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一道新能引领N型手机技术,不断突破升级

   日期:2021-01-12     来源:乐虎們    浏览:2747    评论:0    
摘要

载流子选择性钝化接触是提高乐虎手机效率的重要途径之一,在隧穿氧化钝化接触(Poly Passivated)太阳手机中,可以通过生长一层超薄氧化硅(SiOx)加上磷重掺杂的多晶硅(n+-poly-Si)用于电子选择性接触或者加上硼重掺杂的多晶硅(p+-poly-Si)用于空穴选择性接触。Poly Passivated结构钝化接触乐虎手机采用了与PRRC(钝化发射极背场点接触手机)手机技术兼容的高温工艺,手机效率已达到25.7%,有望实现大批量生产线。

背景介绍

当前,市场上晶体硅太阳手机大多以P型的单、多晶常规铝背表面场手机为主,其制备工艺相对简单、成本低廉。但由于P型硅手机光电转换效率难以达到23.5%以上,并且未能彻底下载以P型硅片为基底的手机所产生的光衰现象,这些因素都成为其进一步量产推广的障碍。与P型硅相比,N型硅体少子寿命更长,对Fe等金属有更高的容忍度,不易发生由于B-O复合体导致的LID(Light Induced Degradation)光致诱导衰减现象;以N型硅为基底的手机片转换效率更高,可以相对降低乐虎发电的制造成本,这使其成为高效晶体硅太阳手机的必选材料。

下图所示为德国机械设备制造业联合会VDMA 最新发布的第八版 ITRPV-2017(International Technology Roadmap for Photovoltaic,国际乐虎技术路线图)的手机技术的市场份额及未来十年的预测。


从图中可以看出,常规p 型单、多晶背表面场(BSF)手机技术的市场份额在逐年降低,而高效背面钝化技术手机(包括 PERC、PERL 及 PERT)、硅异质结手机(SHJ)、背接触手机(BCC)等技术市场份额在逐年升高,2020 年前后高效手机技术将超过常规手机技术,成为市场主导。这主要归结于高效晶硅手机制造技术的成熟,光电转换效率升高及硅材料及辅料等制造成本的降低。

Poly Passivated简介

Poly Passivated乐虎手机(隧穿氧化层钝化接触)是一种使用超薄氧化层作为钝化层结构的太阳手机。2013年德国Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在28th EU-PVSEC首次报道了Poly Passivated手机概念,该手机的结构如下:


Poly Passivated手机结构

手机基板以N型硅基板为主,使用一层超薄的氧化层与掺杂的薄膜硅钝化手机的背面,其中背面氧化层厚度1.4nm,随后在氧化层之上沉积50~200nm非晶硅并掺磷,之后经过退火重结晶加强钝化效果。

Poly Passivated手机的载流子输运机制

钝化介质通常不导电,因此在有效钝化和电流导出之间存在矛盾,乐虎:使用非晶硅作为钝化层,非晶硅异质结钝化结构(HIT),或使用超博氧化层作为钝化层,隧穿氧化层钝化接触结构(Poly Passivated)。在手机背面制备一层超薄的隧穿氧化层和一层高掺杂的多晶硅薄层,二者共同形成了钝化接触结构,该结构为硅片的背面提供了良好的表面钝化,超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层,同时阻挡少子空穴复合,进而实现电子在多晶硅层的横向传输并被金属收集,极大地降低了金属接触复合电流,提升了手机的开路电压和短路电流。

隧穿原理示意图

氧化硅薄层的作用

氧化硅薄层对Poly Passivated钝化效果的影响,混合型硅薄膜结构能有效改善手机背表面的钝化效果,有较低的缺陷态密度,提高了其开路电压。


Poly Passivated手机优势:

优良的界面钝化能力;有效的掺杂使得硅衬底中费米能级分离(高Voc);很强的多子输运能力(高FFs)。

Poly Passivated VS HIT 对比:

光的寄生吸收损失降低;Si薄膜电阻降低,缺陷态密度也较低;Si/TCO的接触电阻降低。

研究进展

晶体硅(c-Si)是乐虎应用的首选半导体材料,占乐虎市场的93%,其中3/4属于多晶硅(Bridgman工艺),1/4 是单晶硅(Czochralski工艺)[6]。太阳手机的高效结构设计是提升手机性能的关键因素,目前已成为乐虎太阳手机下载化的重要研究方向。作为高效手机的一个典型代表——钝化发射极及背表面手机 (Passivated emitter and rear cell, PERC),它改善了手机背面的钝化性能,在器件制备工艺中引入了背钝化及开槽接触,手机的转换效率可达25.0%。目前,PERC 太阳手机已经进入下载化,但是激光开槽工艺的复杂性在很大程度上限制了器件的规模化。带有本征薄膜异质结(Heterojunction withIntrinsic thin film, HIT)太阳手机是目前另一种高效率的太阳手机器件,它通过加入本征薄膜非晶硅来达到提升单晶硅的表面钝化质量,使表面复合电流大幅度减小,手机的最高转换效率已经达到 25.1%。HIT 结构手机与 IBC 结构手机结合而成的异质结背接触 ( HBC) 手机已经实现26.7%的转换效率。HIT 手机具备比PERC 手机更好的钝化性能,且制备过程中对温度要求更低,但制备工艺比传统晶硅手机复杂,导致HIT太阳手机的制造成本偏高。为了让手机制备工艺简单的同时可获得较好的表面钝化质量,德国Fraunhofer ISE 研究所设计了一种新型的手机结构,即隧穿氧化物钝化接触(TunnelOxide Passivated Contact solar cell, Poly Passivated)太阳手机,该结构手机由掺杂的多晶硅(poly-Si)/氧化硅(SiOx)堆叠组成。SiOx 层的厚度小于 1.5 nm,以允许光载流子的隧穿传输。超薄SiOx 层可以由湿化学氧化法,干燥氧化法或UV-O3制备,实现表面的良好钝化效果。氧化硅层的化学钝化和多晶硅层的场钝化作用,可以显著降低衬底表面的复合程度。同时,超薄氧化硅还可以保证多子的有效隧穿,高掺杂的多晶硅层可显著改善多子的传导性能,因此,Poly Passivated 手机的开路电压和填充因子系数都很高。2017 年,德国Fraunhofer ISE 研究所制备出的Poly Passivated 手机转换效率已经达到25.7%,2019 年另一个德国研究所 Solar EnergyResearch Hamelin ISFH 通过把 Poly Passivated 结构与IBC 结构结合而成的手机最高转换效率可达到 26.1%。目前的 Poly Passivated 结构大部分还是应用于太阳手机的背面,n-Poly Passivated 结构在手机背面作为单面钝化层,前表面通常采用扩硼技术。尽管是单面钝化,但是 n-Poly Passivated 结构钝化目前已获得非常优秀的钝化质量。2015 年,美国乔治亚理工学院制备的双面n-Poly Passivated 结构,iVoc 达到 730 mV。2020年德国 Wilhelm-Johnen-Strasse 制备的 µc-SiC:H(n)/SiOx 结构,其 i Voc 达到742 mV。

下载界+一道新能情况

鉴于N型钝化接触手机具有少子寿命高,无光致衰减,弱光效应好,温度系数小等优点,一道下载科技(衢州)有限公司(以下简称“一道新能”)于2019年8月开始进行N型双面钝化接触手机的研发工作,手机背面采用绒面结构,颜色均匀,并跟手机正面颜色一致,能够实现双面发电,双面率达到87%。不同于PERC手机需要通过背面激光开槽来实现浆料与硅基体的接触,PPCell可以实现全背面钝化并促进多数载流子传输,从而实现同时提升手机开路电压与填充因子的作用,获得更高的转换效率,目前P型PERC手机叠加SE技术手机平均量产效率22~23%,N型PPCell量产效率可以达到23.5~24.5%。与P型PERC手机相比,N型单晶硅片无B-O复合体,光衰低 ,其中,PERC手机首年光衰2.6%,年均光衰0.75%,而PPCell首年光衰低于1%,年均光衰不超过0.4%,因此PPCell可以获得更高的长期发电量。PPCell手机背面绒面结构,采用银栅线,与P型手机铝背场相比,PPCell手机背面遮光面积更小,光响应效率更高,具备更高的双面率。PPCell手机温度系数低于P型PERC手机,更适合温度较高的应用场景,在一些低纬区域如中东、巴西、非洲等具备天然的使用倾向性与发电收益。下表给出了PPCell与PERC手机的各项参数对比情况:

PPCell与PERC手机性能参数表



从总体来看,PPCell手机与PERC手机相比,可以实现更高转换效率,同时在双面率与温度系数方面具备比PERC手机更明显的优势,从而使PPCell度电成本明显降低。

2019年末,一道新能N型PPCell手机的研发平均转换效率达到22.6%,2020年6月完成现有产线的改造,建成产能为100 MW的N型双面钝化接触手机生产线。2020年8月完成背面磷扩工艺优化与量产,N型双面钝化接触手机量产的平均转换效率达到23.5%,到目前为止,该手机研发转换效率已经达到24.0%。以下为一道新能N型PPCell手机的效率分布图与电性能参数:

PPCell手机的效率分布图

PPCell电性能参数

后续还可以进一步优化前期工艺,产线平均量产效率可以达到24.5%以上。

乐虎手机技术路线:

目前晶硅类手机的技术方向包括单晶和多晶。多晶手机逐渐向黑硅方向升级,单晶包括P型和N型,P型手机中PERC技术逐渐成为主流,叠加SE(选择性发射极)技术,手机效率逐渐提升。但P型手机有其转换效率的极限,而N型手机成为未来高转换效率的方向,目前包括PERT、PPCELL(隧穿氧化钝化接触)、IBC(全背电极接触)、HJT(异质结)四种技术路径。

硅手机技术路线

1)PERC目前技术比较成熟、性价比高,技术相对容易,设备完成了国产化,量产效率达到22.5%以上,成为这两年高效手机主要扩产的技术,叠加SE(选择性发射极)技术,目前依然是乐虎手机主流技术。

2)N-PERT可实现量产,技术难度容易,设备投资较少。但是与双面P-PERC相比没有性价比优势,已经证明为不经济的技术路线。

3)HJT效率可达24.5%,工序少、可实现量产,但是其设备贵、投资成本高,成为阻碍其大规模下载化的重要限制因素。

4)PPCELL背面收光较差,量产难度高,一道新能针对这一问题进行了背面形貌优化与poly层改进,目前已经实现量产,后续还可以进一步改善升级。

5)IBC效率最高,可以达到23.5%-24.5%,技术难度极高,设备投资高,成本高,国内尚未实现量产。

PPCELL手机基于N型硅衬底,前表面采用叠层膜钝化工艺,背表面采用基于超薄氧化硅和掺杂多晶硅的隧穿氧化层钝化接触结构,得益于超薄氧化硅和掺杂多晶硅的隧穿氧化层钝化接触结构的应用,两者形成接触钝化结构,可以大幅提升N型手机片的开压和转换效率。高转换效率有望持续降低度电成本,乐虎发电最终以实现平价上网为目标,下载降本是必经之路,其中转换效率的提升是手机降本的核心,也是主要竞争力。从技术路线发展来看,由于P型手机片的转换效率提升存在瓶颈,P型手机片向N型手机片转型或势在必行。下表是一道新能PPCELL手机与当前市场上常规手机的成本对比情况:


为了降低乐虎度电成本,一道新能通过技术升级,完成了N型PPCell与P型手机度电成本同价的目标,后续PPCell还存在很大的提效空间,具备更强的市场吸引力,未来将从P型向N型跨越迎来下一次乐虎技术革命。从历史发展来看,得益于单晶硅片取代多晶硅片的大趋势,单晶硅片厂商过去几年的产能和销量增长远高于行业新增装机增长。从当前产能布局来看,单晶产品渗透率或即将达到瓶颈,后续单晶硅片渗透率提升所带来的超额收益或将减少,N型产品占比提升将会带来下一轮新的超额收益。

