經(jīng)過近20年的發(fā)展，常規(guī)硅材料太陽能電池在硅材料質(zhì)量、輔材以及工藝方面都獲得了持續(xù)的提升，目前業(yè)內(nèi)主流光電轉(zhuǎn)換效率平均水平，普通單晶約20.1%，普通多晶18.7%-19.1%。單晶PERC電池21.3-21.8%。

不過，這還與世界最高紀(jì)錄相差很大——2017年日本KANEKA公司的Yoshikawa等人以一種基于叉指背接觸(IBC)技術(shù)和異質(zhì)結(jié)鈍化技術(shù)(HIT)的新型叉指背接觸異質(zhì)晶硅太陽能單晶電池(HBC)實(shí)現(xiàn)了26.6%的光轉(zhuǎn)化效率；弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（ISE）使用等離子表面制絨技術(shù)以及隧道氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多晶轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.3%。

上述世界效率紀(jì)錄的實(shí)現(xiàn)，都使用區(qū)別于常規(guī)晶體硅電池制造技術(shù)的技術(shù)，總結(jié)下來，提高晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率主要有以下三個(gè)方向：

（1）提高光學(xué)利用率
優(yōu)化電池片表面陷光結(jié)構(gòu)以及減反射膜，減少正面金屬遮擋，甚至轉(zhuǎn)移至背面形成IBC結(jié)構(gòu)來減少入射光的損失；背面進(jìn)行平整化處理，增加背反射層將透射光重新反射入硅片表面形成二次反射從而增加光學(xué)吸收；設(shè)計(jì)雙面電池結(jié)構(gòu)，增加背面入射光，實(shí)現(xiàn)更大的光學(xué)吸收利用；
（2）減少內(nèi)部損失
內(nèi)部損失包括光生載流子的復(fù)合損失以及二極管結(jié)構(gòu)的串并聯(lián)損失。可以通過使用高質(zhì)量的硅材料（低缺陷，高少子壽命）來減少體內(nèi)的復(fù)合，同時(shí)采用高質(zhì)量的表面鈍化技術(shù)（鈍化技術(shù)包括飽和懸掛鍵和缺陷的化學(xué)鈍化以及聚集正/負(fù)電荷形成的場(chǎng)效應(yīng)鈍化，見圖1）來減少電池體內(nèi)以及表面的復(fù)合。配合優(yōu)化的擴(kuò)散工藝，結(jié)合先進(jìn)的SE工藝以及金屬化工藝來降低接觸電阻和柵線電阻，增大并聯(lián)電阻，減少電流的損耗；

圖1. 晶體硅太陽電池的鈍化技術(shù)（圖片來源Taiyang News 2017）

（3）提高內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度
通過匹配不同禁帶寬度的材料，制造異質(zhì)結(jié)電池，提高內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度，提升開路電壓、拓展光譜響應(yīng)范圍，實(shí)現(xiàn)晶體硅太陽電池的效率提升。

圖2. 針對(duì)性的高效路線（照片來源網(wǎng)絡(luò)）

對(duì)應(yīng)地，現(xiàn)階段電池的提高電池轉(zhuǎn)換效率也有三條主線組成，如圖2：
（1）金屬電極優(yōu)化，提高入射光的利用率，可制備IBC、MWT等電池；
（2）高質(zhì)量的硅材料，結(jié)合背面鈍化來降低背面復(fù)合速率，以及雙面技術(shù)的引入，可制備PERC、PERT、PERL電池；
（3）通過異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)建電場(chǎng)，如HIT、HJT以及HBC電池等。同時(shí)，還可搭配雙面技術(shù)及高質(zhì)量N型硅片，進(jìn)一步提升電池效率。

PERC（Passivated Emitter Rear Cell）電池是目前技術(shù)最成熟、升級(jí)最簡(jiǎn)單、成本最低的技術(shù)升級(jí)方案，得到了國(guó)內(nèi)外各大電池廠家的青睞。

