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    超高效異質(zhì)結(jié)背接觸HBC電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

    發(fā)布時(shí)間:發(fā)布日期:2022-01-02

    一、前言

    在全球“碳達(dá)峰”和“碳中和”大趨勢(shì)背景下,光伏產(chǎn)業(yè)迎來空前繁榮發(fā)展期。主流晶硅光伏已在全球絕大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)平價(jià)上網(wǎng),光伏度電成本仍需要進(jìn)一步降低到0.05-0.15元/kWh區(qū)間內(nèi),在儲(chǔ)能的配合下,真正成為主力電力能源,光伏發(fā)電滲透率從3%提升至30%以上。在光伏平價(jià)時(shí)代,光伏轉(zhuǎn)換效率的提升,顯得尤為重要。一是因?yàn)楦唠妰r(jià)地區(qū)的土地和屋頂資源逐漸變得稀缺,二是因?yàn)楣夥D(zhuǎn)換效率提升,可攤薄建設(shè)光伏電站的非組件成本,及提升單位面積發(fā)電量,進(jìn)而降低光伏度電成本。

    業(yè)界異常關(guān)注PERC電池之后的下一代晶硅電池主流技術(shù),到底TOPCon、HJT和IBC等哪一種技術(shù)路線會(huì)勝出。按照晶硅電池轉(zhuǎn)換效率每年進(jìn)步0.5個(gè)百分點(diǎn)的規(guī)律,到2030年晶硅電池轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到27.5%產(chǎn)業(yè)化極限,接近單結(jié)晶硅電池29.43%理論極限,從而進(jìn)入到晶硅疊層電池發(fā)展時(shí)代。不像理論效率只有24.5%的PERC電池,TOPCon、HJT和IBC三種N型技術(shù)路線都擁有非常高的效率天花板。業(yè)界認(rèn)為,要?jiǎng)俪鯬ERC電池,只需滿足:1)比PERC路線更低的度電成本(LCOE);2)開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場(chǎng)。

    目前業(yè)界的眼光,主要聚焦在TOPCon和HJT這兩種鈍化接觸技術(shù)路線。高效晶硅電池技術(shù)演進(jìn)的邏輯是,用更低成本的規(guī)?;に囀侄?,減少電池載流子的復(fù)合,從而提高開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。PERC電池勝出BSF鋁背場(chǎng)電池,關(guān)鍵在于在電池背面實(shí)行更好的鈍化技術(shù),增強(qiáng)光線的內(nèi)背反射,降低了背面復(fù)合。從實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化結(jié)果來看,TOPCon和HJT電池的鈍化接觸技術(shù),能大幅減少金屬電極和電池的接觸復(fù)合,從而實(shí)現(xiàn)比PERC電池更高的轉(zhuǎn)換效率。在量產(chǎn)成本上,能兼容PERC生產(chǎn)線的TOPCon電池工藝比HJT領(lǐng)先一步。

    而IBC(Interdigitated Back Contact,交叉指式背接觸)電池技術(shù),作為歷史最悠久的晶硅電池技術(shù),師出名門,自成體系,長(zhǎng)期霸占晶硅電池轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄榜榜首,卻一直受限于較高的量產(chǎn)成本,發(fā)展較為曲折。IBC電池與其他晶硅電池最大的不同是,其發(fā)射極、表面場(chǎng)和金屬電極都做在電池背面,并交叉指式分布,電池正表面無任何柵線遮擋,吸光面積最大。

    IBC電池技術(shù)能持續(xù)發(fā)展幾十年,并越來越受關(guān)注,除了擁有最高轉(zhuǎn)換效率潛力的電池結(jié)構(gòu)外,在于它能兼容并蓄,不斷吸收其他晶硅技術(shù)路線的工藝優(yōu)點(diǎn)和鈍化技術(shù),來不斷提升轉(zhuǎn)換效率。IBC吸收了PERC技術(shù)發(fā)展階段的優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)換效率提升到24%-25%;吸收TOPCon鈍化接觸技術(shù),演變成POLO-IBC電池或TBC電池,轉(zhuǎn)換效率能到25%-26%;吸收HJT的非晶硅鈍化技術(shù),演變成HBC電池,轉(zhuǎn)換效率能到26%-27%。

