2020年中国光伏技术发展报告——晶体硅太阳电池研究进展（1）

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

0 引言

由于2018年“531新政”的延后效应，导致中国国内光伏市场发生较大幅度的萎缩。据中国光伏行业协会统计，2019年1～10月，国内光伏装机量仅有17.5 GW，较难续写2018年国内全年装机量44 GW的辉煌。

但是2019年国内光伏制造业却依然火热，这主要得益于各个厂家对海外市场的努力开拓。根据中国光伏行业协会的统计，2019年前3季度，中国的太阳电池出货量达到82.82 GW，较上一年同比增长48.6%，光伏组件出货量达75 GW，较上一年同比增长32%；2019年前3季度光伏产品出口额达到162.2亿美元，较上一年同比增长32.8%，超过2018年全年出口总额。这表明中国光伏制造企业在面对国内市场收缩的压力下，通过积极拓展海外市场，形成了新的增长动力。

值得注意的是，单晶硅片的出口量占比达到70%，而在2018年同期，这一数字为38%。从国内各个产线的数据来看，PERC单晶硅太阳电池的产量也约为70%，而BSF多晶硅太阳电池的产量却已大幅减少。这种技术快速迭代的现象令此前许多分析机构的预测人员倍感意外。

此外，越来越多的企业开始涉足新的n型太阳电池技术，目前主要包括HJT和Topcon太阳电池；对于超高效的IBC太阳电池，黄河上游水电开发有限责任公司也已开始建设生产线。

本章节将不再论述BSF多晶硅太阳电池技术的发展情况，而是主要论述HJT和Topcon太阳电池技术的发展状况。

此外，组件技术和封装材料技术的进展也较大，本章节也将进行一定的论述。

1 PERC太阳电池的技术进展

1.1 发展概况

2019年，中国PERC太阳电池的产量在整个晶体硅太阳电池产量的占比已达到70%，在2019年年底时，一线企业的PERC太阳电池的产线平均效率已达到22.5%，而一般企业的产线平均效率也已达到了22%左右。特别是在2019年下半年，出现了PERC太阳电池的大规模降价，使常规BSF多晶硅太阳电池也随之降价，但是由于常规多晶硅太阳电池的效率无法再提高，成本下降空间非常有限，因此多晶硅太阳电池的利润被严重压缩，开始渐渐退出终端市场。

由图1可知，PV InforLink预测，2019年全球单晶硅片产能会突破110 GW，而PERC单晶硅太阳电池的产能扩充更快，导致单晶硅片供应紧缺，价格坚挺。

表1列出了截至2019年国内各个厂家PERC太阳电池的扩产计划。从表中可以看出，将会有一批企业使其PERC太阳电池的产能扩展到5 GW以上。预计到2019年底，PERC太阳电池的总产能将会达到135.35 GW。不仅如此，最近还有多家企业宣布了其在2020年更加激进的PERC太阳电池扩产计划。比如隆基计划在2020年将PERC太阳电池的产能提升到20 GW。

1.2 PERC太阳电池的效率

PERC太阳电池效率的世界纪录屡被中国公司所打破，这表明国内光伏企业对这种新型太阳电池的产业化技术拥有非常深刻的理解。图2为笔者对近年来国内各个企业提供的PERC太阳电池最高效率的统计结果。2019年1月16日，隆基报道其p型PERC单晶硅太阳电池的世界纪录达到了24.03%，但隆基并未过多透露其取得该效率所采用技术的细节。表2对隆基与晶科的PERC太阳电池的最高纪录情况进行了比较。

表2 最高效率的PERC太阳电池的参数Table 2 Parameters of the highest efficiency PERC solar cell

从表2中可以看出，两者的参数相差无几。但自从隆基获得24.03%的PERC太阳电池效率之后，就再无中国公司报道过更高的p型PERC单晶硅太阳电池新的效率纪录。从其具体参数来看，短路电流密度和填充因子都已经非常接近目前其他高效电池的最好结果，只是开路电压仍较低，但是若不进一步钝化金属电极接触或采用异质结技术，很难进一步提高开路电压。这从另一方面给行业一种暗示，PERC太阳电池的效率瓶颈或许就是24%左右。

PERC多晶硅太阳电池的效率由阿特斯创造。2019年4月，阿特斯报道了其157 mm×157 mm标准尺寸的PERC多晶硅太阳电池的效率达到了22.28%，而在2019年9月，该公司又报道这一电池效率达到了22.80%，前者为德国Fraunhofer研究所的测试结果，后者为德国ISFH的测试结果，该纪录已于2019年11月4被收入美国NERL发表的年度最佳太阳电池曲线表中。

阿特斯对于其最高效率的PERC多晶硅太阳电池的技术给予了解释，包括：1)采用了超低缺陷硅片(实际上为铸锭单晶)；2)采用了选择性发射区技术；3)采用了MCCE湿法黑硅处理技术；4)采用了氧化硅钝化叠层减反射膜结合背表面Al2O3钝化膜。