PERC電池結(jié)構(gòu)和常規(guī)電池結(jié)構(gòu)的差異如圖3所示。

圖3. 常規(guī)電池和PERC電池的對(duì)比 （照片來源Taiyang News 2017）

從結(jié)構(gòu)圖中可以看到，PERC電池只是在常規(guī)電池的基礎(chǔ)上對(duì)背面進(jìn)行鈍化并形成背面局部接觸，根據(jù)電池工藝流程，只需在原有常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上增加背面鈍化工藝以及背面開窗工藝即可，如圖4所示。

圖4. PERC電池生產(chǎn)工藝流程（圖片來源Taiyang News 2017）

對(duì)于PERC電池背面鈍化膜的選擇，主要有氧化硅（SiOx）——1999年趙建華博士、王艾華博士通過背面采用氧化硅鈍化實(shí)現(xiàn)了25.0%的效率；氮氧化硅（SiONx）——早期Solar Word以及現(xiàn)在的愛旭、潤(rùn)陽等；氧化鋁（AlOx）——現(xiàn)在主流廠家都采用氧化鋁和氮化硅疊層膜的背鈍化膜結(jié)構(gòu)。

氧化鋁和氮化硅疊層膜疊層結(jié)構(gòu)作為P型PERC背面鈍化膜的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

氧化鋁具有較高的固定負(fù)電荷密度Q>10E13/cm3，可以得到優(yōu)異的場(chǎng)鈍化效果；氮化硅膜富含氫原子，可以在熱處理過程中對(duì)表面和體內(nèi)的缺陷進(jìn)行化學(xué)鈍化；氧化鋁薄膜帶隙6.4eV，折射率1.65左右，可以提供較好的背面光學(xué)反射功能。

氧化鋁的厚度根據(jù)沉積方式的不同，厚度也不一樣，一般分為PECVD模式（主要廠家是Meyer Burger，Centrotherm和國(guó)內(nèi)某司）控制在20-25nm，ALD模式（主要廠家有Solay Tec、Levitech、NCD、Ideal Energy、Lead Micro等）控制在3-9nm。厚度的不同導(dǎo)致使用關(guān)鍵化學(xué)品TMA耗量的不同，如圖5所示。

同時(shí)為了避免后續(xù)金屬化燒結(jié)過程鋁漿對(duì)鈍化膜的破壞，再要額外沉積一層100-150nm厚度的氮化硅，一方面可以保護(hù)氧化鋁鈍化膜，另外還可以提升背面減反效果。

圖5. PECVD和ALD不同模式TMA的耗量（數(shù)據(jù)來源Taiyang News 2017）

PERC電池制作另一關(guān)鍵工序是激光開窗，通過激光熱熔方法把背面需要形成鋁硅合金接觸的區(qū)域上面的氧化鋁和氮化硅疊層膜熱熔掉，然后在金屬化燒結(jié)過程中讓鋁漿和此區(qū)域的硅形成鋁硅合金的接觸。

根據(jù)激光種類的劃分，分為納米激光和皮秒激光兩種，供應(yīng)商主要有Innolas、Rofin、3D-Micromac、臺(tái)灣友晁、武漢帝爾等。

PERC電池的光衰，之前一直是困擾電池生產(chǎn)廠家和客戶的問題，但通過業(yè)內(nèi)的不斷研究和突破，目前找到了兩種方式來控制光衰達(dá)到了可接受范圍。

其一是降低或避免B-O對(duì)的出現(xiàn)，如使用摻鎵硅片、控制硅片內(nèi)的氧含量；其二是對(duì)電池片通過在一定溫度下進(jìn)行光、電注入，使B-O對(duì)中性化不會(huì)吸附產(chǎn)生的少數(shù)載流子，從而減少光衰，設(shè)備廠家有Centrotherm、科隆威、Schmid、時(shí)創(chuàng)等。

