一道新能引领N型电池技术,不断突破升级

  • 2021年01月11日
  • 作者: 汪洪

    汪洪

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电池技术的市场份额及未来十年的预测

电池技术的市场份额及未来十年的预测

Poly Passivated电池结构

Poly Passivated电池结构

Poly Passivated电池的载流子输运机制

Poly Passivated电池的载流子输运机制

隧穿原理示意图

隧穿原理示意图

Poly Passivated电池优势

Poly Passivated电池优势

PPCell与PERC电池性能参数表

PPCell与PERC电池性能参数表

PPCell电池的效率分布图

PPCell电池的效率分布图

PPCell电性能参数

PPCell电性能参数

硅电池技术路线

硅电池技术路线

一道新能PPCELL电池与当前市场上常规电池的成本对比情况

一道新能PPCELL电池与当前市场上常规电池的成本对比情况

ITRPV 2019预测各类太阳能电池市场份额发展趋势

ITRPV 2019预测各类太阳能电池市场份额发展趋势

双面电池及组件的产能及实际需求

双面电池及组件的产能及实际需求

摘要

载流子选择性钝化接触是提高太阳能电池效率的重要途径之一,在隧穿氧化钝化接触(Poly Passivated)太阳电池中,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结构钝化接触太阳能电池采用了与 PRRC(钝化发射极背场点接触电池)电池技术兼容的高温工艺,电池效率已达到25.7%,有望实现大批量生产线。

背景介绍

当前,市场上晶体硅太阳电池大多以P型的单、多晶常规铝背表面场电池为主,其制备工艺相对简单、成本低廉。但由于P型硅电池光电转换效率难以达到23.5%以上,并且未能彻底解决以P型硅片为基底的电池所产生的光衰现象,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型硅为基底的电池片转换效率更高,可以相对降低光伏发电的制造成本,这使其成为高效晶体硅太阳电池的必选材料。

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,国际光伏技术路线图)的电池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)电池技术的市场份额在逐年降低,而高效背面钝化技术电池(包括 PERC、PERL 及 PERT)、硅异质结电池(SHJ)、背接触电池(BCC)等技术市场份额在逐年升高,2020 年前后高效电池技术将超过常规电池技术,成为市场主导。这主要归结于高效晶硅电池制造技术的成熟,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太阳能电池(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电池。2013年德国Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在28th EU-PVSEC首次报道了Poly Passivated电池概念,该电池的结构如下:

电池基板以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电池的背面,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。

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,解决方案: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)。在电池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,提升了电池的开路电压和短路电流。

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电池背表面的钝化效果,有较低的缺陷态密度,提高了其开路电压。

Poly Passivated电池优势:

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)是光伏应用的首选半导体材料,占光伏市场的93%,其中3/4属于多晶硅(Bridgman工艺),1/4 是单晶硅(Czochralski工艺)[6]。太阳电池的高效结构设计是提升电池性能的关键因素,目前已成为光伏太阳电池产业化的重要研究方向。作为高效电池的一个典型代表——钝化发射极及背表面电池 (Passivated emitter and rear cell, PERC),它改善了电池背面的钝化性能,在器件制备工艺中引入了背钝化及开槽接触,电池的转换效率可达25.0%。目前,PERC 太阳电池已经进入产业化,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)太阳电池是目前另一种高效率的太阳电池器件,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,电池的最高转换效率已经达到 25.1%。HIT 结构电池与 IBC 结构电池结合而成的异质结背接触 ( HBC) 电池已经实现26.7%的转换效率。HIT 电池具备比PERC 电池更好的钝化性能,且制备过程中对温度要求更低,但制备工艺比传统晶硅电池复杂,导致HIT太阳电池的制造成本偏高。为了让电池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电池结构,即隧穿氧化物钝化接触(TunnelOxide Passivated Contact solar cell, Poly Passivated)太阳电池,该结构电池由掺杂的多晶硅(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 电池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 电池转换效率已经达到 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 结构结合而成的电池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电池的背面,n-Poly Passivated 结构在电池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。

产业界+一道新能情况

鉴于N型钝化接触电池具有少子寿命高,无光致衰减,弱光效应好,温度系数小等优点,一道新能源科技(衢州)有限公司(以下简称“一道新能”)于2019年8月开始进行N型双面钝化接触电池的研发工作,电池背面采用绒面结构,颜色均匀,并跟电池正面颜色一致,能够实现双面发电,双面率达到87%。不同于PERC电池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,从而实现同时提升电池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电池叠加SE技术电池平均量产效率22~23%,N型PPCell量产效率可以达到23.5~24.5%。与P型PERC电池相比,N型单晶硅片无B-O复合体,光衰低 ,其中,PERC电池首年光衰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电池背面绒面结构,采用银栅线,与P型电池铝背场相比,PPCell电池背面遮光面积更小,光响应效率更高,具备更高的双面率。PPCell电池温度系数低于P型PERC电池,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电池的各项参数对比情况:

从总体来看,PPCell电池与PERC电池相比,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电池更明显的优势,从而使PPCell度电成本明显降低。

2019年末,一道新能N型PPCell电池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型双面钝化接触电池生产线。2020年8月完成背面磷扩工艺优化与量产,N型双面钝化接触电池量产的平均转换效率达到23.5%,到目前为止,该电池研发转换效率已经达到24.0%。以下为一道新能N型PPCell电池的效率分布图与电性能参数:

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。

光伏电池技术路线:

目前晶硅类电池的技术方向包括单晶和多晶。多晶电池逐渐向黑硅方向升级,单晶包括P型和N型,P型电池中PERC技术逐渐成为主流,叠加SE(选择性发射极)技术,电池效率逐渐提升。但P型电池有其转换效率的极限,而N型电池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。

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,成为这两年高效电池主要扩产的技术,叠加SE(选择性发射极)技术,目前依然是光伏电池主流技术。

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,成为阻碍其大规模产业化的重要限制因素。

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电池基于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型电池片的开压和转换效率。高转换效率有望持续降低度电成本,光伏发电最终以实现平价上网为目标,产业降本是必经之路,其中转换效率的提升是电池降本的核心,也是主要竞争力。从技术路线发展来看,由于P型电池片的转换效率提升存在瓶颈,P型电池片向N型电池片转型或势在必行。下表是一道新能PPCELL电池与当前市场上常规电池的成本对比情况:

为了降低光伏度电成本,一道新能通过技术升级,完成了N型PPCell与P型电池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型跨越迎来下一次光伏技术革命。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。

相对于单面电池,双面电池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预测双面电池市场份额发展趋势如图8所示,双面电池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],表明双面电池是未来电池技术发展的趋势。根据国家能源局公布的数据,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%,可以预见双面电池技术是未来领跑基地项目的必然选择。

ITRPV 2019预测不同高效太阳能电池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电池,市场份额的占比会呈现出逐年下降的趋势,N型单晶PERC电池的市场份额在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电池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型电池,将在2029年有望达到20%的市场份额,是P型钝化接触电池的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,双面电池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。

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.钝化接触电池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,能有效提高太阳能电池的转换效率。

2.与P型PERC电池相比,N型单晶钝化接触电池具备更高效率与使用寿命、弱光响应好与无LID等优势,电池工艺可以与常规电池工艺兼容,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,双面电池技术是符合市场发展的趋势,市场份额将逐渐增加;同时,双面电池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电池技术的结合,是未来单晶太阳能电池技术发展的主流趋势。

(责任编辑:汪洪)

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