由于铸锭单晶硅片在整片区域为同一晶粒，因此其晶界缺陷消失了，比高效多晶硅片缺陷要好的多，因此使用这种硅片制备成PERC太阳电池在效率上可接近PERC单晶硅太阳电池。但是铸锭单晶硅片上1个晶粒内部还是存在许多位错缺陷，并且由于铸锭技术不能很好地控制晶粒的生长，因此在硅片的边缘部分仍旧存在一些小的晶粒，导致电池效率下降。该PERC多晶硅太阳电池的总体表现为：产线效率分布较为分散，最好的效率分布区域比PERC单晶硅太阳电池约低0.2%～0.3%，但是由于较大的低效率拖尾，影响了此类太阳电池的成品率。

由此可以看出，PERC多晶硅太阳电池已经基本上转向了PERC铸锭单晶硅太阳电池，虽然其效率和集中度要逊于PERC铸锭单晶硅太阳电池，但其若能在硅片成本上比直拉单晶硅低很多，则还是存在一定竞争性。目前这方面的企业主要包括保利协鑫、协鑫集成、阿特斯、荣德，以及晶科等。

1.3 PERC太阳电池的技术进步

PERC太阳电池无论是采用单晶硅还是多晶硅，单面还是双面，其工艺流程基本相似，主要是在传统BSF太阳电池的产线上增加3道工序：背钝化膜的制备、背表面激光开孔和前表面激光掺杂，具体如图5所示。

但是为了进一步提高电池效率，一些企业在传统的PERC太阳电池工艺基础上增加了新的工艺， 目前进入规模化量产的工艺主要包括7项：

1) 选择性发射区技术(SE)的进一步优化；

2) 多主栅电极(MBB)取代5主栅(5BB)电极；

3) 发射区方块电阻的提升；

4) 氧化层增强钝化特性；

5) 背表面碱性溶液抛光技术；

6) 硅片质量的提升(少子寿命的提升)；

7) 光注入或电注入再生。

图6给出了截至2019年PERC太阳电池新增加的工艺流程。

图6中，最简化的PERC太阳电池工艺如最右侧的工艺，其不包含SE技术，采用这种工艺制备的PERC单晶硅太阳电池的效率约为22%。

在上述工艺基础上增加双面氧化和激光掺杂制备SE技术，可以将电池效率提升至22.2%左右。很多企业为了降低PERC太阳电池的LeTID现象，增加了载流子注入( 电注入或光注入)工艺，但是之后发现这种载流子注入再生不仅能大幅减缓PERC太阳电池的衰减，还能使电池效率提高0.1%左右，因此采用SE技术的PERC太阳电池的效率可以达到22.3%左右。

为了进一步提升电池效率，目前又开发了背抛光工艺，这有利于将从前表面入射到背表面的光反射回硅片内部，从而增加吸收光子，使之转变成载流子。研究发现，背表面使用碱溶液抛光更为有效，但是若采用碱抛光无法进行类似“水上漂”的那种单面抛光工艺，只能采取浸没式的抛光工艺，因此必须在抛光之前对前表面已经激光掺杂的电极再进一步氧化。这种经过抛光处理的PERC太阳电池的效率有可能达到22.4% 左右。后文会对这些步骤进行详细论述。

1.3.1 选择性发射极及栅线技术的改进

前文所列出的3项技术改进其实是关联的，是针对前表面掺杂、金属-半导体接触、激光掺杂区域进行的协同改进，以期达到尽可能减小前表面复合的作用，从而提高电池效率。

目前的选择性发射极重掺区宽度为120 μm，而细栅线宽度普遍在35～45 μm之间，这是为了保证金属栅线与重掺区域的对准。重掺区域的掺杂浓度越高，少子复合速率越高，降低重掺区域的面积可以有效提高短波光的量子效率，因此，未来改进丝网印刷的精度及其与激光掺杂区域的对准度，将可以进一步提高电池效率。

中利腾辉发表了其在PERC太阳电池各个区域的复合损失的结果，如表3所示[2]。从表中可以看出，在金属区域和非金属区域表面复合导致饱和电流密度(J0)的差别非常大，因此若要提高带金属栅线的表面复合损失，就需要减小金属栅线的面积。而降低具有金属电极的表面饱和电流密度是提升电池效率的有效手段，图7给出了不同表面饱和电流密度与开路电压的关系[3]。

除了在金属栅线区域的复合损失较为严重外，在选择性重掺杂(SE)区域，由于掺杂浓度过高，其复合也较为严重。图8给出了不同区域的杂质掺杂浓度的分布状态。

表3 不同掺杂区域的硅片表面的复合速率的参数[2]Table 3 Parameters of recombination rate of silicon wafer surface in different doped regions [2]

从图8可以看出，SE区域的掺杂浓度是一样的，但是非SE区域的掺杂浓度明显较低，一般方阻可以达到120 Ω·cm，而对于效率达到23.1%的PERC太阳电池，其方阻甚至可以达到150 Ω·cm。因此，降低前表面复合速率的措施可以归纳为降低细栅线面积、降低甚至取消主栅面积，以及降低SE区域面积。

