2018年中國光伏技術(shù)發(fā)展報(bào)告(3)

■ 中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會

1.3.4.2 金剛線切割發(fā)展的技術(shù)趨勢

1)大切速。傳統(tǒng)砂漿鋼線切割是通過高速運(yùn)動的鋼線帶動摻在切割液中的碳化硅游離顆粒磨刻硅棒，切割形成硅片，通常切速僅有0.4 mm/min。金剛線切割是在鋼線表面利用電鍍或樹脂層固定金剛石顆粒，切割過程中金剛石運(yùn)動速度與鋼線速度一致，切割能力有大幅提升，因而可采用1.0 mm/min甚至1.2 mm/min以上的大切速，切割效率可大幅提升2～3倍以上。以8英寸硅棒為例，傳統(tǒng)砂漿鋼線切割一刀需要約10 h，而金剛線切割只需3 h，2017年新開發(fā)的國產(chǎn)專用金剛線切割機(jī)(如無錫上機(jī)和大連連城)只需2 h甚至1.5 h即可，使設(shè)備折舊和人工成本大幅下降。

2)低線耗。相對于傳統(tǒng)砂漿鋼線切割技術(shù)，金剛線切割技術(shù)的耗材價格已逼近成本線。當(dāng)前，金剛線耗材成本占切片環(huán)節(jié)的非硅成本超過50%，主要在于金剛線量產(chǎn)初期的價格虛高和技術(shù)應(yīng)用初期的工藝用線量偏多。隨著金剛線制作技術(shù)的普及和行業(yè)競爭，價格預(yù)計(jì)會以每年20%的速度下降。與此同時，由于金剛線切片技術(shù)的發(fā)展，單片硅片耗線量也在成倍下降，由原先的3 m/片已降至現(xiàn)在的1.5 m/片，單晶硅的金剛線切割甚至可達(dá)1 m /片，預(yù)計(jì)未來會下降到0.8 m /片以下。

3)細(xì)線化。在傳統(tǒng)的砂漿鋼線切割過程中，游離態(tài)的碳化硅顆粒在磨刻硅棒的同時也在磨刻鋼線，造成鋼線極大磨損，因而細(xì)線化非常困難。金剛線切割由于金剛石顆粒固結(jié)在鋼線表面，切割過程中金剛石運(yùn)動速度與鋼線一致，金剛石顆粒不會對鋼線造成傷害，其切割能力也相比傳統(tǒng)游離切割有大幅提升，這給細(xì)線化提供了可能。數(shù)據(jù)測算顯示，金剛線徑每下降10 μm，單片硅成本下降約0.15元，產(chǎn)能提升約4%，可見其降本空間巨大。近年來，金剛線基本以每年10～20 μm 的速度在細(xì)線化。2017年，國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)母線70 μm金剛線多晶硅切片量產(chǎn)，單晶硅也已實(shí)現(xiàn)母線65 μm量產(chǎn)，母線60 μm金剛線也在實(shí)驗(yàn)中。目前，國產(chǎn)電鍍金剛石線各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到甚至超過日本同類產(chǎn)品，基本已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

1.4 晶體硅材料研究展望

參考國際光伏技術(shù)路線圖及國內(nèi)外最新技術(shù)進(jìn)展情況[10]，今后光伏用硅材料的發(fā)展趨勢主要有：

1)西門子法仍占據(jù)最大市場份額，但流化床法所占比例將持續(xù)增加。

2)金剛線切割多晶硅片在2018年將占領(lǐng)絕大部分多晶硅切片市場。

3)光伏用硅片厚度將由2017年的平均180 μm逐漸降低，到2026年預(yù)計(jì)為150 μm。

4)n型硅片、鑄造類單晶硅片、摻鎵硅片等新技術(shù)將會實(shí)現(xiàn)一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

目前，硅材料產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)仍然有產(chǎn)能過剩的問題，必須重視科技創(chuàng)新，加大研發(fā)投入，不斷降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以期在國際市場上繼續(xù)保持領(lǐng)先的地位。

2 晶體硅太陽電池研究進(jìn)展

2.1 晶體硅太陽電池研究的國際進(jìn)展

2017年是高效太陽電池效率快速突破的一年。國際上效率超過25%的高效晶體硅太陽電池由4種類型增加為5種類型，效率突破26%的高效晶體硅太陽電池由1種類型增加為2種類型。效率超過25%的高效晶體硅太陽電池分別是：鈍化發(fā)射極和背部局域擴(kuò)散(PERL)太陽電池[11]、交指式背接觸(IBC)[12]太陽電池、異質(zhì)結(jié)(HJT)太陽電池與交指式背接觸(IBC)太陽電池結(jié)合在一起的異質(zhì)結(jié)背接觸(HJBC)太陽電池[13-14]、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池[15]、背結(jié)背接觸-多晶硅氧化鈍化(BJBC-POLO)太陽電池[16]。表5給出了目前國際上高效晶體硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)室效率參數(shù)。日本Kaneka公司刷新了其保持的HJBC太陽電池的效率紀(jì)錄，由26.33%提高到26.7%；德國Fraunhofer研究所將TOPCon太陽電池的效率由25.1%提高到25.7%。

