高效太陽電池技術(shù)及其核心裝備國產(chǎn)化進展

鄭達敏,趙增超,3,劉 舟,文建峰,周 翠

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司,湖南 長沙 410000;2.國家光伏裝備工程技術(shù)中心,湖南 長沙 410000;3.中國電子科技集團第四十八研究所,湖南 長沙 410000)

0 引言

為了實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標,光伏發(fā)電不僅要大幅增加產(chǎn)業(yè)規(guī)模,更要持續(xù)降低發(fā)電成本[1]。過去十年間,光伏發(fā)電度電成本已經(jīng)從0.378 $/kW·h,降至0.06 $/kW·h以下,降幅達82%[2]。這主要得益于光伏電池的效率提升,相關(guān)測算表明,太陽電池效率提升1%,促使光伏發(fā)電成本下降7%以上。當前主流的太陽電池——鈍化發(fā)射極及背接觸(Passivated emitter and rear contact,PERC)電池的量產(chǎn)效率已可達22.8%[3],但其已接近瓶頸效率23.2%[4]。未來10年內(nèi),以隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel oxide passivated contact,TOPCon)電池和異質(zhì)結(jié)(Hetero Junction Technology,HJT)電池為代表的高效率太陽電池將取代PERC電池成為市場主流[5]。

1 高效TOPCon電池與技術(shù)

1.1 TOPCon電池

基于N型硅襯底的TOPCon太陽電池,其結(jié)構(gòu)具有高質(zhì)量表面鈍化(低復(fù)合電流密度)的異質(zhì)結(jié)表面場,避免了金屬電極與硅片直接接觸所造成的接觸區(qū)復(fù)合,故可實現(xiàn)效率提升。TOPCon電池的極限理論效率可達到26.6%[6],而從目前TOPCon量產(chǎn)的情況看,最高效率難以達到25%,存在提升空間。

相比PERC電池,TOPCon電池還具備以下優(yōu)點：

(1)電池的襯底為N型硅,其光致衰減效應(yīng)接近于零；

(2)電池基體少子壽命高,其弱光響應(yīng)好,輻照強度低于400 W·m-2仍可發(fā)電；

(3)如圖1所示,電池為雙面結(jié)構(gòu),在任何角度都可以增加光吸收,且背面轉(zhuǎn)換效率可達到正面的85%以上。

圖1 TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖[7]

1.2 TOPCon電池工藝

TOPCon是一種新型鈍化接觸技術(shù),該技術(shù)在電池表面使用一層超薄的氧化層和摻雜的薄膜硅進行鈍化。同時,超薄氧化硅減少了表面態(tài)保持了較低的隧穿電阻,摻雜薄膜硅提供了場致鈍化并對載流子選擇性透過,與硅基底形成良好的鈍化接觸。如圖2所示,當前主流的TOPCon技術(shù)由清洗制絨、硼擴散、濕法刻蝕、SiOx/非晶硅膜沉積、P擴散/高溫晶化、正面AlOx/SiNx沉積、背面SiNx沉積、絲印燒結(jié)等工序組成。

圖2 TOPCon電池工藝路線

與傳統(tǒng)PERC電池工藝相比,TOPCon工藝增加了硼擴散與接觸鈍化層(SiOx/非晶硅膜)沉積兩個環(huán)節(jié)。硼擴散工藝可通過擴散爐實現(xiàn),常用氣源為BBr3,通過低壓方式擴散進入襯底材料當中。接觸鈍化層制備有LPCVD/PECVD/PEALD等技術(shù)路線,其中LPCVD工藝最為成熟,成為目前市場主流。LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的全擴散工藝。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[8]。然而,受這兩項環(huán)節(jié)的擴散爐與多晶硅沉積裝備的影響,電池載流子傳輸與鈍化性能仍有待提升,導(dǎo)致其量產(chǎn)效率與實驗室效率相差2%以上。

2 高效HJT太陽電池與制造工藝

2.1 HJT太陽電池

HJT太陽電池是一種利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太陽電池。其結(jié)構(gòu)由n型單晶襯底、光照側(cè)p-i型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)、背面?zhèn)萯-n型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)以及兩側(cè)透明電極和集電極構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)。非晶硅鈍化的對稱結(jié)構(gòu)可以獲得較低的表面復(fù)合速率使得HJT電池可以獲得更高效率。目前,HJT電池的實驗室最高效率為25.7%[9],國內(nèi)以通威為代表的HJT量產(chǎn)電池片平均效率達到24.3%。

同樣相比PERC太陽電池,HJT電池具備以下優(yōu)點：

(1)更高的雙面率。如圖3所示,HJT電池由于其獨特的雙面對稱結(jié)構(gòu)使其更易于制作成雙面電池組件,目前雙面率已突破90%。

圖3 HJT電池結(jié)構(gòu)示意圖[10]

(2)更低的衰減。HJT電池不會出現(xiàn)硼氧復(fù)合因子從根本上避免了初始光衰的現(xiàn)象。

(3)更優(yōu)秀的溫度系數(shù)。HJT組件的溫度系數(shù)為-0.23%,使得HJT組件可以在同等環(huán)境下有更加優(yōu)異的發(fā)電表現(xiàn)。