    IBC電池,除了“比PERC路線更低的度電成本(LCOE)”的發(fā)展?jié)摿ν猓€擁有“開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場(chǎng)”的巨大潛力,因?yàn)镮BC電池表面純黑美觀,輕薄化后比其他光伏電池更適合應(yīng)用在蓬勃發(fā)展的光伏建筑(BIPV)市場(chǎng)、電子消費(fèi)市場(chǎng)、軍工市場(chǎng)和航天航空市場(chǎng)。

    本文梳理IBC電池演進(jìn)到HBC電池的發(fā)展脈絡(luò),試圖回答:

    (1)IBC電池是否有機(jī)會(huì)成為新一代主流晶硅電池

    (2)轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池,量產(chǎn)工藝難點(diǎn)在哪里

    (3)HBC電池技術(shù)滿足什么條件,才具備商業(yè)價(jià)值

    (4)是否存在比PERC更低成本的HBC電池量產(chǎn)工藝

    二、IBC電池發(fā)展?jié)摿?/span>

    1、SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程

    談及IBC電池,SunPower是繞不過去的一座豐碑。SunPower已成立36年,累計(jì)出貨35億片IBC電池片(超過10GW),擁有1000多個(gè)晶硅電池專利。

    1975年,Schwartz和Lammert首提背接觸式光伏電池概念;1984年,斯坦福教授Swanson研發(fā)了IBC類似的點(diǎn)接觸(Point Contact Cell,PCC)太陽(yáng)電池,在聚光系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換效率19.7%;1985年Swanson教授創(chuàng)立SunPower,研發(fā)IBC電池。1993年,SunPower全背接觸電池幫助本田贏得澳洲太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽冠軍。2004年,SunPower菲律賓工廠(25MW產(chǎn)能)規(guī)模量產(chǎn)第一代IBC電池(見下圖),轉(zhuǎn)換效率最高21.5%,組件價(jià)格5-6美金/瓦。同時(shí)期,無錫尚德(Suntech)拉開了中國(guó)低成本晶硅電池的規(guī)模量產(chǎn)序幕,尚德晶硅組件效率約13%,出廠價(jià)格2.8美金/瓦,還有20%毛利率。

    圖片 1的副本2

    SunPower第一代IBC電池

    SunPower第一代IBC電池基本奠定了IBC電池技術(shù)路線的電池結(jié)構(gòu)和工藝框架:

    (1) 電池前表面陷光絨面,無柵線遮擋,避免了金屬電極遮光損失,最大化吸收入射光子,實(shí)現(xiàn)良好短路電流;

    (2) 電池背面制備呈叉指狀間隔排列的p+區(qū)和n+區(qū),以及在其上面分別形成金屬化接觸和柵線;由于消除了前表面發(fā)射極,前表面復(fù)合損失減少;

    (3) 前表面遠(yuǎn)離背面p-n結(jié),為了抑制前表面復(fù)合,需要更好的前表面鈍化方案;同時(shí)需要具有長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度的高質(zhì)量硅片(如N型硅片),以降低少數(shù)載流子在到達(dá)背結(jié)之前的復(fù)合;

    (4) 采用鈍化接觸或減少接觸面積,大幅減少背面p+區(qū)和n+區(qū)與金屬電極的接觸復(fù)合損失;

    (5) 增加前表面場(chǎng)FSF,利用場(chǎng)鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度,降低表面復(fù)合速率的同時(shí)還可以降低串聯(lián)電阻,提升電子傳輸能力。

    自推出一代IBC電池后,SunPower不斷往兩個(gè)方向升級(jí)IBC電池技術(shù):1)更簡(jiǎn)化的制程,及更低成本工藝;2)更好的鈍化技術(shù)。其IBC電池技術(shù)升級(jí)歷程見下表:

    SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程

    圖片 1的副本3

    2、IBC電池技術(shù)及量產(chǎn)工藝演進(jìn)

