1、高效晶硅太陽電池技術調研報告第一章引言晶體硅太陽電池一直是太陽電池應用中的主導技術，并占有絕大部分光伏市場。由于太陽電池應用在本世紀中得到飛速的發展，晶體硅太陽電池的性能也得到迅速的提高：規模化生產的單晶硅和多晶硅太陽電池的轉換效率在本世紀初只有14%和15%，現在已經達到了19.8%和18.4%左右。同時，晶體硅電池的制造方法卻與十幾年前基本沒有變化，晶硅電池性能的提高，主要依賴電池輔料性能、生產工藝等的改進。如正面銀漿、背面鋁漿的不斷更新換代，使正、背面金屬接觸的性能得到改善，提高了晶硅電池的開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）；電池加工設備的性能的提高，加上印刷網板的改進優化，正面銀柵

2、線有的采用了兩次對準印刷。這些優化使印刷柵線寬度從150m下降到如今的40m左右，減少了柵線對光的遮擋，同時提高了柵線的高寬比，減小了柵線本身的電阻。因此，這一階段電池性能的提高都應當歸功于晶硅電池產業鏈上各級優化的結果。而隨著晶體硅太陽電池效率逐步接近20%的光電轉換效率，人們發現繼續靠優化這些傳統的晶硅電池技術和工藝來進一步提高電池的效率越來越困難。從而，相對不同的高效率晶硅電池技術受到了越來越多的重視。高效晶體硅太陽電池的概念是上世紀80年代提出來的，關鍵在于引進了熱氧化表面鈍化技術和陷光效應理論。高效電池與普通電池的一個主要區別在于電池背表面的鈍化。目前生產上采用的傳統電池都是用全面積

3、背面鋁燒結形成鋁背場，這種鋁背場雖然比金屬直接接觸的表面復合有所下降，但下降的程度不大。鋁背場比絕緣層形成的表面鈍化作用相差甚遠，因此，傳統電池的Voc并不是很高，大多數在620640mV之間。而高效電池要對電池的正反表面全面積鈍化，復合損失大幅降低，它們的Voc大多在660750mV左右。另外，傳統鋁背場的內部光反射率很低，接近于零，因而穿透硅材料的紅外線在鋁背場附近幾乎全部損失掉了。另外，傳統電池的電流密度（Jsc）在37mA/cm2左右，而高效電池的背表面鏡以及陷光機理的合理設計，可以使Jsc達到4042mA/cm2。而且有了陷光作用，電池的厚度可以進一步減薄，這樣可在極小電流損失的條件

4、下進一步提高電池的Voc，特別是背面發射結電池和IBC電池。第二章晶硅太陽電池的發展歷程晶體硅太陽電池技術是在過去60年間發展起來的，圖1為晶體硅太陽電池光電轉化效率的發展過程。20世紀四五十年代，由于空間太陽電池的應用需求，晶體硅太陽電池迅速發展起來，以地面太陽光譜條件下測量的電池效率超過了10%，后來發現了淺結技術后效率接近15%。在70年代中期，又發明了在單晶硅上的堿制絨技術，電池效率達到了17%。自此經歷了MINP、PESC、PERC、PERL等技術階段，晶硅電池的轉化效率快速突破了20%。由于PESC電池是用鋁背場燒結而同時形成背面電場和正面鈍化，它主要的弱點在于背表面的高復合以及極

5、低的背表面處光的內反射。因而后來發展起來的PERC電池（鈍化發射極及背面鈍化電池）和PERL電池（鈍化發射極和背面電擴散電池），在鈍化電池背表面的同時，實現了背表面反射鏡，得到了極佳的陷光效應，PERL電池迅速提高了電池效率，在20世紀90年代末達到了24.7%。2008年全世界各大權威太陽電池測量中心修正了AM1.5光譜數據后，1999年PERL電池創造了當時晶硅電池效率的世界紀錄-25.0%。圖1.地面用晶體硅太陽電池效率發展史隨著光伏行業向高效率、低成本方向發展，HIT太陽能電池便應運而生。三洋公司最初將（a-Si）/（c-Si）異質結應用于太陽能電池中，并在1997年大批量生產HIT太