表5 2017年晶體硅太陽電池的國際發(fā)展水平

國際上，德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)和漢諾威萊布尼茨大學(xué)采用BJBC-POLO電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，首次利用p型硅實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室太陽電池轉(zhuǎn)換效率超過26%，達(dá)到了26.1%[17]，成為第2種效率超過26%的太陽電池。該電池采用交指式背接觸結(jié)構(gòu)(IBC)，正負(fù)電極均采用多晶硅氧化層(POLO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈍化接觸。采用IBC電池結(jié)構(gòu)的出發(fā)點(diǎn)是普通雙面電極的太陽電池在使用鈍化接觸(如TOPCon、HIT)時，雖然提高了鈍化效果和電壓，但由于鈍化層對光的吸收，導(dǎo)致電流有所損失，因此，將鈍化接觸用在正面無遮擋的IBC結(jié)構(gòu)中能降低電流損失。日本Kaneka公司正是采用異質(zhì)結(jié)背接觸技術(shù)取得了目前單晶硅太陽電池的世界最高效率26.7%。ISFH采用了FZ法的p型單晶硅片，BJBC-POLO太陽電池的面積為4 cm2，Voc為726.6 mV，Jsc為42.6 mA/cm2，F(xiàn)F為84.3%，效率達(dá)到26.1%，電池制備過程如圖13所示。

BJBC-POLO太陽電池的工藝流程是：

1)首先利用熱生長在硅片兩面生長2.2 nm的氧化層，使用LPCVD沉積本征多晶硅。

圖13 BJBC-POLO 電池制備過程

2)利用硼離子注入將背面的多晶硅摻雜為p型。

3)背面進(jìn)行光刻開孔，保留光刻膠作為阻隔層，兩面離子注入進(jìn)行磷摻雜，背面得到交叉的p和n摻雜區(qū)域。

4)高溫退火，在這一步中正反兩面的鈍化氧化硅薄層厚度減少，局部形成微孔。而這也是POLO技術(shù)的核心，通過微孔和隧穿共同實(shí)現(xiàn)電流的導(dǎo)通，POLO技術(shù)可以看作是納米尺度的背面局部接觸。同時在這一步工藝中，兩面生長氧化層，正面摻雜的多晶硅對硅片起到吸雜的效果。

5)去除正面氧化層，再利用光刻對背面氧化層開孔。

6)利用KOH腐蝕，進(jìn)行正面制絨、背面斷開摻雜區(qū)域的銜接。

7)ALD生長20 nm的AlOx用作鈍化層，正面再用PECVD覆蓋SiNx/SiOx的減反射層，背面只覆蓋SiOx。

8)再次使用光刻對金屬接觸區(qū)域開孔。

9)背面蒸鍍鋁電極，然后濺射氧化硅。

10)利用化學(xué)法除去分隔溝中的金屬，完成背電極的分離，形成完整的BJBC-POLO太陽電池。

目前整套電池制備工藝相對復(fù)雜，并且多次使用了光刻和對準(zhǔn)工藝，ISFH 的技術(shù)人員正在研究如何使用激光技術(shù)代替光刻技術(shù)。

2017年，多晶硅太陽電池的效率也再創(chuàng)新高。德國Fraunhofer研究所采用TOPCon電池結(jié)構(gòu)，在n型硅襯底上打破了其保持的21.9%的多晶硅太陽電池效率紀(jì)錄，將發(fā)電效率從21.9%提升至22.3%[18]，圖14為該電池的結(jié)構(gòu)。

該電池使用了Fraunhofer研究所自己研發(fā)的n型摻磷高性能多晶錠(G2，75 kg)，50 mm×50 mm硅片的少子平均壽命為600 μs，最好的晶粒的少子壽命達(dá)到1.5 ms(圖15a)。

圖14 TOPCon 多晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)

該電池的制造工藝為：首先采用干法在黑硅表面制絨(圖15b)，反射率在波長80～1000 nm 時是2.8%，沉積多層鈍化和減反射膜Al2O3/SiNx后，反射率降至1%；然后采用BBr 硼擴(kuò)散(Rsheet=90 Ω/□)形成發(fā)射級 p+，Al2O3/SiNx沉積形成鈍化和減反射膜，背面生長薄的隧穿氧化層和摻雜多晶硅，800 ℃退火，形成TOPCon 電池結(jié)構(gòu)；最后蒸發(fā)法制備Ti/Pd/Ag，形成電極。

最好的n型TOPCon多晶硅太陽電池的參數(shù)為：Voc=674.2 mV，Jsc=41.1 mA/cm2，F(xiàn)F= 81.6%，效率為22.3%。

