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PERC 电池研发现状与未来研究重点

 昵称25720224 2016-10-28


  在2016中国光伏大会(PVCEC)期间,天合光能联合中国光伏行业协会,共同推出《PERC电池专刊》并举行发布会。专刊中阐述了PERC电池工作原理、技术应用以及发展方向等内容,为高效电池的未来发展指明了方向。
  PERC(PassivatedEmitterandRearCell)电池通过在电池背面实行钝化技术,增强光线的内背反射,降低了背面复合,从而使PERC电池的效率能够有效提高。PERC电池技术拥有广泛的应用前景。在“领跑者”计划中,国家对电池组件的效率提出了多晶不低于16.5%,单晶不低于17.5%的目标要求,而天合PERC单、多晶电池的效率分别已经达到21.1%和20.16%,远远超过这一要求,可谓是“领跑者”项目中闪耀的新星。被誉为“太阳能之父”的MartinGreen教授也曾预测,通过实验室的不断创新,PERC单晶电池有望实现25%的转换效率。


  《PERC电池专刊》中介绍了目前PERC电池研发机构和量产工厂的最高效率。单晶PERC电池效率方面,按照时间先后顺序,尚德2012年宣布其PERC电池效率达到20.3%。2012年,SunriseGlobal在量产工艺下,平均效率达到20.2%,并于2013年2月提高至20.3%。这家台湾公司采用PECVD沉积氧化铝。Sunrise是最早对PERC技术进行规模化生产的公司之一,也是全球最大的PERC电池制造商之一。目前,Sunrise生产的电池效率平均约为20.7%,最高超过21%。Sunrise表示,若采用高质量硅片,其平均效率可达21.2%。也是在2012年,SchottSolar采用单晶硅片,电池转换效率达到21%;这家德国公司将其技术授权给了SchmidGroup。2014年年底,天合光能宣布其电池效率达到21.4%。各家公布的转换效率数值在2015年期间一路攀升。2015年5月,尚德宣布在量产规模下,其PERC电池平均效率达到20.5%;7月,Solarworld宣布达到21.7%,成为当时量产规模PERC电池的最高效率。虽然台湾NSP公司于2015年10月称其单晶PERC电池效率达到了21.1%,但直同年12月SolarWorld一直保持着世界记录。其后记录被天合光能打破,这家来自中国的光伏组件制造商研发出22.13%的高效PERC电池。2016年初,Gintech称其效率达到21.44%,在当时的PERC电池最高效率排名上位居第三。虽然SolarWorld在2016年1月中旬宣布其PERC电池最佳性能提高至22%,但并未超越天合光能。


  多晶硅PERC电池效率方面,《PERC电池专刊》认为,开发多晶硅PERC电池较为省力。近年来结晶技术的进步,快速提高了光伏产业主力产品多晶硅电池的转换效率,而然多晶硅电池却又不得不以低成本的方式生产,以保持其为大型光伏电站供货的竞争力。Schott作为在首家涉足多晶硅PERC技术的公司,在2010年获得了18.7%的效率。紧接着是QCells公司,2011年宣布其效率达到19.5%,是当时量产的最高水平。于此同时,实验室级别的转换提高至20.7%。2014年,晶澳获得20%的峰值转换效率。天合光能于2014年11月突破20.76%,此后仅一年,这家中国公司即宣布其156×156mm多晶硅PERC电池效率达到21.25%。这是多晶光伏电池效率首次突破21%。天合光能称,目前其多晶电池平均效率约为19%(见图表1)。


  对于未来的发展,《PERC电池专刊》认为,通常情况下,在日常生产中实现实验室高转换效率需要花费相当长的一段时间。设备制造商Semco公司光伏实验室产能超过500MW,目前其优质电池平均效率为20.8%,其余大部分效率在20.1%与20.4%之间。SoLayTec称,20.7%的平均效率不久将在中国实现,最高效率将突破21%。然而,根据台湾SunriseGlobal的资料,该公司目前生产的单晶硅电池其效率平均约为20.7%,其中最高品质电池效率超过21%。
  无论是实验室等级还是量产等级,PERC电池的转换效率在今年很可能还有进一步的突破。由SolarWorld协调的德国HELENE研究项目所设定的目标是:至2017年底,将PERC单晶电池提高至22.5%。关于量产PERC电池可能达到的最高效率这一问题,一个由ISFH研究所领导的研究小组经研究指出:“量产型PERC电池的持续发展或将使电池效率突破24%。”在该小组于2015年9月在德国汉堡举行的第31届EUPVSEC欧洲光伏巡回展览会上提交的论文《IncrementalEfficiencyImprovementsOfMass-ProducedPERCCellsUpTo24%,PredictedSolelyWithContinuousDevelopmentOfExistingTechnologiesAndWaferMaterials.Authors:B.Minetal.》中,研究人员指出,PERC电池短期内的发展将集中在以下几点:如类似选择性发射极的先进发射极结构,背部硼掺杂金属铝浆,寿命为1ms的硅片,替代汇流条的多电极以及高截面10μm栅线等(见图表2)。


