N型高效太陽能電池技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢探討

孟慶平 楊愛靜

摘 要：本文圍繞N型電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了發(fā)射極鈍化-背部局域擴(kuò)散電池結(jié)構(gòu)（PERL）、叉指背接觸結(jié)構(gòu)（IBC）、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（HIT）和異質(zhì)結(jié)背接觸結(jié)構(gòu)（HBC）太陽能電池基本情況，深入分析了N型高效電池技術(shù)優(yōu)勢，并結(jié)合我國硅基光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了發(fā)展趨勢預(yù)測和技術(shù)需求分析。

關(guān)鍵詞：N型電池；技術(shù)；發(fā)展優(yōu)勢

引言：隨著光伏“領(lǐng)跑者”計(jì)劃的逐步推廣，高效率電池組件已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的方向和共識。為適應(yīng)市場對高效電池和組件產(chǎn)品的需求，發(fā)展N型高效電池技術(shù)，才能在光伏行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

1.N型電池技術(shù)基本情況

根據(jù)晶體硅材料的摻雜特性，晶體硅電池可分為P型晶體硅電池和N型晶體硅電池。N型晶體硅電池采用硅中摻磷作基體材料，是電子導(dǎo)電型太陽能電池。采用N型晶體硅電池由于對金屬雜質(zhì)敏感性低，更易在生產(chǎn)中獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，是產(chǎn)業(yè)化高效電池的主要研發(fā)方向。世界領(lǐng)先的N型電池技術(shù)有SUNPOWER的IBC電池（背接觸技術(shù)）、松下等廠家的HIT電池（異質(zhì)結(jié)技術(shù)）。

2.國內(nèi)外N型電池技術(shù)發(fā)展情況

2.1 N型PERL電池（如圖1）：澳大利亞的新南威爾士大學(xué)研制了PERL 結(jié)構(gòu)的硅太陽能電池，1999 年在4 cm2 的P 型FZ 硅實(shí)現(xiàn)了25%的轉(zhuǎn)換效率（1999 年是24.7%，2009 年太陽能光譜參照修正之后達(dá)到25%的效率）。PERL 電池的特點(diǎn)是極好的單晶質(zhì)量，在晶體硅正反雙面均長了SiO2層，良好的鈍化特性使得電池界面復(fù)合損失很低。PERL電池一直是高效硅基太陽能電池的代表，但其復(fù)雜的光刻工藝以及對襯底晶格質(zhì)量的高要求使得實(shí)現(xiàn)成本較高，因而一直沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 N型IBC電池（如圖2）：以美國SUNPOWER公司為代表IBC電池，實(shí)驗(yàn)室效率為24.2%，量產(chǎn)效率為23%。IBC電池由于電極都在背面，正面百分之百受光，同時正面輕擴(kuò)鈍化成黑硅，提高光線的吸收率，由于采用高少子壽命N型襯底，因此電池具有較高的開路電壓和填充系數(shù)，同時功率溫度系數(shù)較P型電池大幅度降低，無初始光衰減（LID）和高電位誘發(fā)衰減（PID）。

2.3 N型HIT電池（如圖3）：以日本松下公司（三洋已被松下收購）為代表為HIT電池，實(shí)驗(yàn)室效率為24.7%，量產(chǎn)效率為22.5%，HIT電池結(jié)合了薄膜太陽能電池低溫制造的優(yōu)點(diǎn)，從而避免采用傳統(tǒng)的高溫?cái)U(kuò)散工藝來獲得p-n結(jié)，同時完成了單晶硅的表面鈍化，大大降低了表面、界面漏電流，提高了電池效率。溫度穩(wěn)定性好，使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。

2.4 N型HBC電池（如圖4、5）：N型電池最終發(fā)展方向是結(jié)合異質(zhì)結(jié)電池高電壓和背接觸電池高電流的優(yōu)勢，形成HBC（Heterojunction back contact）電池結(jié)構(gòu)。有兩種途徑可實(shí)現(xiàn)HBC電池。