(4)更大的降成本潛力。HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),工藝步驟也更為簡便,制造成本具備很大下降空間。

2.2 HJT電池工藝

HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),制造成本具備很大下降空間。如圖4所示,其工藝步驟也更為簡便,只有四步：(1)N型硅片通過優(yōu)化硅的表面織構(gòu)。(2)通過PECVD在晶硅表面沉積i/p非晶硅和i/n非晶硅。(3)通過濺射技術(shù)在電池兩面沉積透明ITO。(4)通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ITO上制作銀電極[11]。

圖4 HJT電池工藝路線

由于HJT電池是晶體硅和非晶硅相結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu),其制約著電池效率的提升難點在于：(1)制備高品質(zhì)納米級非晶硅基薄膜材料的設(shè)計與生長；(2)大面積低損傷高品質(zhì)ITO薄膜的均勻生長。

就ITO薄膜制備工藝而言,存在磁控濺射(基于PVD的沉積技術(shù))和離子反應(yīng)鍍膜(RPD)兩種工藝路線,RPD裝備產(chǎn)能低售價高,且受到專利限制(目前專利權(quán)為日本住友擁有),而PVD濺射鍍膜膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩(wěn)定可控,工藝重復(fù)性較好,靶材壽命較長,適合連續(xù)生產(chǎn),行業(yè)普遍認可PVD是主流技術(shù)。針對異質(zhì)結(jié)非晶硅薄膜沉積也主要有兩種工藝方法：等離子體增強化學(xué)的氣相沉積法(PECVD)與熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD),前者是目前非晶硅薄膜沉積環(huán)節(jié)主流技術(shù),工藝成熟度較高；后者具備更好的鈍化效果,但裝備維護成本高,因此目前產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對較少。

3 TOPCon電池技術(shù)核心裝備

3.1 硼擴散爐

擴散爐[12]是半導(dǎo)體加工中的熱處理裝備,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路、分立器件、太陽能光伏行業(yè)中的擴散、氧化工藝,特別適用于對結(jié)深和均勻性指標要求高的場合。低壓擴散是太陽能光伏生產(chǎn)中關(guān)鍵環(huán)節(jié),低壓擴散爐裝備的性能直接影響電池的效率和產(chǎn)能。低壓硼擴散工作時,液態(tài)或氣態(tài)硼源經(jīng)載氣攜帶進入高溫低壓環(huán)境下石英管中,在硅片表面與硅反應(yīng)生成硼原子,硼原子擴散進入硅片,形成PN結(jié)。目前,國際先進低壓擴散主要集中于歐洲少數(shù)幾家公司,與歐美等發(fā)達國家相比,我國低壓硼擴散爐技術(shù)研究起步比較晚,對比低壓擴散爐的關(guān)鍵參數(shù)如圖1所示。

表1 硼擴散爐關(guān)鍵參數(shù)

對比進口裝備來看,國產(chǎn)裝備的產(chǎn)能有優(yōu)勢,但裝備性能方面存在問題,如方阻均勻性較低、裝備正常運行時間低等問題,一定程度上影響了電池片的效率及方阻均勻性。除此之外,國產(chǎn)設(shè)備在實際生產(chǎn)當中易出現(xiàn)石英件易粘連的問題。隨著TOPCon電池的推廣應(yīng)用,國內(nèi)光伏裝備仍需突破高溫真空密封技術(shù)、快速回溫控制技術(shù)、高精度溫度控制技術(shù)、壓力精確控制技術(shù)、尾氣防腐處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、自動上下料及自動傳輸?shù)扰饠U散技術(shù),以提升設(shè)備的性能。

3.2 LPCVD裝備

低壓化學(xué)氣相淀積裝備[13](Low PressureChemical Vapor Deposition,LPCVD)是TOPCon電池制備多晶硅薄膜的關(guān)鍵裝備。由于其制備的薄膜具有質(zhì)量優(yōu)異、均勻性好、產(chǎn)量高的特點,廣泛應(yīng)用于微電子等行業(yè)中氧化硅、氮化硅和多晶硅等薄膜的制備。目前工藝裝備現(xiàn)階段卻僅有Tempress、Centrothem、Semco、P-Tech等國外裝備廠商研發(fā)并推出了TOPCon電池用量產(chǎn)型LPCVD裝備,國內(nèi)LPCVD裝備尚處于不成熟階段,隨著晶硅電池技術(shù)不斷升級換代,LPCVD裝備具有巨大的市場潛力。對比LPCVD裝備的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 LPCVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

對比進口裝備來看,國產(chǎn)裝備雖然產(chǎn)能大,但穩(wěn)定性與工藝水平不如進口裝備。仍存在低壓工藝難以控制,成膜均勻性不高,影響了太陽能電池的效率、產(chǎn)能以及成本。不僅如此,國產(chǎn)LPCVD裝備在運行過程中易產(chǎn)生非晶硅并附著在石英器件上,導(dǎo)致石英器件使用壽命降低、裝備維護周期縮短。未來國產(chǎn)裝備需攻克高溫真空密封技術(shù)、高精度溫度控制技術(shù)、壓力精確控制技術(shù)、自動上下料及自動傳動等技術(shù),實現(xiàn)單管產(chǎn)能2 000片/管,本征非晶硅均勻性5%以內(nèi),提高國際市場上裝備競爭力。