    IBC電池超高的轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn),吸引了大批的研究機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)能企業(yè),從新電池結(jié)構(gòu)、新鈍化技術(shù)、摻雜技術(shù)、金屬化工藝和封裝工藝等方面,作出了大量的實(shí)驗(yàn)室研究成果和量產(chǎn)探索成果。IBC電池量產(chǎn)工藝的關(guān)鍵問題,是如何低成本的在電池背面制備出呈叉指狀間隔排列的P區(qū)和N區(qū),以及在其上面分別形成金屬化接觸和柵線。SunPower及后來者,曾嘗試過掩模光刻、離子注入、爐管擴(kuò)散、CVD原位摻雜、激光摻雜等不同的設(shè)備和工藝,來制備IBC電池背面P區(qū)和N區(qū)。

    隨著設(shè)備成本的下降和工藝的成熟,IBC電池慢慢形成了三大工藝路線:1)以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝;2)以ISFH為代表的POLO-IBC電池工藝;由于POLO-IBC工藝復(fù)雜,業(yè)內(nèi)更看好低成本的同源技術(shù)TBC電池工藝(TOPCon-IBC);3)以Kaneka為代表的HBC電池工藝(IBC-SHJ)。見下圖:

    圖片 1的副本5

    IBC電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)化

    (1)經(jīng)典IBC電池工藝特點(diǎn):

    • 掩模和爐管擴(kuò)散制備背面PN區(qū)

    • P區(qū)N區(qū)隔離,分別跟金屬電極接觸

    • 單面絲網(wǎng)印刷,無主柵或多主柵

    • 兼容部分PERC工序

    • 高溫制程,設(shè)備及工藝成熟、成本低

    • 量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率23.5%-24.5%


    由于主流PERC電池轉(zhuǎn)換效率已到23%,TOPCon電池和HJT電池也能輕松達(dá)到24.5%轉(zhuǎn)換效率,經(jīng)典IBC電池獲取的效率溢價(jià),難以覆蓋增加的成本,該工藝路線慢慢變得沒有競(jìng)爭(zhēng)力,業(yè)內(nèi)已將目光投向更有前景的TBC電池和HBC電池技術(shù)。

    (2)TBC電池工藝特點(diǎn):

    • 掩模和爐管擴(kuò)散制備背面PN區(qū),或掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)

    • PN區(qū)與基區(qū)之間沉積一層超薄隧穿氧化層

    • P區(qū)N區(qū)隔離,分別跟金屬電極接觸

    • 單面絲網(wǎng)印刷,無主柵或多主柵

    • 兼容部分TOPCon工序

    • 高溫制程,工藝接近成熟、成本低

    • 量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率24.5%-25.5%

    由于TOPCon電池工藝已成熟,吸收了TOPCon電池關(guān)鍵技術(shù)工藝的TBC電池,成為了性價(jià)比最高的IBC電池工藝路線。SunPower和國(guó)內(nèi)嘗試量產(chǎn)IBC電池的企業(yè),紛紛向該技術(shù)路線轉(zhuǎn)型。

    (3)HBC電池工藝特點(diǎn):

    • 掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)

    • 電池正面沉積本征非晶硅鈍化層

    • PN區(qū)與基區(qū)之間沉積本征非晶硅鈍化層

    • PN區(qū)與金屬電極之間沉積TCO層

    • 單面絲網(wǎng)印刷,無主柵或多主柵

    • 兼容HJT設(shè)備和工藝

    • 低溫制程,工藝接近成熟、成本高

    • 量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率25%-26.5%

    吸收了非晶硅鈍化技術(shù)的HBC電池,開路電壓高達(dá)740mV,轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到26.63%,成為新一代最有發(fā)展?jié)摿Φ木Ч桦姵毓に嚶肪€。

    3、IBC電池成本及市場(chǎng)潛力

    從整個(gè)光伏電池市場(chǎng)來看,目前IBC電池仍然處于曲高和寡的狀態(tài)??聪卤恚?/span>

    表晶硅光伏電池不同工藝路線的發(fā)展情況

    圖片 1的副本6

    制表:普樂科技(POPSOLAR)