隨著市場(chǎng)端對(duì)高功率的需要不斷擴(kuò)大，PERC電池各工序配套設(shè)備、輔料供應(yīng)商和硅片質(zhì)量的不斷提升，以及電池和組件工藝的不斷進(jìn)步，PERC電池成為各大電池廠家產(chǎn)線升級(jí)和擴(kuò)產(chǎn)新線的首選，實(shí)驗(yàn)室最高效率不斷創(chuàng)出新高。

2018年5月，晶科能源高效p型單晶電池經(jīng)過中科院太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測(cè)中心的測(cè)試認(rèn)證，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.95%，主要應(yīng)用技術(shù)是低電阻率高少子壽命的單晶硅片，正面RIE以及多層減反工藝、SE工藝、氧化技術(shù)以及背面鈍化工藝。

2017年10月，晶科能源高效P型多晶電池經(jīng)過德國(guó)弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所下屬的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.04%，主要應(yīng)用技術(shù)是高質(zhì)量工業(yè)級(jí)硼摻雜多晶硅片，使用高質(zhì)量的陷光、鈍化技術(shù)及抗光衰等先進(jìn)技術(shù)。

最高效率記錄得到不斷刷新代表了中國(guó)光伏制造企業(yè)的產(chǎn)品工業(yè)化不斷實(shí)現(xiàn)突破，越來越接近國(guó)際實(shí)驗(yàn)室效率，目前PERC電池行業(yè)內(nèi)的平均效率在21.3%-21.8%左右，蘇州騰暉光伏技術(shù)有限公司作為“全球光伏企業(yè)20強(qiáng)”“中國(guó)光伏企業(yè)20強(qiáng)”的企業(yè)，PERC電池現(xiàn)近有400MW的產(chǎn)能，產(chǎn)品經(jīng)過不斷的研發(fā)和升級(jí)，現(xiàn)在大批量出貨的單晶PERC電池平均效率達(dá)到21.65%左右，處于行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。量產(chǎn)化的單晶PERC電池經(jīng)過第三方認(rèn)證效率達(dá)到22.31%，組件效率達(dá)到18.9%；而多晶PERC電池經(jīng)過第三方認(rèn)證效率達(dá)到21.01%，組件效率同樣達(dá)到18.9%。

圖6. PERC電池市場(chǎng)份額和效率的預(yù)測(cè)

2018 ITRPV的報(bào)告（見圖6）預(yù)測(cè)，PERC電池市場(chǎng)份額在2020年以后將超過50%（實(shí)際上估計(jì)占比到85%以上），占據(jù)主要地位；PERC電池的效率將在2020年后在24%左右（這可能會(huì)與目前央企、很多企業(yè)瘋狂投資的HIT電池項(xiàng)目形成強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)），效率的提升這無疑將進(jìn)一步降低光伏產(chǎn)品應(yīng)用的成本。

隨著PERC電池技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，PERC電池最高效率第三方測(cè)試得到的最高值和理論極限已經(jīng)很接近了，新結(jié)構(gòu)電池量產(chǎn)突破需要的成本投入將是指數(shù)式提升；另外，PERC電池的衰減問題隨著效率的提升也更加突出，雖然通過光、電注入可以緩解B-O對(duì)導(dǎo)致的LID情況，但是越來越多的研究表明，單晶PERC同樣存在LeTID的衰減問題，這些在很大程度上影響了PERC電池的性價(jià)比。展望未來，后PERC時(shí)代晶體硅電池的高效之路如何得到進(jìn)一步突破呢？從上文提到的三條路線中就可以看出，從電池制造工藝角度來講改善光學(xué)吸收的IBC電池、改善鈍化效果降低電極復(fù)合的TOPCon電池、提升鈍化效果降低表面復(fù)合的HJT電池,新一代的PREC電池（PERC 2.0）都是未來高效之路上的代表。這些具有里程碑式的以及至今還未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)的高效方案都在新能源光伏的平價(jià)上網(wǎng)道路上起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用。

作者：倪志春

來源：太陽能發(fā)電網(wǎng)