)參數(shù)[11]。

2019年12月，捷佳偉創(chuàng)公司發(fā)布了其LD-350A LPCVD 設(shè)備，該設(shè)備的管徑采用 350 mm的內(nèi)徑石英管，可以兼容M2～M6各種尺寸的硅片。該設(shè)備的參數(shù)如表14 所示[12]。

SEMCO公司于2019年11月在上海舉行的CSPV上發(fā)布了其水平式LPCVD設(shè)備。該設(shè)備可進(jìn)行四合一工藝流程，即制備隧道SiO2層、制備本征多晶硅、原位摻雜和退火晶化。

表13 4家公司生產(chǎn)的LPCVD設(shè)備的技術(shù)參數(shù)Table 13 Technical parameters of LPCVD equipment produced by four companies

表14 捷佳偉創(chuàng)公司生產(chǎn)的LD-350A LPCVD設(shè)備的參數(shù)[12]Table 14 Parameters of LD-350A LPCVD equipment produced by S.C New Energy Technology Corporation

該設(shè)備采取水平放置，不會(huì)造成豎直放置時(shí)導(dǎo)致的硅片粘連現(xiàn)象，可以適用于更薄的硅片，并且防止了硅片背對(duì)背放置時(shí)引起的剮蹭現(xiàn)象，適應(yīng)于M2～M6各種尺寸的硅片。該設(shè)備的另一個(gè)特別之處是其反應(yīng)腔體采用了金屬腔，如此避免了石英腔體積累較厚硅薄膜后出現(xiàn)爆裂的現(xiàn)象，減少了維護(hù)時(shí)間。該設(shè)備單舟載片數(shù)能達(dá)到1400片，5管爐一次可以運(yùn)行7000片硅片。

近兩年的新技術(shù)方向是使用PECVD制備TOPCon電池的多晶硅層，因減少了工藝流程而有可能大幅降低成本。此外，由于制備的非晶硅膜后期要進(jìn)行退火處理以達(dá)到晶化的目的，因此對(duì)用于TOPCon電池的非晶硅膜的質(zhì)量要求比用于HJT電池的要低很多，所有適用于制備PERC電池的化合物鈍化膜的設(shè)備都適用于制備這層非晶硅膜。

MeryerBurger公司在原來(lái)用于制備PERC電池的AlOx和SiNx薄膜的MAiA設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于制備TOPCon電池薄膜的CAiA設(shè)備。CAiA設(shè)備具有以下特點(diǎn)：1)串聯(lián)式：可以串聯(lián)地完成多種功能薄膜的鍍制，包括隧道SiO2膜、摻雜多晶硅膜的最大產(chǎn)能達(dá)6000片/h。2)單面工藝：不會(huì)發(fā)生繞鍍現(xiàn)象，不用進(jìn)行正面清洗去膜。3)較長(zhǎng)的維護(hù)周期：通過(guò)對(duì)MAiA設(shè)備系統(tǒng)的改進(jìn)，CAiA設(shè)備延長(zhǎng)了維護(hù)周期。

MeryerBurger公司開(kāi)發(fā)的CAiA設(shè)備目前還沒(méi)有在大規(guī)模量產(chǎn)線上應(yīng)用，但是已經(jīng)在新加坡的SERIS研究所開(kāi)展了3年的中試研究，2019年其制備的TOPCon電池最好的電池效率已經(jīng)達(dá)到23.5%，如圖25所示。

圖25 采用MeryerBurger公司開(kāi)發(fā)的多晶硅鍍膜設(shè)備后TOPCon 電池的效率情況Fig. 25 Efficiency of TOPCon solar cells after using polysilicon coating equipment developed by MeryerBurger

Centrotherm公司也利用其管式PECVD設(shè)備開(kāi)展了TOPCon電池的多晶硅膜制備的工藝研究。使用44 kHz直接法PECVD技術(shù)，可以快速沉積非晶硅膜，沉積速率為12 nm/min，因此對(duì)于100 nm的薄膜沉積時(shí)間僅需約8～12 min；而且在1個(gè)腔室里也可以沉積隧道SiO2膜。此外，F(xiàn)raunhofer研究所的研究發(fā)現(xiàn)，鍍膜之后使用退火晶化處理會(huì)出現(xiàn)不同的沉積位置鈍化特性不均勻的現(xiàn)象，但在氫鈍化處理后這種不均勻性消失了。Fraunhofer研究所使用Centrotherm公司的管式PECVD設(shè)備制備多晶硅膜的TOPCon電池的最好效率結(jié)果為22.5%(面積=244.5 cm2，Voc=691 mV，Jsc=40.4 mA/cm2，F(xiàn)F=80.7%)。