一種方法是人們通常所說的將非晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)和背接觸結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成HBC電池。HBC結(jié)構(gòu)由日本的夏普公司提出，是背接觸IBC電池與硅基異質(zhì)結(jié)HIT電池的良好結(jié)合。由于沒有正面柵線遮光，電池有高的短路電流；由于有高質(zhì)量的氫化非晶硅鈍化，電池有高的開路電壓。HBC 結(jié)構(gòu)結(jié)合兩種電池的優(yōu)點(diǎn)，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率為25.1%的太陽能電池。為了獲得高的開路電壓，需要盡可能的減少異質(zhì)結(jié)面載流子的復(fù)合。為了獲得高的短路電流，電極采用了全背面結(jié)構(gòu)的制作。

另一種是在IBC電池工藝中增加多晶硅薄膜鈍化層，即在硅片兩面先生長一層很薄的SiO2氧化層，再沉積一層摻雜的非晶硅薄膜，然后退火形成隧道氧化鈍化接觸（TOPCon）結(jié)構(gòu)，SiO2隧穿氧化層和摻雜的多晶硅層具有很好的選擇性，允許一種載流子（如電子）穿越同時阻擋另一種載流子（如空穴）的復(fù)合，且摻雜多晶硅薄膜層具有良好的鈍化特性，這種引入多晶硅薄膜鈍化的背接觸電池也即廣義HBC電池結(jié)構(gòu)，此技術(shù)在韓國LG公司已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

3.N型高效電池發(fā)展優(yōu)勢探討

對于太陽能市場的未來，具有高轉(zhuǎn)換率、低衰減率的N型晶體硅產(chǎn)品和技術(shù)將扮演重要角色。N型電池及組件技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

3.1國內(nèi)外領(lǐng)先的高效電池技術(shù)。SUNPOWER公司N型IBC電池、夏普公司的BSS電池、松下公司HIT電池均是基于N型電池的技術(shù)。

3.2光電轉(zhuǎn)換效率更高。同等面積的N型組件，功率更高，P型單晶電池和組件，轉(zhuǎn)換效率分別為21.5%和18.3%，而N型電池和組件目前可提升到23%和20.5%。

3.3抗衰減優(yōu)勢明顯。N型組件可將25年內(nèi)的總衰減從目前的20%減少到10%，由此帶來發(fā)電量的重要提升。

3.4具有更低的溫度系數(shù)。光伏組件在工作時，除少部分光能轉(zhuǎn)換為電能之外，其余電能將轉(zhuǎn)換為熱能，從而提升組件的溫度。組件溫度升高后，將會影響電池和組件的開路電壓和短路電流，從而最終導(dǎo)致組件的功率降低。

3.5弱光效應(yīng)更好。由于采用了非晶硅作為電池的P型部分，電池和組件的弱光效應(yīng)更好。以國內(nèi)某地為例，對于P型電池有效日照為1745MWH/年，而對于N型電池有效日照為1771MWH/年。

3.6發(fā)電量更多。行業(yè)多家研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測試表明，N型電池組件由于其溫度系數(shù)及低衰減優(yōu)勢，在相同裝機(jī)容量下25年使用周期內(nèi)發(fā)電量將比P型電池組件多約10%。

3.7可支撐更高的價(jià)格。根據(jù)行業(yè)共識的數(shù)據(jù)，維持同樣的投入產(chǎn)出比，相同裝機(jī)容量下在25年使用周期內(nèi)發(fā)電量將比P型電池組件多10%；支架、土地等系統(tǒng)成本低0.15元/W，可支撐溢價(jià)為2.2元/W×110% +0.15元/W =2.57元/W。

4.展望

提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素，根據(jù)國際最具權(quán)威的半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）發(fā)布的國際光伏技術(shù)路線圖，到2027年單晶N型電池的市場份額就會占到整個光伏市場的27%，隨著國家政策的引導(dǎo)，高效率低成本的光伏組件將會成為市場主流產(chǎn)品。屆時P型PERC技術(shù)將無法滿足基礎(chǔ)要求，因此，發(fā)展N型單晶硅太陽能電池是提升光伏企業(yè)競爭能力的最佳選擇。

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