鄭達(dá)敏,趙增超,3,劉 舟,文建峰,周 翠

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司,湖南 長沙 410000;2.國家光伏裝備工程技術(shù)中心,湖南 長沙 410000;3.中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所,湖南 長沙 410000)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),光伏發(fā)電不僅要大幅增加產(chǎn)業(yè)規(guī)模,更要持續(xù)降低發(fā)電成本[1]。過去十年間,光伏發(fā)電度電成本已經(jīng)從0.378 $/kW·h,降至0.06 $/kW·h以下,降幅達(dá)82%[2]。這主要得益于光伏電池的效率提升,相關(guān)測(cè)算表明,太陽電池效率提升1%,促使光伏發(fā)電成本下降7%以上。當(dāng)前主流的太陽電池——鈍化發(fā)射極及背接觸(Passivated emitter and rear contact,PERC)電池的量產(chǎn)效率已可達(dá)22.8%[3],但其已接近瓶頸效率23.2%[4]。未來10年內(nèi),以隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel oxide passivated contact,TOPCon)電池和異質(zhì)結(jié)(Hetero Junction Technology,HJT)電池為代表的高效率太陽電池將取代PERC電池成為市場主流[5]。

1 高效TOPCon電池與技術(shù)

1.1 TOPCon電池

基于N型硅襯底的TOPCon太陽電池,其結(jié)構(gòu)具有高質(zhì)量表面鈍化(低復(fù)合電流密度)的異質(zhì)結(jié)表面場,避免了金屬電極與硅片直接接觸所造成的接觸區(qū)復(fù)合,故可實(shí)現(xiàn)效率提升。TOPCon電池的極限理論效率可達(dá)到26.6%[6],而從目前TOPCon量產(chǎn)的情況看,最高效率難以達(dá)到25%,存在提升空間。

相比PERC電池,TOPCon電池還具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電池的襯底為N型硅,其光致衰減效應(yīng)接近于零；

(2)電池基體少子壽命高,其弱光響應(yīng)好,輻照強(qiáng)度低于400 W·m-2仍可發(fā)電；

(3)如圖1所示,電池為雙面結(jié)構(gòu),在任何角度都可以增加光吸收,且背面轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到正面的85%以上。

圖1 TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖[7]

1.2 TOPCon電池工藝

TOPCon是一種新型鈍化接觸技術(shù),該技術(shù)在電池表面使用一層超薄的氧化層和摻雜的薄膜硅進(jìn)行鈍化。同時(shí),超薄氧化硅減少了表面態(tài)保持了較低的隧穿電阻,摻雜薄膜硅提供了場致鈍化并對(duì)載流子選擇性透過,與硅基底形成良好的鈍化接觸。如圖2所示,當(dāng)前主流的TOPCon技術(shù)由清洗制絨、硼擴(kuò)散、濕法刻蝕、SiOx/非晶硅膜沉積、P擴(kuò)散/高溫晶化、正面AlOx/SiNx沉積、背面SiNx沉積、絲印燒結(jié)等工序組成。

圖2 TOPCon電池工藝路線

與傳統(tǒng)PERC電池工藝相比,TOPCon工藝增加了硼擴(kuò)散與接觸鈍化層(SiOx/非晶硅膜)沉積兩個(gè)環(huán)節(jié)。硼擴(kuò)散工藝可通過擴(kuò)散爐實(shí)現(xiàn),常用氣源為BBr3,通過低壓方式擴(kuò)散進(jìn)入襯底材料當(dāng)中。接觸鈍化層制備有LPCVD/PECVD/PEALD等技術(shù)路線,其中LPCVD工藝最為成熟,成為目前市場主流。LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的全擴(kuò)散工藝。該工藝使用LPCVD制備背表面SiO2膜并制備多晶硅膜。先使用LPCVD制備SiO2膜,然后在600～700℃的溫度制備本征非晶硅膜[8]。然而,受這兩項(xiàng)環(huán)節(jié)的擴(kuò)散爐與多晶硅沉積裝備的影響,電池載流子傳輸與鈍化性能仍有待提升,導(dǎo)致其量產(chǎn)效率與實(shí)驗(yàn)室效率相差2%以上。

