如果在本征半導體中摻入少量的雜質,半導體的導電性能將會大大的改善。在純凈的半導體硅(Si)中摻入少量的五價磷(P),就構成了電子型半導體(簡稱N型半導體);或三價硼(B)元素,就構成了空穴型半導體(簡稱P型半導體)。
晶硅電池技術是以硅片為襯底,根據硅片的差異區(qū)分為P型電池和N型電池。兩種電池發(fā)電原理無本質差異,都是依據PN結進行光生載流子分離。在P型半導體材料上擴散磷元素,形成n+/p型結構的太陽電池即為P型電池片;在N型半導體材料上注入硼元素,形成p+/n 型結構的太陽電池即為N型電池片。
P型電池制作工藝相對簡單,成本較低,主要是BSF電池和PERC電池。2015年之前,BSF電池占據90%市場;2016年之后,PERC電池接棒起跑,到2020年,PERC電池在全球市場中的占比已經超過85%,且目前以雙面PERC為主。
PERC(Passivated Emitter Rear Cell)——發(fā)射極及背面鈍化電池技術,與常規(guī)電池不同之處在于背面,PERC電池采用了鈍化膜來鈍 化背面,取代了傳統(tǒng)的全鋁背場,增強光線在硅基的內背反射,降低了背面的復合速率,從而使電池的效率提升0.5%-1%。2020年,規(guī);a的單/多晶電池平均轉換效率分別達到22.7%和19.4%。P型單晶電池均已采用PERC技術,平均轉換效率同比提升 0.5個百分點。
由于P型單晶硅PERC電池理論轉換效率極限為24.5%,導致P型PERC單晶電池效率很難再有大幅度的提升;并且未能徹底解決以P型硅 片為基底的電池所產生的光衰現(xiàn)象,這些因素使得P型硅電池很難有進一步的發(fā)展。與傳統(tǒng)的P型單晶電池和P型多晶電池相比, N型電池具有轉換效率高、雙面率高、溫度系數低、無光衰、弱光效應好、載流子壽命更長 等優(yōu)點。
TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact)——氧化層鈍化接觸。正面與常規(guī)N型太陽能電池或N-PERT太陽能電池沒有本質區(qū)別,電池核心技術是背面鈍化接觸。電池背面由一層超薄氧化硅(1~2nm)與一層磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜組成,二者共同形成鈍化接觸結構。鈍化性能通過退火過程進行激活,Si薄膜在該退火過程中結晶性發(fā)生變化,由微晶非晶混合相轉變?yōu)槎嗑АT?50°C的退火溫度下退火,iVoc>
710mV,J0在9-13fA/cm2,顯示了鈍化接觸結構優(yōu)異的鈍化性能。
該結構可以阻擋少子空穴復合,提升電池開路電壓及短路電流。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進入多晶硅層同時阻擋少子空穴復合,超薄氧化硅和重摻雜硅薄膜良好的鈍化效果使得硅片表面能帶產生彎曲,從而形成場鈍化效果,電子隧穿的幾率大幅增加,接觸電阻下降,提升了電池的開路電壓和短路電流,從而提升電池轉化效率。
HJT(Heterojunction with Intrinsic Thin-film)——本征薄膜異質結電池。具備對稱雙面電池結構,中間為N型晶體硅。正面依次沉積本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜,從而形成P-N結。背面則依次沉積本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜,以形成背表面場。
鑒于非晶硅的導電性比較差,因此在電池兩側沉積透明導電薄膜(TCO)進行導電,最后采用絲網印刷技術形成雙面電極。
主要得益于N型硅襯底以及非晶硅對基底表面缺陷的雙重鈍化作用。目前量產效率普遍已在24%以上;25%以上的技術路線已經非常明確,即在前后表面使用摻雜納米晶硅、摻雜微晶硅、摻雜微晶氧化硅、摻雜微晶碳化硅取代現(xiàn)有的摻雜;HJT未來迭加IBC和鈣鈦礦轉換效率或可提升至30%以上。