6、陽能電池，首次將其投入市場；2009年實現了厚度98m、面積100.3cm2的、擁有轉換效率為22.8%的HIT太陽能電池，到2011年，三洋公司制備的HIT太陽能電池獲得23.7%的效率。2014年四月下旬日本夏普公司宣布，其自主開發的氫化非晶硅（a-Si:H）、N型單晶硅（c-Si）異質結背接觸電池技術（即HBC技術），轉換效率可達到25.1%；幾乎同時，日本松下公司宣布其使用的HIT電池技術生產的電池達到25.6%的效率，刷新了澳大利亞新南威爾士大學1999年創下的25.0%的紀錄，成為目前世界上太陽電池效率的最高水平。近幾年國內高效電池技術的研發和應用也日趨迅猛，除國內重點科研院所和研

7、發機構外，很多大型新能源企業開始陸續建設高效電池生產線。2015年11月10日英利自主開發的“熊貓”二代MWT高效太陽能電池規模化生產效率達到20.5%，對于助跑我國光伏產業技術升級起到良好的示范作用，填補了N型電池技術的國內空白；2016年2月24日，晉能清潔能源有限公司2GW異質結高效光伏電池組件項目在晉中市開工建設，標志著國內HIT電池組件規模化生產已經拉開序幕。第三章現有高效晶硅太陽電池技術介紹3.1發射極表面鈍化電池（PESC）PESC電池（Passivated Emitter Solar Cell）主要是使用SiO2薄層鈍化發射極表面，最大限度地減少了發射極表面載流子復合中心，提高

8、光生載流子的傳輸距離，從而提高電池的轉換效率。目前使用SiO2做PESC電池結構的廠商不多，目前只有一些臺灣廠家還有這種工藝。這是因為，目前普遍使用的SiNx減反膜本身就有比較好的鈍化效果，再使用SiO2做鈍化層，雖然具有一定的效果，但作用有限。此外，在工藝控制上，額外的鈍化層對生產過程的潔凈度要求更高。如果工藝控制不佳，SiO2成膜后其表面會出現黑點，SiNx鍍膜后變成白點，造成電池外觀不良，從而大幅降低良品率。效率方面：在UNSW獲得21%的轉換效率，是第一個突破20%效率大關的電池結構。核心工藝：正面的二氧化硅薄膜氧化層，實現正面發射極鈍化。圖2.PESC電池結構示意圖3.2鈍化發射級及

9、背面電池（PERC）PERC電池（Passivated Emitter and Rear Cell）是在對發射極進行鈍化的基礎上，通過背面鈍化來進一步提升轉化效率的技術。在晶硅電池研究中，影響電池效率的工藝因素太多，一般從開路電壓來判斷一種電池結構是否具有潛力。電池背面全部用SiO2鈍化，可以實現700mV的Voc。但是背面全部鈍化，鋁背場和Si襯底的接觸問題就難以處理。要實現良好的接觸，金屬必須與Si襯底實現有效的金半接觸，必然會破壞鈍化層，從而失去鈍化效果。所以PERC電池的背面結構必須設計成局部接觸的形式。所以整個PERC結構的設計核心，就在于背面的圖形結構的設計。效率方面：PERC電池

10、只是UNSW在研發過程中的一個過渡結構，在1989年得到了22.3%的轉換效率，后來被PERL電池取代。原始的PERC電池結構以后基本上就無人問津了。圖3.PERC電池結構示意圖后來德國Fraunhofer研究中心采用激光背面打點的方法制成PERC電池，并改名為LFC（背面激光點接觸電池），達到了22%以上的轉換效率。LFC的背面金屬是蒸發的純鋁，這使得LFC的成本偏高，批量加工的難度也較大，加上其他一些人為的原因，這種LFC電池并沒有大規模投入生產。而近年來，為了突破20%轉換效率大關，研究者發現PERC電池實際上是各種高效電池結構中最簡單、潛在成本最低，對現有電池生產線最易升級改造的結構，

11、而且PERC電池技術沒有專利保護。因此PERC電池成為近幾年來高效晶硅電池開發的熱點，有些臺灣和中國公司已經開始小批量生產PERC電池。當然，為降低成本，人們趨向于采用最廉價的絲網印刷方法來制造PERC電池。大多數PERC電池的正面與常規電池基本相同，僅僅背面改成點狀或條狀接觸。背面鈍化多采用Al2O3/SiNx或SiO2/SiNx雙層結構，其中ALD 和PECVD 方法制造的Al2O3鈍化膜也被廣泛用于PERC電池的研發和生產，臺灣E-TonSloar公司甚至采用了涂覆Al2O3鈍化膜。大多數PERC電池的研發者都遇到了在金屬接觸區域，硅溶解進鋁層而形成空洞的問題，這些空洞會造成接觸電阻的提