    從設(shè)備成熟度、N型工藝發(fā)展趨勢(shì)和終端市場(chǎng)變化來看,IBC電池將迎來重大發(fā)展機(jī)遇:

    (1) 制備TOPCon電池的關(guān)鍵設(shè)備LPCVD(或PECVD),已經(jīng)成熟,推動(dòng)TOPCon電池整套量產(chǎn)工藝成熟的同時(shí),帶動(dòng)了TBC電池工藝的成熟。TOPCon電池正表面存在較高的金屬接觸復(fù)合,TBC電池不存在該問題,從而擁有比TOPCon電池更高的轉(zhuǎn)換效率。

    (2) HJT電池全套工藝設(shè)備,特別是板式PECVD設(shè)備,已接近成熟,將帶動(dòng)HBC電池工藝的成熟。HBC電池,能避開HJT電池前表面的金屬電極光學(xué)遮擋和高電阻帶來的效率損失,從而擁有比HJT電池更高的轉(zhuǎn)換效率。

    (3) 效率更高的TBC/HBC電池,只需背面印刷銀漿,銀漿耗量比TOPCon/HJT電池低;且背面銀漿不必考慮柵線遮擋問題,可適當(dāng)加寬柵線,從而降低串聯(lián)電阻,提高FF。比TOPCon/HJT電池更低的銀漿成本,給TBC/HBC電池工藝帶來充分的技術(shù)迭代空間和降本空間。

    (4) 按照晶硅電池每年提高0.5個(gè)百分點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)步速度,在3-4年左右時(shí)間,晶硅電池平均量產(chǎn)效率將達(dá)到25%,效率更高的TBC/HBC電池,迎來大規(guī)模發(fā)展階段。

    (5) 平價(jià)時(shí)代,異常注重單位發(fā)電功率的分布式屋頂、電動(dòng)大巴、太陽(yáng)能無人飛機(jī)、消費(fèi)電子、軍工和航天航空等高端光伏應(yīng)用市場(chǎng),更青睞于更加美觀、單面發(fā)電但效率更高的IBC電池。

    (6) 設(shè)備和工藝的成熟,使得量產(chǎn)IBC電池的非硅成本,只要低于0.3元/瓦,以TBC/HBC工藝為主要發(fā)展方向的IBC電池將蓬勃發(fā)展,有望成為新一代主流光伏電池。

    三、HBC電池效率及工藝難點(diǎn)

    1、HBC轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)

    2014-2015年是BSF鋁背場(chǎng)電池發(fā)展到效率天花板的技術(shù)拐點(diǎn)期,當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)換效率22%以上的晶硅電池技術(shù)有:IBC電池、HJT電池和PERx(PERL/PERT/PERC)家族電池。結(jié)果,在BSF電池生產(chǎn)工藝上,只需增加背面氧化鋁鍍膜和激光開槽兩道工序就完成升級(jí)的PERC電池,依靠良好的工藝兼容性和較低的設(shè)備投入,迅速成為新一代主流晶硅電池技術(shù)。

    而同期IBC電池,在HJT電池技術(shù)的加持下,成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域新的創(chuàng)新熱點(diǎn)。2014年,受夏普研究成果啟發(fā),松下在其HIT(即HJT)電池基礎(chǔ)上,結(jié)合了IBC電池結(jié)構(gòu),研發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率25.6%的HBC電池,刷新了世界紀(jì)錄。

    圖片 1的副本7

    HBC電池結(jié)構(gòu)

    HBC電池具有最高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展?jié)摿?,迅速吸引了大批研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究,成為最熱門的技術(shù)路線之一。見下表。

    圖片 1的副本8

    制表:普樂科技(POPSOLAR)

    2017年,Kaneka將HBC電池世界紀(jì)錄,刷新到了26.63%。這也是迄今為止晶硅太陽(yáng)能電池研發(fā)效率的最高水平。見下圖及下表:

    圖片 1的副本9

    HBC電池轉(zhuǎn)換效率世界記錄表

    圖片 1的副本10


    HBC電池,即異質(zhì)結(jié)背接觸晶硅電池,高轉(zhuǎn)換效率的主要原因:

    (1)高Voc。HBC電池采用氫化非晶硅(a-Si:H)作為雙面鈍化層,在背面形成局部a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),基于高質(zhì)量的非晶硅鈍化,獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

    (2)高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結(jié)構(gòu),前表面無遮光損失和減少了電阻損失,從而擁有較高的Jsc。充分吸收了IBC電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

    2、HBC電池量產(chǎn)工藝難點(diǎn)

    HBC電池代表晶硅電池最高效率水平,然而,HBC電池在繼承了IBC和HJT兩者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也保留了兩者各自生產(chǎn)工藝的難點(diǎn):

    • 設(shè)備昂貴,工序長(zhǎng),投資成本高

    • 需要掩模、開槽、摻雜和清洗才能完成制備背面PN區(qū),制程復(fù)雜

    • 本征和摻雜非晶硅鍍膜工藝,工藝窗口窄,對(duì)工藝清潔度要求極高

    • 正負(fù)電極都處于背面,電極印刷和電極隔離工藝對(duì)設(shè)備精度要求高

    • 低溫銀漿導(dǎo)電性弱,需要跟TCO配合良好,壁壘高供給少

    • 低溫電池制程,客戶端需要低溫組件封裝工藝配合

    從各晶硅電池工藝制程對(duì)比來看,HBC電池工藝是復(fù)雜而昂貴的。見下表:

    圖片 1的副本11

    晶硅電池工藝制程對(duì)比制表:普樂科技(POPSOLAR)

    (1)關(guān)鍵工藝:制備背面P區(qū)(摻硼非晶硅)和N區(qū)(摻磷非晶硅)

    如何用低成本工藝,來制備HBC電池背面PN區(qū),是決定HBC電池是否有產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵一步。按照經(jīng)典HBC電池制備PN區(qū)的工藝,繞不開“掩模-開槽-沉積-刻蝕”等工藝,比如Kaneka的方案,就高達(dá)8個(gè)工序,涉及5個(gè)不同設(shè)備,制程復(fù)雜而昂貴(見下表)。而主流PERC電池只需一道爐管擴(kuò)散工藝就完成p-n結(jié)的制備。

    圖片 1的副本12

    制表:普樂科技(POPSOLAR)

    按照目前PECVD、PVD、濕法設(shè)備和金屬化設(shè)備等設(shè)備的成熟度,經(jīng)典HBC電池工藝已經(jīng)走得通,但生產(chǎn)成本會(huì)比較高。HBC電池的規(guī)模量產(chǎn),還需要低成本的工藝方案,特別是低成本的PN區(qū)摻雜方案。業(yè)內(nèi)在探索低成本PN區(qū)摻雜工藝,并在以下幾個(gè)方向有了積極的成果:

    • 簡(jiǎn)化摻雜非晶硅薄膜的工序

    • 降低關(guān)鍵設(shè)備PECVD的設(shè)備成本

    • 采用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備

    (2)關(guān)鍵設(shè)備:非晶硅薄膜沉積設(shè)備

    非晶硅薄膜沉積設(shè)備,主要有板式PECVD、HWCVD和LPCVD設(shè)備。見下表:

    圖片 1的副本13

    非晶硅薄膜沉積設(shè)備比較制表:普樂科技(POPSOLAR)

    LPCVD設(shè)備,是隨著TOPCon電池工藝發(fā)展成熟的新電池設(shè)備,目前僅應(yīng)用在TOPCon和TBC工藝的非晶硅鍍膜上。HWCVD是日本松下/三洋選擇的方案,優(yōu)點(diǎn)是沉積非晶硅質(zhì)量較好,缺陷更少;缺點(diǎn)是鍍膜均勻性較差,碎片率較高,電耗偏高。而PECVD,憑借良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性成為主流非晶硅薄膜沉積設(shè)備,特別在制備氫化非晶硅方面。