4 HJT電池技術(shù)核心裝備

4.1 PVD裝備

物理氣相沉積裝備[14](Physical Vapor Deposition,PVD)。其膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩(wěn)定可控,工藝重復(fù)性較好,靶材壽命較長,適合連續(xù)生產(chǎn),是HJT電池制備ITO薄膜沉積的關(guān)鍵裝備。當前PVD裝備以國外供應(yīng)商為主,主要有Von Ardenne、Meyer Burger、Singulus等公司。Von Ardenne目前開發(fā)了兩種ITO薄膜沉積裝備,產(chǎn)能高達1 200片硅片/h,適用于疊層太陽電池處理。Meyer Burger開發(fā)一個名為HELiA PVD應(yīng)用PVD技術(shù)的ITO薄膜鍍膜系統(tǒng),可實現(xiàn)同時在硅片正面和背面實現(xiàn)薄膜沉積,旋轉(zhuǎn)靶材的利用率、產(chǎn)量高和生產(chǎn)成本低,裝備產(chǎn)能可達3 000片硅片/h。Singulus公司研制了一種水平內(nèi)聯(lián)濺射裝備,可以同時沉積在硅片的正面和背面,不需要翻轉(zhuǎn)硅片破壞真空環(huán)境,最大產(chǎn)能可達5 200片硅片/h。

表3 PVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

從國產(chǎn)裝備來看,其性能參數(shù)與進口設(shè)備差異不大,基本均可在真空、無翻轉(zhuǎn)的情況下實現(xiàn)雙面薄膜沉積,多數(shù)裝備還具備完善的自動化配套設(shè)施以及模塊化結(jié)構(gòu),并搭載旋轉(zhuǎn)靶提高靶材利用率,單臺產(chǎn)能已實現(xiàn)較高水平,可見,產(chǎn)能提升并非PVD裝備向上優(yōu)化的瓶頸,努力方向在于改善TCO薄膜透光性、均勻性、傳導(dǎo)性等指標進而提升電池轉(zhuǎn)換效率。另一方面,PVD主要采用ITO和SCOT靶材,靶材的選擇決定了薄膜的光電特性,進而影響電池轉(zhuǎn)換效率,隨著靶材配方的探索改進,ITO薄膜的光電性能亦有所提升,進一步改善電池轉(zhuǎn)換效率。因此,未來設(shè)備隨靶材的優(yōu)化有望帶動轉(zhuǎn)換效率進一步提升。

4.2 PECVD裝備

等離子體增強化學(xué)氣相沉積[15-16](Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)。將低壓氣體放電形成的等離子體應(yīng)用于化學(xué)氣相沉,廣泛用于半導(dǎo)體、光伏領(lǐng)域。在制備HJT電池過程中可實現(xiàn)非晶硅薄膜沉積。從技術(shù)路徑上：板式PECVD是目前主流,管式PECVD具備潛力,板式PECVD的優(yōu)勢在于：技術(shù)最成熟,易實現(xiàn)大面積均勻性,材料缺陷態(tài)密度低；管式PECVD相比較板式PECVD,其降低生產(chǎn)成本端有更大的下降空間。

當前PECVD裝備仍以進口為主。國外廠商包括：梅耶博格、應(yīng)用材料等,其中Meyer Burger通過優(yōu)化等離子體技術(shù),開發(fā)一種稱為S-Cube等離子體技術(shù),有助于實現(xiàn)極低污染和均勻沉積,裝備產(chǎn)能達到2 400片硅片/h。

表4 PECVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

對比進口裝備來看,國產(chǎn)裝備在裝備產(chǎn)能、成膜均勻性、裝備有效運行時間等裝備關(guān)鍵指標上存在差距。同時在預(yù)熱、控溫精度、清洗、傳動方式等可能影響裝備性能的因素上同樣需持續(xù)挖潛,推動裝備不斷迭代。PECVD裝備未來的主要優(yōu)化方向是在保證鍍膜質(zhì)量的同時提升裝備產(chǎn)能,且硬件成本的增加幅度需盡可能小于產(chǎn)能提升幅度,從而達到降本的目標。

5 結(jié)論

當前,高效太陽電池技術(shù)的發(fā)展受核心裝備影響,電池效率有待提升。國產(chǎn)裝備的性能與穩(wěn)定性還不完全成熟,難以滿足太陽電池在效率、良率、產(chǎn)能方面的需求。對于硼擴散裝備而言,方阻均勻性及裝備產(chǎn)能等仍有待改進。對于沉積裝備LPCVD、PECVD、PVD而言,制備薄膜的均勻性和穩(wěn)定性有待提升。因此,研制替代進口裝備的高性價比國產(chǎn)化裝備成為產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。