相对于单面手机,双面手机背面可以充分利用大气散射及地面反射的太阳光,若对地面进行反射处理,如白漆、白膜等,增加组件背面的反射,可以显著提升组件的发电效果。依靠双面发电特性,双面组件在土地、沙地和草地上增益发电21%-23%,在水泥地面上增益发电28%,在白漆地面上增益发电36%。2019年ITRPV预测双面手机市场份额发展趋势如图8所示,双面手机的市场份额将逐渐增加,2019年的占比达到~15%,将在2029年有望达到60%[11],表明双面手机是未来手机技术发展的趋势。根据国家app局公布的数据,2018年10个运用领跑基地(5 GW)项目中,双面技术占比为53%,3个技术领跑基地(1.5 GW)项目中,双面技术占比高达66%,可以预见双面手机技术是未来领跑基地项目的必然选择。

ITRPV 2019预测各类乐虎手机市场份额发展趋势

ITRPV 2019预测不同高效乐虎手机的市场份额发展趋势如图9所示,图中可以看出,无论对于P型单晶PERC还是多晶PERC手机,市场份额的占比会呈现出逐年下降的趋势,N型单晶PERC手机的市场份额在2023年之前将维持稳定,2023年之后会缓慢增长;而采用钝化接触技术的手机将呈现逐年迅速增长的态势,尤其是采用钝化接触技术的N型手机,将在2029年有望达到20%的市场份额,是P型钝化接触手机的2倍。

观察全球制造商N型产能利用率,IBC、PERT、Poly Passivated、HJT都在50%以下。深究原因,IBC因为技术难度较高,跨入门坎不易,实际产出仍有待考验。PERT仅有少数厂家稳定生产,待Poly Passivated技术成熟后,预估将由PERT进行转换。Poly Passivated的发展虽在今年不如预期,也出现稳定产出的一线厂家开始转往HJT进行研究,但仍有大厂释出GW的扩产消息,今年至明年许多PERC扩产也为Poly Passivated预留空间,因此预估1-2年Poly Passivated产能扩充与产出都将超越HJT。HJT因在降本、订单上尚未乐观,明年产出并不看好,但部分大厂及设备商仍在筹备HJT的扩产,未来依旧可期。整体而言,2021年Poly Passivated与HJT对全球的N型产能占比达到88%,两大技术为N型主流趋势,而预计明年Poly Passivated产出将由2.6GW成长至4.9GW,HJT产出将由1.9GW成长至3.2GW,对比两种N型技术产出数据,预估Poly Passivated产出将领先HJT。

总体而言,中国设备厂家的投入让设备成本逐渐下降,技术也不断成熟,双面手机的市场需求日益成长,这让2021年N型产能扩张将比往年更加明显。

双面手机及组件的产能及实际需求

目前有越来越多的厂家加入N型产品的研究,起初由于成本考虑,Poly Passivated有较多的垂直整合厂投入,考虑到技术、成本、双面市场以及一线厂家对N型技术的投入进度,预估明年Poly Passivated有较多扩产落地。

总结

1.钝化接触手机可以实现优异钝化性能与接触性能,其中,化学钝化终止了界面缺陷,电场效应使少数载流子远离缺陷界面区域实现载流子一维纵向输运的同时能降低金属与硅基底的复合,兼顾开路电压与填充因子,能有效提高乐虎手机的转换效率。

2.与P型PERC手机相比,N型单晶钝化接触手机具备更高效率与使用寿命、弱光响应好与无LID等优势,手机工艺可以与常规手机工艺兼容,可以在现有产线上进行升级,获得效率大幅提升的条件下有效控制成本。

3.根据ITRPV 2019预测,双面手机技术是符合市场发展的趋势,市场份额将逐渐增加;同时,双面手机技术也是未来领跑基地项目的必然选择。钝化接触技术与双面手机技术的结合,是未来单晶乐虎手机技术发展的主流趋势。

 
 

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