12、高和填充因子的下降。近幾年來PERC電池背面鋁漿的開發基本上解決了這個問題，另外人們還發現激光的條件、背面孔（條）的幾何尺寸、燒結的溫度等因素都會影響這些空洞的形成。其實，除了在背面接觸區形成良好的歐姆接觸外，在燒結后保持背面鈍化層的鈍化效果和絕緣性能也是同樣重要的。表1為近幾年一些公司和研究機構的PERC電池的實驗結果。表1.近幾年一些公司和研究機構的PERC電池效率另外，德國ISFH對國外PERC的研究進行了總結，如圖4所示。圖4.德國ISFH對國外PERC的研究總結圖3：鈍化發射極、背面局部擴散電池（PERL）在PERC電池基礎上，為了能夠進一步降低PERC電池背面金半接觸電阻，從而提高

13、電池效率，研究者開始考慮對背面接觸區域進行局部擴散，從而產生了PERL電池（Passivated Emitter ，Rear Locally-diffused Cell）結構。圖5.PERL電池結構示意圖PERL電池采用了1·cm的低電阻率FZ單晶硅片，以保證原始硅材料內部高的載流子壽命。電池正背面均有熱生長氧化層鈍化。在正、背面的金屬接觸區域，也被濃擴散區域鈍化，以減少金屬接觸處的復合損失。這樣全部硅表面的復合損失最小，從而電池內部的光生載流子接近100%的被發射結分離形成輸出電流。而且極低的總復合率，也造成了極高的Voc，一般在700710mV。因此，PERL電池開壓優勢明顯，很

14、快超越了PERC電池，通過不斷優化，其轉換效率達到了24.7%，后來世界權威的測試機構Sandia又將這個數據值修正為25%，從而長期占據了晶體硅電池的世界轉換效率記錄。目前歐洲的高效電池的研究大多數采用PERL或PERT結構，如德國的Fraunhofer ISE、ISFH，ISC Konstanz、比利時的IMEC、荷蘭的ECN等著名研究中心，各家電池和設備公司在這方法也作了大量研究工作。盡管UNSW原始的PERL電池是制作在P型區熔單晶硅片上的，但為了實現高效率，近年來的大多數PERL電池都是制作在N型硅片上，而且絕大多數都采用了Al2O3的P型表面的鈍化，采用這種方法在N型硅片上得到了2

15、3.4%的效率。然而，目前可量產的P型PERL電池的研發還不普遍，目前只有韓國現代重工將PERL電池制作在P型單晶硅片上，背面采用局部開孔、對準印刷鋁漿圖形、燒結鋁擴散、然后第二次印刷鋁漿并低溫燒結的較低成本的方法。實際上天合公司也采用了這種方法，得到了比一次印刷燒結全背鋁高幾mV的Voc。因此，天合公司的結果也可以歸類為PERL電池結構。實際上目前已經有很多新技術可以用來制作PERL的背面結構，比如激光開孔然后擴散，或者更為簡單的同步激光開孔/擴散、印刷擴散源以及硅墨技術等。因此，全結構的PERL電池在不遠的將來會有更大的發展空間。表2列出近幾年一些公司和研究機構的PERL電池的實驗結果。表

16、2.近幾年一些公司和研究機構的PERL電池效率3.4：鈍化發射極、背面全擴散電池（PERT）PERT電池（Passivated Emitter ，Rear Totally-diffused Cell）結構與PERL結構只有一點區別：PERL是背面局部擴散，而PERT是背面全擴散。這種電池是將B擴散的P型發射區設置在電池的背面。由于電池的發射區不受光照，基區中的光生載流子-空穴被收集到發射區中變成多子，因而不存在復合損失的問題。從而P型發射區可以采用更低的方塊電阻，也容易做的均勻。PERT結構在P型電池上與PERC、PERL相比沒有太多優勢，PERT的優勢在于做N型電池。2005年UNSW研發的

17、PERT電池轉換效率為22.7%，追平了當時N型晶硅電池效率的世界紀錄。圖6.PERT電池結構示意圖 PERT電池的研發主要是荷蘭的ECN研究中心和天威英利公司。英利的“熊貓電池”就是一種PERT雙面電池結構，熊貓電池已經投入生產好幾年，它已達到20%以上的生產效率。其他公司和研究機構也得到相近的結果，例如：Bosch公司的雙面電池在2013年達到20.7%的效率，法國ECA的雙面電池達到20.2%。3.5背面接觸電池（IBC）IBC電池（Interdigitated back contact）是正面沒有電極，電極和PN結都設計在背面。正面結構與常規電池類似，有絨面、鈍化層、減反層；其背面N型