    板式PECVD通過微波或射頻波使腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分子電離,形成的高化學(xué)活性等離子體,在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),沉積成膜。管式PECVD在傳統(tǒng)晶硅電池中沉積的薄膜厚度均大于100nm,而在HBC電池中板式PECVD 在硅片正反面先后沉積兩層非晶硅薄膜用作鈍化層,鈍化層的厚度需控制在5-10nm,薄膜均勻性、致密度、容錯(cuò)率等直接影響電池片的轉(zhuǎn)換效率,因此板式PECVD設(shè)備對(duì)真空度、潔凈度、設(shè)備頻率、壓力、沉積速率等各項(xiàng)影響鍍膜質(zhì)量的指標(biāo),要求比較高,從而導(dǎo)致板式PECVD是HBC電池制程里技術(shù)難度最大同時(shí)也是最昂貴的設(shè)備。見下表:

    主流板式PECVD廠商設(shè)備對(duì)比

    圖片 1的副本14

    制表:普樂科技(POPSOLAR)

    從目前主流廠商實(shí)際表現(xiàn)來看,板式PECVD在工藝控制和成本控制方面,還有較大的提升空間。

    (3)TCO和低溫銀漿

    TCO透明導(dǎo)電膜

    制備TCO透明導(dǎo)電膜,采用PVD或RPD設(shè)備。PVD工藝較為成熟,國(guó)際領(lǐng)頭羊公司的PVD設(shè)備產(chǎn)能可達(dá)8000片/小時(shí),國(guó)產(chǎn)PVD設(shè)備產(chǎn)能也達(dá)到了8000片/小時(shí),未來有望提升至10000片/小時(shí),可進(jìn)一步降低TCO成本;RPD設(shè)備方面,國(guó)產(chǎn)RPD設(shè)備每小時(shí)產(chǎn)能達(dá)到5500片,還在進(jìn)一步提高。

    制備良好的TCO膜,需要合適的薄膜材料。這種薄膜材料的特性要求為:1) 透明性要好;2) 電導(dǎo)率要盡量高;3) 要與其接觸的硅薄膜的功函數(shù)相匹配;4) 在迎光面的TCO膜需要載流子濃度低,以避免紅外吸收;5) 靶材料成本要足夠低;6) 鍍成的薄膜應(yīng)較為穩(wěn)定,不容易在氣氛中分解。

    制備HJT電池的TCO膜,一般選用應(yīng)用廣泛但成本較高的ITO膜,而HBC電池,只需背面鍍TCO膜,可以選用較低成本的AZO膜。

    低溫銀漿

    跟HJT電池工藝一樣,經(jīng)典HBC電池整段工藝都是在200℃左右制備,因此金屬化工藝需要使用低溫漿料;但由于HBC電池只需單面印刷銀漿,銀漿成本始終會(huì)低于HJT(同理,TBC銀漿成本低于TOPCon)。低溫銀漿為絲網(wǎng)印刷增加了難度和成本,主要在于低溫聚合物必須在-20℃下儲(chǔ)存,一旦打開聚合物就開始反應(yīng),這意味著必須立刻使用漿料;同時(shí)低溫銀漿的導(dǎo)電性能弱于高溫銀漿,需要提高銀的含量來提高導(dǎo)電性。目前低溫銀漿由于對(duì)原料要求高,90%的低溫銀漿由日本一家供應(yīng)商供應(yīng),成本比常規(guī)高溫銀漿高出不少。目前國(guó)產(chǎn)廠商在積極量產(chǎn)低溫銀漿。

    四、低成本HBC電池工藝

    現(xiàn)階段,若HBC電池①非硅成本降低到0.3元/瓦以下,②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi),③或生產(chǎn)成本比PERC電池低,HBC電池將迎來極佳的發(fā)展期。

    降低HBC電池生產(chǎn)成本,有幾大工藝方向:

    (1) 簡(jiǎn)化工藝,縮短制程,減少工藝設(shè)備。關(guān)鍵在于減少制備背面PN區(qū)的工序

    (2) 選用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備。比如選用HWCVD或LPCVD,或板式PECVD進(jìn)一步降本

