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PERC电池的过去、现在和未来

光伏电池组件  来源:中国光伏专委会    2017/7/28 16:14:52  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:PERC电池发展历程

PERC电池(Passivated Emitterand Rear Cell)最早起源于上世纪八十年代,1989年由澳洲新南威尔士大学的MartinGreen研究组在AppliedPhysicsLetter首次正式报道了PERC电池结构,当时达到22.8%的实验室电池效率。到了1999年其实验室研究的PERL电池创造了转换效率25%的世界纪录。PERC电池的实验室制备,采用了光刻、蒸镀、热氧钝化、电镀等技术。PERC电池与常规电池最大的区别在背表面介质膜钝化,采用局域金属接触,大大降低被表面复合速度,同时提升了背表面的光反射。

2006年用于对P型PERC电池的背面的钝化的AlOx介质膜的钝化作用引起大家重视,使得PERC电池的产业化成为可能。随后随着沉积AlOx产业化制备技术和设备的成熟,加上激光技术的引入,PERC技术开始逐步走向产业化。2013年前后,开始有厂家导入PERC电池生产线,近几年PERC电池越来越引起行业重视,产能获得快速扩张。2017年全球预计新增产能6.5GW,从现有标准电池线升级2.5GW,预计至2017年底,全球PERC电池产能将达到20GW。

值得一提的是,2017年将可能是PERC电池与常规电池的市场份额的转折性的一年。随着PERC电池产能的扩张,常规电池的市场份额将逐步下降。

PERC电池效率

在短短几年中,PERC电池大面积可量产效率持续攀升,单晶PERC电池产线效率普遍达到21-21.5%,多晶达到20-20.5%左右。工业化大面积单晶PERC和多晶PERC电池的最高转换效率分别达到22.6%(我国常州天合)和21.63%(我国晶科)。

图1全球电池产能预测

PERC电池的技术竞争力吸引了整个产业界的关注,产业化设备、关键材料都在加速开发中。MeyerBurger公司采用PECVD法制备AlOx膜的沉积设备,报道了一种新的正表面氮化硅膜与背面氮化硅与AlOx膜集成在一起的3in1设备,AlOx工艺腔4对微波源,2对朝上镀膜,2对朝下镀膜,SiN工艺腔1,6对微波源,朝下镀膜;SiN工艺腔2,6对微波源,朝上镀SIN工艺腔1、2之间无隔离缓冲腔体,可一次完成正面朝上或正面朝下PERC电池3层镀膜。新设备减少了硅片上下片次数,提高生产效率。理想能源开发出原子层沉积(ALD)法的AlOx膜沉积设备,采用托盘方式传输电池硅片,与其他供应商采用的硅片直接传输方式相比,可以将碎片率降到最低;同时最大程度减少由于碎片造成的停机时间。杜邦等公司开发出针对高效PERC电池的整合金属化解决方案将促进PERC市场快速发展,包括新一代PERC正面银浆PV20X、PV56x系列背面银浆、PV36x系列背面铝浆等,可满足PERC电池低温烧结的需要。武汉帝尔公司积极开发激光在PERC电池中的应用设备,包括激光消融、激光掺杂、激光退火等,如激光掺杂磷技术,以扩散后的PSG层为磷源,利用激光可选择性加热的特性,在电池正表面电极位置进行磷的二次掺杂,形成选择性重掺的n++层。

双面PERC技术

图2单面PERC电池结构

图3双面PERC电池结构

通过少量技术改变,在基本不增加成本的基础上,PERC电池可实现双面发电。双面PERC成为行业新热点。其优势包括:可双面发电、双玻封装高可靠性、降低铝浆用量、弯折率降低、与现有PERC生产线兼容、可采用单晶硅或多晶硅作为基体,成本优势显著。缺点是工艺要求特殊、背面印刷精度较单面PERC电池的要求略高、对铝浆有更高的要求。