从表4的测算可以看出，如果降低SE区域的宽度就可以降低重掺杂区域的面积占比，因此可以降低前表面复合速率，从而提高电池效率；若将SE区域的宽度从120 μm降至80 μm，SE区域的占比将从8.08%降至5.39%，这样可以使Joe降低10 fA/cm2。若将细栅线宽度从45 μm降至35 μm，可以将前表面细栅面积从3.03%降至2.36%，从而将电池效率提升0.3%左右。当然，若降低SE区域的宽度则会增加细栅线印刷到SE区域外部的几率，增加短路的风险。这就需要对丝网印刷技术进行不断改进，其要点是提高丝网印刷与激光掺杂之间的对准精度，即激光位置重复精度优于±15 μm；校准点对位精度优于±5 μm；网板印刷张力优于±15 μm；印刷台机械误差优于 ±15 μm。

表4 金属栅线和重掺杂SE区域的面积及其占比[2]Table 4 Areas and proportions of metal gate lines and heavily doped SE regions[2]

对于主栅线的改进有2种方案：采用悬浮主栅的技术方案和采用多主栅方案(MBB)。

1)采用悬浮主栅技术方案。图9显示了旨在为降低栅线对载流子的表面复合的新栅线设计方案。一种方案是使用更细的栅线，但是为了确保较低的栅线电阻，可以使用二次印刷来增高栅线的高度，尤其是可以在铝的细栅线上印刷一层银，以提高其导电性；另一种设计是使主栅不致烧透钝化膜，这样就减小了金属与半导体接触的面积，从而减小了复合。前后电极的主栅面积与细栅面积基本相当，因此将主栅与硅衬底隔离就可降低表面复合率。

2)采用多主栅(MBB)技术方案来代替目前的5主栅(5BB)技术。图10显示了目前不同规格硅片上的5BB和9主栅(9BB)的设计图形。虽然2019年市场上仍以5BB为主，但目前产业界已经针对9BB开发了整套的适应性技术，包括丝网印刷设备的改进、测试压针系统、串焊机等，一些先进的电池生产企业已经在产线上导入了9BB生产工艺。

使用多主栅电极会带来如下优点：①细栅线上的电流输运距离缩短，因此串联电阻损耗降低30%以上，电池效率提升0.3%；②圆形焊带降低焊带面积大于28.9%(如图11所示)；③相比于5BB的同型号组件，功率可提升2%以上，同时电池银浆耗量降低17%以上。

综上所述可知，使用MBB的电极设计是目前为止提升电池效率的同时降低组件成本的有力手段。

1.3.2 使用薄氧化膜加强钝化效果

虽然在实验室和理论上的研究表明，前表面采用SiNx钝化、背表面采用Al2O3/SiNx复合膜钝化可以达到最好的钝化效果，但是在生产中发现，在制备Al2O3/SiNx之前制备一层非常薄的氧化层有助于提升钝化效果，提高电池效率。

因此，企业会采用各种方法制备这层氧化膜，目前所采用的方法主要包括：1)湿法氧化(在制绒的最后阶段使用硝酸或双氧水氧化)；2)气体氧化(在制绒的最后阶段使用臭氧气体氧化)；3)热氧化(采用氧化炉在高温状态下进行氧化)。

上述3种氧化方法中，热氧化需要另外配备一套氧化炉，导致设备及工艺成本升高，但其效果最好，目前已经被许多企业所采用。虽然在Al2O3与硅之间增加了一层带正电荷的SiOx层，但是由于其很薄，并不影响背表面钝化效果；而且Al2O3与硅的接触面需要一层氧化膜来促进生成带负电的AlO4-四面体结构。原则上讲，在正表面可以不加SiOx膜，但是考虑到制备单层氧化膜时产生的绕镀现象，因此一般在硅片双面都制备SiOx膜。另外，由于SiOx尤其是热氧化的SiO2的化学钝化效果非常好，因此采用热氧化方法制备的SiO2膜得到的电池效率更高。

1.3.3背抛光技术

最新的技术进展是在上述第2种PERC+SE电池工艺流程的基础上再叠加背表面抛光工艺，这种背表面抛光工艺可以使入射到背表面的光更多地返回到电池体内，效率可增加0.1%左右。但是由于碱性抛光是在槽式清洗机中进行，因此需要对前表面被激光开槽的部分进行遮挡，否则激光开槽区域也会被腐蚀。这种氧化保护目前有2种方式：1)使用高温热氧化；2)采用湿法氧化，将激光掺杂后的样品放在具有氧化酸(硝酸、双氧水等)的溶液中进行氧化处理，在其表面行生长一层氧化膜即可。这样一道工艺的成本并不是很高，因此也是一种低成本的增效方案。

1.3.4 硅片质量的提升

随着硅片表面钝化水平的提升，少子复合的区域转移到体内，因此，进一步提高硅片的质量以减少硅片中的杂质和缺陷的浓度对于提升电池效率尤为重要。最近在硅材料制备中，专门提出高纯致密料的要求，一些老旧的硅料厂生产的菜花料或金属杂质含量较高的硅材料无法满足拉单晶的要求，而对于硅料提出的目标是使硅片体内少子寿命达到1000 μs以上。 (待续)