2 高效HJT太陽電池與制造工藝

2.1 HJT太陽電池

HJT太陽電池是一種利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太陽電池。其結(jié)構(gòu)由n型單晶襯底、光照側(cè)p-i型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)、背面?zhèn)萯-n型氫化非晶硅層(膜厚5～10 nm)以及兩側(cè)透明電極和集電極構(gòu)成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)。非晶硅鈍化的對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以獲得較低的表面復(fù)合速率使得HJT電池可以獲得更高效率。目前,HJT電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率為25.7%[9],國內(nèi)以通威為代表的HJT量產(chǎn)電池片平均效率達(dá)到24.3%。

同樣相比PERC太陽電池,HJT電池具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)更高的雙面率。如圖3所示,HJT電池由于其獨(dú)特的雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其更易于制作成雙面電池組件,目前雙面率已突破90%。

圖3 HJT電池結(jié)構(gòu)示意圖[10]

(2)更低的衰減。HJT電池不會(huì)出現(xiàn)硼氧復(fù)合因子從根本上避免了初始光衰的現(xiàn)象。

(3)更優(yōu)秀的溫度系數(shù)。HJT組件的溫度系數(shù)為-0.23%,使得HJT組件可以在同等環(huán)境下有更加優(yōu)異的發(fā)電表現(xiàn)。

(4)更大的降成本潛力。HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),工藝步驟也更為簡便,制造成本具備很大下降空間。

2.2 HJT電池工藝

HJT電池加工溫度低,可以使用更薄的硅片(≤100 μm),制造成本具備很大下降空間。如圖4所示,其工藝步驟也更為簡便,只有四步：(1)N型硅片通過優(yōu)化硅的表面織構(gòu)。(2)通過PECVD在晶硅表面沉積i/p非晶硅和i/n非晶硅。(3)通過濺射技術(shù)在電池兩面沉積透明ITO。(4)通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ITO上制作銀電極[11]。

圖4 HJT電池工藝路線

由于HJT電池是晶體硅和非晶硅相結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu),其制約著電池效率的提升難點(diǎn)在于：(1)制備高品質(zhì)納米級(jí)非晶硅基薄膜材料的設(shè)計(jì)與生長；(2)大面積低損傷高品質(zhì)ITO薄膜的均勻生長。

就ITO薄膜制備工藝而言,存在磁控濺射(基于PVD的沉積技術(shù))和離子反應(yīng)鍍膜(RPD)兩種工藝路線,RPD裝備產(chǎn)能低售價(jià)高,且受到專利限制(目前專利權(quán)為日本住友擁有),而PVD濺射鍍膜膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩(wěn)定可控,工藝重復(fù)性較好,靶材壽命較長,適合連續(xù)生產(chǎn),行業(yè)普遍認(rèn)可PVD是主流技術(shù)。針對(duì)異質(zhì)結(jié)非晶硅薄膜沉積也主要有兩種工藝方法：等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積法(PECVD)與熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD),前者是目前非晶硅薄膜沉積環(huán)節(jié)主流技術(shù),工藝成熟度較高；后者具備更好的鈍化效果,但裝備維護(hù)成本高,因此目前產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少。

3 TOPCon電池技術(shù)核心裝備

3.1 硼擴(kuò)散爐

擴(kuò)散爐[12]是半導(dǎo)體加工中的熱處理裝備,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路、分立器件、太陽能光伏行業(yè)中的擴(kuò)散、氧化工藝,特別適用于對(duì)結(jié)深和均勻性指標(biāo)要求高的場合。低壓擴(kuò)散是太陽能光伏生產(chǎn)中關(guān)鍵環(huán)節(jié),低壓擴(kuò)散爐裝備的性能直接影響電池的效率和產(chǎn)能。低壓硼擴(kuò)散工作時(shí),液態(tài)或氣態(tài)硼源經(jīng)載氣攜帶進(jìn)入高溫低壓環(huán)境下石英管中,在硅片表面與硅反應(yīng)生成硼原子,硼原子擴(kuò)散進(jìn)入硅片,形成PN結(jié)。目前,國際先進(jìn)低壓擴(kuò)散主要集中于歐洲少數(shù)幾家公司,與歐美等發(fā)達(dá)國家相比,我國低壓硼擴(kuò)散爐技術(shù)研究起步比較晚,對(duì)比低壓擴(kuò)散爐的關(guān)鍵參數(shù)如圖1所示。