這一年，對(duì)于TOPCon電池的機(jī)理及其工藝細(xì)節(jié)的理解也有一些進(jìn)展，從而為產(chǎn)業(yè)化工藝的調(diào)節(jié)提供了技術(shù)支撐。

3.1 鈍化隧道層特性的影響因素

鈍化特性與導(dǎo)電特性是一對(duì)矛盾特性。以前的理解認(rèn)為，氧化隧道結(jié)能完全起到鈍化作用，在氧化層內(nèi)晶體硅一側(cè)沒(méi)有摻雜。而最新的理解是，當(dāng)退火之后一些摻雜原子穿透氧化層進(jìn)入晶體硅區(qū)域，這些進(jìn)入晶體硅的摻雜原子會(huì)起到很好的導(dǎo)電作用，但是會(huì)導(dǎo)致氧化層的鈍化作用減弱；如果氧化層過(guò)厚，摻雜原子無(wú)法通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入晶體硅區(qū)域，將會(huì)使導(dǎo)電特性變差，因此后續(xù)需要高溫退火產(chǎn)生針孔以增強(qiáng)導(dǎo)電性。如圖26所示[13]，當(dāng)使用濕法硝酸氧化時(shí)，高溫退火后鈍化效果明顯下降；而使用熱氧化(TO)后，即使在較高的溫度下仍具有很好的鈍化特性。而在形成多晶硅層之后的氫鈍化處理仍是非常重要的步驟，該步驟就是使用Al2O3/SiNx的疊層鈍化層經(jīng)過(guò)退火處理來(lái)完成，這與PERC電池的背鈍化機(jī)理一致。

圖26 氧化層厚度及退火溫度對(duì)鈍化特性的影響Fig. 26 Influence of oxide layer thickness and annealing temperature on passivation characteristics

3.2 金屬接觸問(wèn)題

TOPCon 電池的另一對(duì)矛盾是金屬燒結(jié)與多晶硅層厚度的關(guān)系。當(dāng)多晶硅層過(guò)薄時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬原子穿透多晶硅層直接進(jìn)入單晶硅體內(nèi)，降低鈍化效果；而若多晶硅層過(guò)厚，不僅會(huì)增加沉積成本，而且會(huì)導(dǎo)致光吸收損失。這種情況在前表面制備多晶硅層時(shí)尤其明顯，正如在POLO電池中所展現(xiàn)的一樣。圖27為T(mén)OPCon 電池中多晶硅層的燒穿現(xiàn)象[14-15]。

圖27 TOPCon 電池中多晶硅層的燒穿現(xiàn)象Fig. 27 Burn-through phenomenon of polysilicon layer in TOPCon solar cell

為了解決這一矛盾，一種方案是制備較薄的多晶硅層，再在其外部制備TCO層，以增強(qiáng)其導(dǎo)電特性，如圖28所示[16]。

圖28 雙面多晶硅鈍化的POLO電池使用TCO增強(qiáng)導(dǎo)電特性Fig. 28 POLO cell with bi-polysilicon passivation uses TCO to enhance conductivity

當(dāng)將多晶硅層也制備在前表面來(lái)增強(qiáng)雙面鈍化特性時(shí)，較薄的多晶硅層厚度就顯得更加重要。由于多晶硅在迎光面有較強(qiáng)的吸收，因此就需要很?。坏沁^(guò)薄又會(huì)導(dǎo)致金屬燒穿多晶硅層的幾率增加，特別是在正表面，如果燒穿，不僅會(huì)導(dǎo)致J0metal的上升，而且會(huì)直接導(dǎo)致短路，因此就需要TCO來(lái)輔助導(dǎo)電。

但是使用TCO也遇到了一些挑戰(zhàn)，比如磁控濺射技術(shù)會(huì)損壞多晶硅表面、優(yōu)化沉積過(guò)程和退火過(guò)程使接觸電阻小于50 mΩ?cm2、優(yōu)化TCO使之成為H的來(lái)源、使其在退火后的開(kāi)路電壓約為730 mV、無(wú)需再附加退火過(guò)程、TCO不耐高溫等，因此，電極燒結(jié)溫度不能太高。中低溫的銀漿開(kāi)發(fā)是個(gè)難題，其溫度可以比HJT電池高一些，但是也不能像PERC電池那樣高，一般可在250～350 ℃。

考慮到所有實(shí)驗(yàn)室高效TOPCon電池全部是使用蒸發(fā)法制備的金屬電極，但是這一工藝過(guò)程并不適于產(chǎn)業(yè)化，因此將產(chǎn)業(yè)化的TOPCon電池提到更高效率仍面臨著較為艱巨的挑戰(zhàn)。