18、層與P型層相互交替，在N/P界面上形成PN結。電極從N型與P型上分別導出，整個電池正面沒有任何電極和Busbar，焊接在背面進行。電池技術也很復雜，背面焊接技術與傳統的也不一樣，目前了解的有阿特斯與天合在做，主要有掩膜法與離子注入法，工藝要求都比較高，成本也相對較高。IBC電池的成本比PERC電池還要高不少，但是由于光線的利用率高很多，轉換效率上也很有優勢。斯坦福大學研究的IBC電池技術，率先在N型硅片上得到了28.2%的聚光條件下的光電轉換效率。后來斯坦福大學的研究人員成立了SunPower公司，并改用了低成本的印刷工藝，將這種IBC電池的生產成本降低，實現了大批量生產。SunPower公司

19、將這種IBC電池的生產工藝不斷優化，目前已經達到了25.0%的轉換效率。SunPower的IBC電池的性能提高主要來自于對金屬接觸區域的鈍化，據稱這種鈍化是采用優化接觸區域的表面參雜濃度來實現的。圖8是SunPower第3代IBC電池結構示意圖。這種接觸區域的鈍化使SunPower的IBC電池的開路電壓從最高690mV提高到730mV。HZB的實驗結果表明，即使對較低開路電壓的IBC電池，采用a-Si 鈍化金屬接觸區，仍可以將開路電壓提高38mV。目前最高的HIBC（HIT+IBC）電池的開路電壓為740mV，而SunPower的同質結IBC電池已經達到了730mV的開路電壓。據推測，SunP

20、owe很可能r已經采用了非晶硅鈍化金屬接觸區域，或者采用了某種未發表的同非晶硅一樣強大的表面鈍化技術。圖7.IBC電池結構示意圖圖8.第3代IBC電池結構示意圖除了SunPower公司生產IBC電池外，目前還很少有其他公司生產這種電池，其中一個原因是這家公司對這種IBC電池采用了很好的專利保護。只是幾年前這些專利都過期而失去了保護作用，因此近幾年來，各家公司和研究機構對IBC電池進行了大量的研究工作而產生了很多很好的結果，表3是近幾年一些公司和研究機構研究結果的一部分。看來其它公司開始批量生產IBC電池就在不遠的將來了。表3.近幾年一些公司和研究機構的IBC電池效率3.6 異質結電池（HIT）

21、日本三洋公司在N型硅片襯底上先做一層本征非晶Si，再在本征層上做P型或者N型非晶硅，得到了效率極高的HIT電池（Heterojunction with Intrinsic Thinlayer Cell）。HIT電池是一種利用薄膜工藝技術制作的N型電池，其表面鈍化效果甚至超過熱氧化硅鈍化，Voc可以達到725mV，并在2013年達到24.7%的轉換效率。圖9.HIT電池結構示意圖目前有很多中國公司也在研究三洋的HIT技術，但效率一致不太好，后來發現在襯底上做一層超薄的SiO2過渡層，電池效率可以明顯地提高。由于三洋的HIT技術專利已經到期，三洋公司也被收購，國內就把這種改進的HIT電池結構稱作H

22、JT電池。三洋公司的HIT結構并未說明是否在襯底上做過SiO2，或許該工藝本身就存在氧化硅。但是襯底上做這種超薄SiO2，由于非晶硅材料對光子的吸收率極高，這種非晶硅層都非常薄，5nm到10nm左右。這樣要采用TCO(透明導電玻璃)層來幫助電極對PN結電流的收集，實現起來不難，但做到均勻、可靠就比較困難了，這最終會導致成品率高低的問題。HIT電池制造工藝，對設備和過程控制要求很嚴格，而且制造過程中大量使用半導體清洗液，其運營成本也相當高。2014年，松下收購三洋后，將這種HIT電池與IBC電池技術相結合，將傳統正面電極也挪到該電池的背面，制成HIBC電池，并達到了25.6% 的效率，打破了25

23、%的世界紀錄。此外，除了松下公司自己生產HIT電池之外，由于目前HIT電池專利已過期，一些廠家和研究機構對HIT電池進行了大量的研究，結果如表4所示。表3.近幾年一些公司和研究機構的HIT電池效率3.7異質結和背接觸技術耦合電池（HIBC）HBC電池（HIT+IBC）結構是在N型硅片襯底的背面做了一層非晶的本征層，然后在本征層上交叉地做非晶P型層和N型層，在N/P層的界面上形成PN結，分別從N型層和P型層引出電極。而電池的正面使用絨面和減反膜減反，并用鈍化層鈍化，正面沒有任何電極和Busbar。通過這種電池結構，2014松下創造了25.57%的世界記錄。夏普公司圖10.HIBC電池結構示意圖第