    (3) 選用更低成本的TCO膜和靶材。比如選用AZO或其他低成本TCO膜

    (4) 選用更低成本的金屬電極工藝。比如采用銅電極工藝,或配合微晶工藝采用中高溫銀漿方案

    不少研究機(jī)構(gòu)和創(chuàng)新企業(yè),從以上幾大降本方向,提出了若干個(gè)低成本HBC電池量產(chǎn)工藝。

    1、Tunnel-HBC電池工藝

    瑞士電子與微技術(shù)中心CSEM,聯(lián)合設(shè)備廠商Meyer Burger和EPFL,提出了低成本的Tunnel-HBC電池工藝,Voc達(dá)到了745mV,電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25.35%。見下圖:

    Tunnel-HBC電池結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換效率

    Tunnel-HBC電池關(guān)鍵工藝是在背面采用n/i/n+/p+/TCO/Ag結(jié)構(gòu)構(gòu)成隧道結(jié),在簡(jiǎn)化工藝制程的同時(shí),還擁有較高的轉(zhuǎn)換效率。Tunnel-HBC電池工藝主要有以下創(chuàng)新點(diǎn):

    (1) 只需要N區(qū)(電子收集區(qū))圖形化,設(shè)備自帶mask,省略了原掩模工序

    (2) P區(qū)(空穴收集區(qū))直接覆蓋整個(gè)背面,不需要對(duì)準(zhǔn),省略了原開槽和刻蝕工序

    (3) 從雙面本征非晶硅到背面兩層摻雜納米晶硅層,可用一個(gè)設(shè)備連續(xù)沉積,適合大規(guī)模生產(chǎn)

    (4) 整個(gè)工藝制程大幅縮減到10步,工藝簡(jiǎn)潔,生產(chǎn)成本低

    (5) 只需背面沉積單層且便宜的無銦TCO膜(Al:ZnO)

    Tunnel-HBC電池工藝解決了經(jīng)典HBC最復(fù)雜的多步非晶硅沉積工藝,非常適合產(chǎn)業(yè)化。但還有若干新問題需要進(jìn)一步優(yōu)化:

    (1) P區(qū)和N區(qū)沒有隔離,為防止短路,空穴收集材料必須具有低橫向電導(dǎo)性能;

    (2) 使用nc-Si:H(n)/nc-Si:H(p)代替a-Si:H(n)/a-Si:H(p)可以獲得更好的Voc和FF,但沉積nc-Si:H會(huì)降低PECVD產(chǎn)能;

    (3) 自帶mask的PECVD設(shè)備,造價(jià)昂貴,且需要適配電池片尺寸變化;尚無國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商跟進(jìn);

    (4) 印刷銀漿后采用濕法刻蝕工藝完成TCO膜和電極的隔離,工藝難度大。

    2、基于LPCVD的HBC電池工藝

    普樂科技(POPSOLAR)充分結(jié)合了目前成熟且低成本的工藝和設(shè)備,在先進(jìn)設(shè)備廠商和材料廠商的幫助下,提出了低成本的“基于LPCVD的HBC電池工藝”(簡(jiǎn)稱L-HBC),Voc可達(dá)730mV以上,電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%以上。見下圖。

    圖片 1的副本17

    普樂科技(POPSOLAR)L-HBC電池結(jié)構(gòu)

    與經(jīng)典HBC電池工藝技術(shù)相比,L-HBC電池工藝的創(chuàng)新在于:

    (1) 充分利用了成熟的LPCVD摻雜非晶硅工藝和掩膜開槽工藝,來制備背面PN區(qū)(硼摻雜和磷摻雜非晶硅)

    (2) 用低成本的氧化層沉積工藝替代了本征非晶硅沉積工藝。正面用氧化鋁或氧化硅替代本征非晶硅鈍化膜;背面用超薄隧穿氧化硅替代本征非晶硅層,保持了鈍化接觸能力和高Voc

    (3) 用LPCVD設(shè)備利用BCl3氣態(tài)源實(shí)現(xiàn)了低溫硼摻雜非晶層,摻雜濃度容易控制,且降低了制造成本

    (4) 制備了摻雜非晶硅和微晶硅的混合結(jié)構(gòu),保持高Voc和高Jsc的同時(shí),能經(jīng)受較高溫度的工藝

    (5) 用常規(guī)低成本氮化硅工藝替代了低溫TCO工藝,能承受溫度較高的金屬化工藝,并可采用低成本銀漿方案

    (6) 采用創(chuàng)新激光燒結(jié)工藝,按圖形局部燒結(jié)出銀電極,不破壞非晶硅/微晶硅結(jié)構(gòu);避免了常規(guī)高溫?zé)Y(jié)放大硅片內(nèi)部缺陷問題,從而進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率