表1 硼擴(kuò)散爐關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)比進(jìn)口裝備來看,國產(chǎn)裝備的產(chǎn)能有優(yōu)勢(shì),但裝備性能方面存在問題,如方阻均勻性較低、裝備正常運(yùn)行時(shí)間低等問題,一定程度上影響了電池片的效率及方阻均勻性。除此之外,國產(chǎn)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中易出現(xiàn)石英件易粘連的問題。隨著TOPCon電池的推廣應(yīng)用,國內(nèi)光伏裝備仍需突破高溫真空密封技術(shù)、快速回溫控制技術(shù)、高精度溫度控制技術(shù)、壓力精確控制技術(shù)、尾氣防腐處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)上下料及自動(dòng)傳輸?shù)扰饠U(kuò)散技術(shù),以提升設(shè)備的性能。

3.2 LPCVD裝備

低壓化學(xué)氣相淀積裝備[13](Low PressureChemical Vapor Deposition,LPCVD)是TOPCon電池制備多晶硅薄膜的關(guān)鍵裝備。由于其制備的薄膜具有質(zhì)量優(yōu)異、均勻性好、產(chǎn)量高的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于微電子等行業(yè)中氧化硅、氮化硅和多晶硅等薄膜的制備。目前工藝裝備現(xiàn)階段卻僅有Tempress、Centrothem、Semco、P-Tech等國外裝備廠商研發(fā)并推出了TOPCon電池用量產(chǎn)型LPCVD裝備,國內(nèi)LPCVD裝備尚處于不成熟階段,隨著晶硅電池技術(shù)不斷升級(jí)換代,LPCVD裝備具有巨大的市場潛力。對(duì)比LPCVD裝備的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 LPCVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)比進(jìn)口裝備來看,國產(chǎn)裝備雖然產(chǎn)能大,但穩(wěn)定性與工藝水平不如進(jìn)口裝備。仍存在低壓工藝難以控制,成膜均勻性不高,影響了太陽能電池的效率、產(chǎn)能以及成本。不僅如此,國產(chǎn)LPCVD裝備在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生非晶硅并附著在石英器件上,導(dǎo)致石英器件使用壽命降低、裝備維護(hù)周期縮短。未來國產(chǎn)裝備需攻克高溫真空密封技術(shù)、高精度溫度控制技術(shù)、壓力精確控制技術(shù)、自動(dòng)上下料及自動(dòng)傳動(dòng)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)單管產(chǎn)能2 000片/管,本征非晶硅均勻性5%以內(nèi),提高國際市場上裝備競爭力。

4 HJT電池技術(shù)核心裝備

4.1 PVD裝備

物理氣相沉積裝備[14](Physical Vapor Deposition,PVD)。其膜厚均勻易控制,鍍膜工藝穩(wěn)定可控,工藝重復(fù)性較好,靶材壽命較長,適合連續(xù)生產(chǎn),是HJT電池制備ITO薄膜沉積的關(guān)鍵裝備。當(dāng)前PVD裝備以國外供應(yīng)商為主,主要有Von Ardenne、Meyer Burger、Singulus等公司。Von Ardenne目前開發(fā)了兩種ITO薄膜沉積裝備,產(chǎn)能高達(dá)1 200片硅片/h,適用于疊層太陽電池處理。Meyer Burger開發(fā)一個(gè)名為HELiA PVD應(yīng)用PVD技術(shù)的ITO薄膜鍍膜系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)同時(shí)在硅片正面和背面實(shí)現(xiàn)薄膜沉積,旋轉(zhuǎn)靶材的利用率、產(chǎn)量高和生產(chǎn)成本低,裝備產(chǎn)能可達(dá)3 000片硅片/h。Singulus公司研制了一種水平內(nèi)聯(lián)濺射裝備,可以同時(shí)沉積在硅片的正面和背面,不需要翻轉(zhuǎn)硅片破壞真空環(huán)境,最大產(chǎn)能可達(dá)5 200片硅片/h。