由于HJT電池襯底通常為N型單晶硅,而N型單晶硅為磷摻雜,不存在P型晶硅中的硼氧復合、硼鐵復合等,所以HJT電池對于LID效應是免疫的。HJT電池的表面沉積有TCO薄膜,無絕緣層,因此無表面層帶電的機會,從結構上避免PID 發(fā)生。HJT電池首年衰減1-2%,此后每年衰減0.25%,遠低于PERC電池摻鎵片的衰減情況(首年衰減2%,此后每年衰減0.45%),也因此HJT電池全生命周期每W發(fā)電量高出雙面PERC電池約1.9%-2.9%。
IBC(Interdigitated Back Contact)——交叉指式背接觸電池技術。將P/N結、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以交指形狀做在電池背面。核心技術:如何在電池背面制備出質量較好、成叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)。通過在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴散掩膜層,掩膜層上的硼經擴散后進入N型襯底形成p+區(qū),而未印刷掩膜層的區(qū)域,經磷擴散后形成n+區(qū)。前表面制備金字塔狀絨面來增強光的吸收, 同時在前表面形成前表面場(FSF)。使用離子注入技術可獲得均勻性好、結深精確可控的p區(qū)和n區(qū),電池正面無柵線遮擋,可消除金屬電極的遮光電流損失,實現(xiàn)入射光子的最大利用化,較常規(guī)太陽電池短路電流可提高7%左右;由于背接觸結構,不必考慮柵線遮擋問題,可適當加寬柵線比例,從而降低串聯(lián)電阻且有高的填充因子;可對表面鈍化及表面陷光結構進行最優(yōu)化的設計,可得到較低的前表面復合速率和表面反射,從而提高Voc和Jsc;外形美觀,尤其適用于光伏建筑一體化;但IBC電池成本較高尚未產業(yè)化,IBC電池制程工藝復雜,多次使用掩膜、光刻等半導體技術,成本幾乎為常規(guī)電池的兩倍。
P-IBC技術,是在隆基出來后大家才開始比較關注,隆基的P-IBC技術為HPBC,以P型硅片為基底。其實早在16-17年TNO宣傳P型IBC結構。P-IBC加了個LPCVD其他的與PERC兼容,激光有點差別,90%兼容。P-IBC背結結構,效率有優(yōu)勢,目前還是偏向于單面,雙面率不到50%,定位成分布式產品。P-IBC有機會成本與PERC接近,效率做上去就是24.5%-25%,實現(xiàn)1-3分人民幣/W成本差距。
江蘇日托于2021年3月申請的專利《一種P型IBC電池的制備方法》,采用P 型硅片作為襯底,正背面均無需硼摻雜,且不需要掩膜和光刻,工藝步驟簡單,將傳統(tǒng) IBC復雜的過程(18步)簡化為12步,生產成本明顯降低。
S01:對P型單晶硅基底進行化學清洗和堿拋光,去除硅基底表面的機械損傷層和污 染物,且使硅基底正背表面形貌較為平坦。
S03背面P擴散、退火:對背面非晶硅層進行磷摻雜處理,后高溫退火處理,非晶硅 轉化為多晶硅。
S05去除正側面PSG:在S02和S03過程中,同時會在基底正面以及側面形成磷硅玻璃層,即PSG,采用HF酸去除;
S08背面沉積減反射膜層:以PECVD的方式在基底背面沉積氮化硅、氮氧化硅中的一 種或多種迭層膜。
S09正面沉積減反射膜層:以PECVD的方式在基底正面沉積氮化硅、氮氧化硅中的一 種或多種迭層膜。
這種方法的變化在于(1)利用P型單晶硅襯底作為P區(qū),正背面均無需硼摻雜,且無需掩膜和光刻,工藝步驟簡單;(2)P區(qū)正電極采用Al漿,Ag漿使用量降低50%,且采用P型單晶硅作為基底,明顯降低了生產成本。激光設備在此方法下得到比較好的應用。設備環(huán)節(jié)省去了比較昂貴離子注入和光刻掩膜設備,金屬化環(huán)節(jié)采用高溫銀漿與鋁 漿,金屬化成本同步降低,增加設備僅為激光設備與部分清洗設備,初步估計改良后P 型IBC設備與PERC/TOPcon設備成本較為接近,龍頭企業(yè)規(guī);少,降低投資成本,預計單GW投資額約在1.9-2.1億元。