圖15 TOPCon 多晶硅太陽電池的少子壽命與黑硅表面形貌

2.2 晶體硅太陽電池研究的國內(nèi)進(jìn)展

2017年我國單晶硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)室研究總體處于從“跟跑”到“并跑”的轉(zhuǎn)變。我國企業(yè)在2017年多次打破不同結(jié)構(gòu)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄。天合光能研發(fā)的大面積IBC太陽電池效率突破了25.04%[19]，是經(jīng)第三方權(quán)威認(rèn)證的中國實(shí)驗(yàn)室效率首次超過25%的單結(jié)晶體硅太陽電池；也是目前世界上大面積6英寸晶體硅襯底上制備的晶體硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率，其使中國本土實(shí)驗(yàn)室首次加入了25%效率俱樂部。隆基樂葉PERC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的最高水平已達(dá)23.26%[20]，創(chuàng)造了PERC單晶硅太陽電池的世界紀(jì)錄。

我國多晶硅太陽電池的實(shí)驗(yàn)室研究處于“領(lǐng)跑”地位。繼2015年天合光能的光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了21.25%[21]的多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄后，晶科能源創(chuàng)造了高效PERC p型多晶硅太陽電池(大面積245.83 cm2)光電轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，達(dá)22.04%[22]。

2.3 晶體硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

我國在低成本高效率晶體硅太陽電池制造方面處于國際先進(jìn)水平。2017年，我國產(chǎn)業(yè)化太陽電池效率得到了大幅提升，PERC、PERT、IBC、HJT、PERL、TOPCon等高效太陽電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)都取得了快速發(fā)展。

2.3.1 PERC太陽電池

2.3.1.1 發(fā)展概況

PERC太陽電池與常規(guī)太陽電池的不同之處在于電池背面。PERC太陽電池采用高質(zhì)量的介質(zhì)膜來鈍化電池背面，取代了傳統(tǒng)的全鋁背場，從而大幅度降低了電池背面的復(fù)合速率，開路電壓提升幅度達(dá)到10～20 mV，長波長光子量子響應(yīng)明顯提高，使156 mm×156 mm電池的短路電流提升 0.2～0.4 A[23-25]。Al2O3、SiO2及 SiNx等介質(zhì)膜都可用作電池背面的鈍化膜，目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較多的是Al2O3/SiNx疊層膜。

自2013年，PERC 太陽電池逐漸進(jìn)入量產(chǎn)和快速發(fā)展階段。國外先進(jìn)電池制造商德國SolarWorld率先進(jìn)行了PERC太陽電池的量產(chǎn)。隨后，德國Q-Cells(已被韓華收購)，中國臺灣電池廠家如SunRise、GinTech，以及國內(nèi)一線電池制造商紛紛跟進(jìn)。國內(nèi)龍頭電池制造商如隆基樂業(yè)、天合、晶澳、英利、協(xié)鑫等，已經(jīng)分別推出其PERC太陽電池及組件產(chǎn)品。據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的預(yù)測，2017年全球PERC太陽電池的產(chǎn)能將達(dá)20 GW ，而實(shí)際產(chǎn)能將可能為14 GW。目前市場上以PERC單晶硅太陽電池為主，平均效率一般為20.8%～21.5%；部分制造商也開始生產(chǎn)PERC多晶硅太陽電池，效率為19.5～20.8%。60片PERC電池的單、多晶硅組件功率分別為295～315 Wp和280～300 Wp，如協(xié)鑫集成量產(chǎn)的PERC多晶黑硅太陽電池的效率達(dá)到20.8%，60片組件功率超過300 Wp。

實(shí)現(xiàn)PERC太陽電池的量產(chǎn)，Al2O3沉積設(shè)備是其中的關(guān)鍵設(shè)備，PECVD和ALD沉積技術(shù)是2種主要的工藝。從目前產(chǎn)業(yè)化的情況來看，PECVD沉積技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，在產(chǎn)業(yè)化方面占主導(dǎo)地位，而ALD沉積Al2O3鈍化膜設(shè)備的市場占有率正在逐步增加。同時，也出現(xiàn)了采用氧化鋁漿料形成AlOx膜鈍化PERC太陽電池的方法，該方法通過絲網(wǎng)印刷制備涂覆氧化鋁漿料，省去了PECVD和ALD設(shè)備。

各大電池制造商持續(xù)投入科研力量進(jìn)行電池效率的提升和產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)，將陷光、鈍化技術(shù)及抗光衰等先進(jìn)技術(shù)統(tǒng)一集成在PERC技術(shù)框架下。比如，晶科能源2017年研發(fā)的大面積(245.83 cm2)p型PERC多晶硅太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)22.04%，創(chuàng)造了PERC多晶硅太陽電池的世界紀(jì)錄，并被收錄到馬丁·格林教授主編的《太陽電池效率表》中；隆基樂葉PERC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的最高水平已達(dá)到23.26%，創(chuàng)造了PERC單晶硅太陽電池的世界紀(jì)錄。 (待續(xù))