表3 PVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

從國產(chǎn)裝備來看,其性能參數(shù)與進(jìn)口設(shè)備差異不大,基本均可在真空、無翻轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)雙面薄膜沉積,多數(shù)裝備還具備完善的自動(dòng)化配套設(shè)施以及模塊化結(jié)構(gòu),并搭載旋轉(zhuǎn)靶提高靶材利用率,單臺(tái)產(chǎn)能已實(shí)現(xiàn)較高水平,可見,產(chǎn)能提升并非PVD裝備向上優(yōu)化的瓶頸,努力方向在于改善TCO薄膜透光性、均勻性、傳導(dǎo)性等指標(biāo)進(jìn)而提升電池轉(zhuǎn)換效率。另一方面,PVD主要采用ITO和SCOT靶材,靶材的選擇決定了薄膜的光電特性,進(jìn)而影響電池轉(zhuǎn)換效率,隨著靶材配方的探索改進(jìn),ITO薄膜的光電性能亦有所提升,進(jìn)一步改善電池轉(zhuǎn)換效率。因此,未來設(shè)備隨靶材的優(yōu)化有望帶動(dòng)轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升。

4.2 PECVD裝備

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積[15-16](Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)。將低壓氣體放電形成的等離子體應(yīng)用于化學(xué)氣相沉,廣泛用于半導(dǎo)體、光伏領(lǐng)域。在制備HJT電池過程中可實(shí)現(xiàn)非晶硅薄膜沉積。從技術(shù)路徑上：板式PECVD是目前主流,管式PECVD具備潛力,板式PECVD的優(yōu)勢(shì)在于：技術(shù)最成熟,易實(shí)現(xiàn)大面積均勻性,材料缺陷態(tài)密度低；管式PECVD相比較板式PECVD,其降低生產(chǎn)成本端有更大的下降空間。

當(dāng)前PECVD裝備仍以進(jìn)口為主。國外廠商包括：梅耶博格、應(yīng)用材料等,其中Meyer Burger通過優(yōu)化等離子體技術(shù),開發(fā)一種稱為S-Cube等離子體技術(shù),有助于實(shí)現(xiàn)極低污染和均勻沉積,裝備產(chǎn)能達(dá)到2 400片硅片/h。

表4 PECVD裝備關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)比進(jìn)口裝備來看,國產(chǎn)裝備在裝備產(chǎn)能、成膜均勻性、裝備有效運(yùn)行時(shí)間等裝備關(guān)鍵指標(biāo)上存在差距。同時(shí)在預(yù)熱、控溫精度、清洗、傳動(dòng)方式等可能影響裝備性能的因素上同樣需持續(xù)挖潛,推動(dòng)裝備不斷迭代。PECVD裝備未來的主要優(yōu)化方向是在保證鍍膜質(zhì)量的同時(shí)提升裝備產(chǎn)能,且硬件成本的增加幅度需盡可能小于產(chǎn)能提升幅度,從而達(dá)到降本的目標(biāo)。

5 結(jié)論

當(dāng)前,高效太陽電池技術(shù)的發(fā)展受核心裝備影響,電池效率有待提升。國產(chǎn)裝備的性能與穩(wěn)定性還不完全成熟,難以滿足太陽電池在效率、良率、產(chǎn)能方面的需求。對(duì)于硼擴(kuò)散裝備而言,方阻均勻性及裝備產(chǎn)能等仍有待改進(jìn)。對(duì)于沉積裝備LPCVD、PECVD、PVD而言,制備薄膜的均勻性和穩(wěn)定性有待提升。因此,研制替代進(jìn)口裝備的高性價(jià)比國產(chǎn)化裝備成為產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。