3.3 成本問(wèn)題

TOPCon 電池由于導(dǎo)入了3項(xiàng)新的工藝，因此需要增加3臺(tái)新的設(shè)備；此外由于擴(kuò)硼工藝要比擴(kuò)磷工藝難度大，需要更多的擴(kuò)散爐，導(dǎo)致TOPCon電池的投資成本(CAPEX)比PERC電池的高10%。而在運(yùn)營(yíng)方面，TOPCon電池的運(yùn)營(yíng)成本又比PERC電池的高25%，這主要是因?yàn)殡p面銀漿的成本較高，設(shè)備成本較高。因此，若要TOPCon電池具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，需要做到簡(jiǎn)化工藝、降低設(shè)備價(jià)格、減低銀漿用量(多主柵技術(shù))及提高效率。

與PERC 電池相比，如果能將TOPCon電池的效率高、不存在衰減、溫度系數(shù)低、雙面率高等特性結(jié)合起來(lái)，有可能在電站側(cè)的LCOE方面比PERC的低，從而使這種電池更具有競(jìng)爭(zhēng)性。

圖29為雙面PERC電池和TOPCon電池的CAPEX和運(yùn)營(yíng)成本(OPEX)的比較。

圖29 雙面PERC 電池和TOPCon 電池的投資成本和運(yùn)營(yíng)成本的比較Fig.29 Comparison of investment cost and operating cost between bifacial PERC solar cell and TOPCon solar cell

4 非晶硅/ 晶體硅異質(zhì)結(jié)(HJT) 太陽(yáng)電池

HJT電池在2019 年受到國(guó)內(nèi)外投資人的高度重視，在金融界已經(jīng)形成了一種共識(shí)，就是替代PERC 電池的下一代技術(shù)將以HJT電池為主。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)投入大量的研發(fā)力量將HJT 電池的最高效率和產(chǎn)線平均效率提高到新的水平。國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的幾個(gè)亮點(diǎn)為：1)漢能公司獲得25.11%的HJT電池新的世界紀(jì)錄；2)REC公司在新加坡建設(shè)的600 MW HJT電池新產(chǎn)線使用的是德國(guó)MB公司的設(shè)備；3)中微公司建成200 MW的HJT電池產(chǎn)線，該產(chǎn)線由中科院上海微系統(tǒng)所、通威集團(tuán)、三峽資本共同建設(shè)，標(biāo)志著中國(guó)自己研發(fā)的技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移。

4.1 HJT電池的效率提升

表15歸納了截至2019年國(guó)內(nèi)外HJT電池的最高效率。由表可知，在2019年已經(jīng)有3家中國(guó)企業(yè)的HJT 電池的最高效率超過(guò)24%，其中漢能公司的最高效率達(dá)到25.11%，而且這種電池是在商用n型大硅片(244.45 cm2)上所得到的，比2013 年三洋公司達(dá)到的24.7%的HIT電池的面積大。該效率在ISFH實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)檢測(cè)認(rèn)證，成為我國(guó)第一個(gè)HJT電池的世界紀(jì)錄，如圖30所示[17]。中國(guó)企業(yè)的HJT電池效率在2019年獲得了較大的提升。

圖30 漢能公司 2019 年獲得 HJT 電池的最新世界紀(jì)錄Fig. 30 Hanergy won the latest world record of HJT battery in 2019

表15 截至2019 年國(guó)內(nèi)外HJT 電池的最高效率Table 15 Highest efficiency of HJT solar cell at home and abroad as of 2019

2019年在HJT電池產(chǎn)業(yè)化方面也具有較大的進(jìn)展。表16為2019年全球HJT電池的生產(chǎn)線情況。在國(guó)際上主要的進(jìn)展是REC公司在新加坡建設(shè)了600 MW產(chǎn)線，該產(chǎn)線采用了MeyerBurger公司的交鑰匙產(chǎn)線，使用了SWCT的無(wú)主柵工藝，目前電池產(chǎn)線的平均效率達(dá)到23.7%。

表16 2019 年全球HJT電池的生產(chǎn)線情況Table 16 Global HJT solar cell production lines in 2019

2019 年在異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)線效率提升的重大進(jìn)展是找到了3個(gè)提升效率的技術(shù)途徑：1)采用多主柵(MBB)技術(shù)替代目前流行的5BB技術(shù)，可提升效率約0.4%；2)使用光注入退火工藝提升電池效率，可提升效率約0.4%；3)采用反應(yīng)等離子沉積技術(shù)(RPD)替代磁控濺射技術(shù)(PVD)，可以提升效率約0.1%～0.2%。 (待續(xù))