24、三章現有高效太陽電池生產工藝介紹關于PERC工藝路線可以分為兩種：一種是常在實驗室使用的所謂強化版路線，相比普通電池技術，多了背面拋光、表面熱氧化、背面的介質層生長、背面的接觸區域層圖形化。大規模生產中，采用簡化版工藝路線居多，主要是減掉了熱氧化層的步驟。熱氧化法是SiO2表面鈍化最佳方法，其余的SiO2生長方案效果都不理想。但由于熱氧化工藝成本較高，且外觀問題不易解決，所以應用不多。PERC電池規模化生產中，設備供應商都有配合提供工藝設計方案。設備選型，一方面是選擇設備成熟度，另外一方面就是工藝成熟度。PERC電池的核心，就是背面的鈍化層（介質層）。鈍化層主要是SiO2、AlOx。SiO2的

25、缺點在于其抗腐蝕性很差，只能用熱氧化法生長，成本難以下降。目前，AlOx的應用更為廣泛。AlOx的生長方案主要有 PECVD、PVD 、LPECVD、ALD等等。我們曾將市場上的所有的AlOx生長技術方案進行了對比分析，用不同的成膜工藝制作了壽命樣片，通過對比壽命樣片的少子壽命來分析各種成膜技術的潛力。最終發現， ALD技術的少子壽命指標明顯由于比其他技術方案，排名第二位的是PECVD技術。ALD是一種原子層沉積技術，最大的優勢是成膜效果均勻穩定。針對硅表面高低起伏臺階，ALD技術可以在各個位置都保持均勻的成膜厚度和質量。梅耶博格的設備采用的是PECVD氧化鋁成膜技術，優勢在于集成度很好，無論

26、是新的設備還是改造舊設備，都可以把氧化鋁與背面的氮化硅層合二為一，一次工藝路線全部成型。梅耶博格設備的缺點，首先PECVD技術做氧化鋁，工藝性能與ALD有差距，只不過電池上的差距不會特別明顯，兩種方案基本是0.3%左右效率差距（因為是小批量制作，所以不能排除差異是否是由其他階段工藝導致）。采用梅耶博格設備目前效率可達20.6%。此外，PECVD技術生長AlOx，其化學品TMA的耗量相當高，只不過目前TMA已實現國產化，成本還在可接受的范圍之內。另外，就是PECVD的粉塵：機器腔體較大，會有AlOx粉末充斥在腔體里，很難清潔。IDEAL ENERGY應該是目前最成熟的國產ALD設備解決方案供應商

27、。該款設備首先是板式的承載方式，生產兼容性和上下料自動化程度高；其次使用了ALD技術，能夠在板式大腔體工藝路線上實現原子層沉積，這些優勢導致其前景樂觀。該款設備問題在于：集成度還需要提高，目前只有一個ALD成膜方案，沒有與背面氮化硅方案集成在一起。后續期待該公司的新產品。中電的設備：中電做PERC電池較早，目前設備是當初的實驗性機臺，但在設計之初就預留了量產化改造的窗口。目前，中電研發團隊正完全依靠自身力量進行設備改造和升級。該設備采用原子層沉積技術，配備多種氣體源管路，適用不同鈍化膜的工藝研究。目前，可以做到20.8%的轉換效率，后續改造完成后，還有進一步提高的空間。第四章高效晶硅太陽電池的

28、發展趨勢除已有的兩家IBC和HIT電池制造商外，其它許多廠家已初步開發掌握了高效率晶體硅電池的制造方法，并開始投入批量生產。無論是現有技術還是經典的PERC和PERT電池、以及選擇IBC結構還是HIT電池結構，這些電池的制造工藝和電池性能都在被迅速優化提高。高效晶硅電池應以單晶硅為主，因為高效電池需要高體內載流子壽命，而多晶硅目前無法得到較高的載流子壽命。至于選擇N型還是P型襯底、是IBC，HIT還是PERL類電池，只能由研發、設備和生產的發展來決定。目前很多專家看好N型電池，這是因為N型硅片的載流子壽命遠高于傳統CZ(B)硅片。但硅片的高成本與工藝的復雜性，成為推廣N型高效電池技術的一個重要壁壘。目前，P型電池和硅片基材的研發稍滯后于N型電池和硅片，但由