  同时,文章也指出PERC也有很多不足之处,其中包括:光致衰减(LID),耐候性、成本等。
  在克服PERC所面临的上述挑战同时,光伏行业还在探索使该技术迈入一个新高度的方法。
  “标准”的提高:ISFH研究所一个研究小组列出了为提升PERC电池效率而需要在短期内得到优化的重要参数:
  .先进的发射极结构,如选择性发射极;
  .用于制备铝背场的掺杂硼的铝浆;
  .寿命为1ms的硅片;
  .代替汇流条的多电极;
  .有较大高宽比的10μm细栅线。

  不过,除掺杂硼的金属铝浆料之外,ISFH以上所列同样适用于目前的常规光伏电池。基于这些改进,ISFH于2015年预测,PERC电池的效率可达到24%以上。

  选择性发射极:PERC结构极好地解决了被忽视已久的背面优化问题。电池发射极面的优化也愈受瞩目,通常正面优化的方法是使用高薄膜电阻的发射极。浆料供应商曾极力推动这方面的研发。选择性发射极目前是发射极优化的另一个方法。设备制造商Schmid称,选择性发射极对PERC技术是很好的补充。Schmid称,其基于回蚀方法的选择性发射极技术实现了发射极薄膜电阻160欧姆/平方,同时也支持使用常规低温正面烧结浆料。该方法也支持细栅线印刷,通过增加栅线数量提升充填因子。Schmid称,该公司的几家客户的测试结果显示了,单晶PERC电池上应用选择性发射极技术实现了10mV以上的性能提升。ISFH同样指出,选择性发射极是电池效率突破24%所需采用的技术革新之一。
  双面电池:

  选择性发射极:PERC结构极好地解决了被忽视已久的背面优化问题。电池发射极面的优化也愈受瞩目,通常正面优化的方法是使用高薄膜电阻的发射极。浆料供应商曾极力推动这方面的研发。选择性发射极目前是发射极优化的另一个方法。设备制造商Schmid称,选择性发射极对PERC技术是很好的补充。Schmid称,其基于回蚀方法的选择性发射极技术实现了发射极薄膜电阻160欧姆/平方,同时也支持使用常规低温正面烧结浆料。该方法也支持细栅线印刷,通过增加栅线数量提升充填因子。Schmid称,该公司的几家客户的测试结果显示了,单晶PERC电池上应用选择性发射极技术实现了10mV以上的性能提升。ISFH同样指出,选择性发射极是电池效率突破24%所需采用的技术革新之一。
  双面电池:在PERC结构中引入双面概念是一个真正的创新。这种双面结构也由ISFH开发,最简单也最经济;有关论文曾在2015年欧洲太阳能光伏展(EUPVSEC)上亮相(ThePERC Cell:A21%-EfficientIndustrialBifacialPERCSolarCell,作者:T.Dullweber等)。
  这种使光伏电池双面都具备光敏感性的技术无需在常规PERC电池工艺基础上添加任何额外步骤。双面电池的背表面采用局部铝栅线结构,而不是全部铝浆。而且这种方法无需使用银。这种电池已实现80%的双面发电效率比,其中正面发电效率为20.8%,背面发电效率为16.7%。
  激光烧结工艺:FraunhoferISE提出了一个以铝箔与激光烧结(LFC)技术为基础的背面金属化概念。在2014年第29届EUPVSEC上,ISE报告了此项以铝箔及LFC为基础的技术取得的进展,并展示了一片采用优化简化工艺生产出的21.3%高效电池(ProgressinLaser-basedFoilMetallizationforIndustrialPERCSolarCells.作者:M.Graf等)。目前,在ISE运行着一个α实验室工具,2016年还将安装一个生产规模的β系统。
  内部结构的改进:PERC也具备一些优化潜力。贺利氏的Stassen表示,一旦PERC发展成熟,克服了光致衰减等根本障碍,并提升料体质量,重点将再次转移到发射极上。正面电极下方的开路电压损耗将再次受到重视;研究人员将努力提升电池正面钝化效果,并使电池拥有更小的电极及更细的栅线。
  光伏行业领导者天合光能副总裁、光伏科学与技术国家重点实验室主任冯志强博士表示:“PERC电池的发展不仅是工艺的开发,同时也是设备的开发。一直以来,我们始终致力于依靠持续的技术创新,将实验室技术转化成商业化量产,将科技创新转化成价值创新,制备高效的光伏产品,满足市场需求。天合光能已成功实现PERC电池的量产,并有效控制PERC单晶组件的LID问题。未来,公司也会持续致力于高效电池的研究,相信PERC电池的优势在短时间内不会被取代。”

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