    當(dāng)然,L-HBC電池工藝面臨著新問題挑戰(zhàn):1)非晶硅原位摻雜速率需要進(jìn)一步提高,氫含量和晶化率需要進(jìn)一步優(yōu)化;2)整線制程要求較高,需要水平較高的工藝團(tuán)隊(duì)和廠務(wù)設(shè)施;3)激光燒結(jié)設(shè)備需要進(jìn)一步完善;4)適配L-HBC電池工藝的中高溫銀漿,需要進(jìn)一步優(yōu)化。

    普樂科技L-HBC電池工藝,整線制程充分兼容了主流低成本成熟工藝,適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化;若實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率25.5%和良率95%以上的制程目標(biāo),生產(chǎn)成本有望低于主流PERC電池。

    此外,L-HBC電池工藝有極強(qiáng)的工藝柔性,1)若增加退火設(shè)備,可兼容更低成本的TOPCon電池工藝和TBC電池工藝;2)若將氮化硅工藝改為TCO工藝,則工藝路線跟經(jīng)典HBC接近,但成本低一些。L-HBC電池生產(chǎn)線能為組件客戶提高更多電池產(chǎn)品選項(xiàng)。

    3、極簡(jiǎn)HBC電池工藝

    成本最低的極簡(jiǎn)HBC電池工藝,必然是在制備背面PN區(qū)方面做出了重大創(chuàng)新,采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了背后PN摻雜。那極簡(jiǎn)HBC電池工藝是否存在呢?答案是肯定的。

    普樂科技(POPSOLAR)在L-HBC電池工藝基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了更簡(jiǎn)潔的iHBC電池工藝。iHBC電池工藝采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了電池背面非晶硅層的硼磷摻雜,不僅大幅縮短了工藝流程,大幅降低了設(shè)備投資成本(約2億元/GW),還比PERC電池工藝降低了30%-40%水電氣耗量,銀漿單耗低于PERC電池,從而使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價(jià)值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。

    五、總結(jié)與展望

    本文梳理IBC電池演進(jìn)到HBC電池的最新發(fā)展脈絡(luò),總結(jié)如下:

    (1) 隨著高價(jià)值光伏應(yīng)用市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展,既美觀又效率更高IBC電池,越來越受歡迎;阻礙IBC電池發(fā)展的高成本問題,逐漸被新工藝化解,IBC電池已到了規(guī)模發(fā)展的臨界點(diǎn)。

    (2) TOPCon和HJT等N型電池設(shè)備和工藝的成熟,帶動(dòng)了低成本IBC量產(chǎn)工藝的成熟;只要量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率在25%以上,①非硅成本降低到0.3元/瓦以下,②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi),③或生產(chǎn)成本比PERC電池低,IBC電池將迎來極佳的發(fā)展期,甚至有機(jī)會(huì)成為新一代主流晶硅電池。

    (3) 在業(yè)內(nèi)紛紛從經(jīng)典IBC電池工藝升級(jí)到TBC電池工藝的同時(shí),轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池,迎來了新的發(fā)展階段,并出現(xiàn)了多個(gè)低成本HBC電池量產(chǎn)工藝路線,有望讓IBC電池技術(shù)路線重現(xiàn)輝煌。

    (4) 量產(chǎn)HBC電池的最大挑戰(zhàn),仍然在于如何發(fā)展和選用低成本的非晶硅沉積設(shè)備,來制備背面PN區(qū);更激進(jìn)的工藝方案是,采用更低成本的非化學(xué)沉積設(shè)備來完成背后PN摻雜。

    (5) 低成本量產(chǎn)工藝的成熟,不僅讓HBC電池仍保持較高的Voc和轉(zhuǎn)換效率,更重要的是,使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價(jià)值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。


    來源:光伏們



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