天合报道了量产正面21.15%、背面12.27%的双面效率。乐叶报道了正面300W背面225W的组件功率。双面PERC发电还可带来额外增益。大量PERC双面组件发电项目的发电量被收集与对比,在不同发电季节、不同气候区下,不同背垫面的情况下,报道了5—46%(含跟踪)的发电增益。

表1隆基乐叶双面PERC电池效率及功率

PERC电池发电性能

PERC电池的发电性能是表征PERC电池竞争力的另一重要因素。在青海、海南、吐鲁番等不同的实证基地进行不同电池户外发电性能的对比分析,选用的组件类型包含常规单晶硅、常规多晶硅、单晶PERC、多晶PERC等,发现单晶PERC技术更高的单位发电特性(kwh/kw),大同基地报道了PERC单晶多发电2.61%的发电增益,青海实证基地在一个月的采集数据中发现单晶PERC发电量最高(22.69kwh/kw),单晶常规电池次之(22.26kwh/kw),多晶常规电池再次之(22.20kwh/kw),多晶PERC电池与多晶常规电池接近,似乎更低(21.97kwh/kw)。需要指出的是,目前户外实测数据收集时间较短,更深入的研究还需要更长时间的发电性能数据收集与对比分析。

PERC电池的光致衰减

虽然P型晶体硅电池普遍有光致衰减作用,但PERC电池相较其他晶体硅电池更高的衰减,尤其是多晶PERC电池,较多晶常规电池的光致衰减高6~10%。单晶PERC电池的衰减主要与B-O缺陷对有关,通过降低硅片中的氧含量,采用掺Ga代替掺B可有效控制光致衰减。而多晶PERC的光致衰减还未研究清楚。目前的研究认为多晶PERC电池的衰减与表面钝化无关,与注入浓度有关,与热历史有关,经长期辐照可恢复。Q-Cell和SolarWorld分别宣称有未公开的多晶硅PERC电池的衰减解决方案。我国的光伏企业也相继推出了针对单多晶PERC电池的抑制衰减的工艺和设备。研究认为使用低温浆料,采用吸杂、高温退火及激光快速退火等手段可以抑制衰减。导致衰减的因素仍在研究中,除常规B-O对原因外,还有仍在研究中的未知因素,可能与多晶硅中更高的金属杂质含量有关。

图4 吸杂对多晶PERC衰减的作用

图5退火对PERC电池光衰的作用

总体来说:单晶PERC电池的衰减高于单晶常规电池,其原因主要是由于B-O对导致的,目前已经通过光照退火成功抑制。多晶PERC电池的衰减表现的与温度相关,其原因仍不明朗,但是似乎与多晶硅中过多的金属离子有关。目前已经找到抑制LeTID的途径,包括高温、高光强辐照,以及电注入等技术工艺。但是其大规模应用还具有挑战性。PERC电池对硅片质量提出了更高的要求,多晶硅在这种电池中目前处于劣势状态。

PERC电池潜力分析

PERC电池还有很大的效率提升空间。今后发射极、背面铝背场、主栅、硅片质量等还有优化空间。预计即使没有重要的突破性技术,2025年左右,单晶PERC电池可实现高达24%的转换效率,产线达到23%,意味着从现在到2025年,每年将有0.4%左右个绝对值的效率提升,同时随着PERC电池产业规模的扩大和技术优化,预计至2025年成本也将降低至目前的一半。

结语

1)PERC技术的发展超过了预期,给其他种类晶硅电池技术带来很大冲击。单晶电池产业化效率达到21.5%,多晶PERC电池产业化效率在叠加黑硅技术后已经达到20%以上,有望在明年实现21%的多晶PERC电池效率。同时PERC电池具有成本优势,其成本和常规电池成本接近。

和常规电池比较,PERC电池表现出了良好的效率优势,比常规电池产业化效率可提高1-1.5%个效率绝对值。

和高效PERT、HJT等技术相比,PERC电池产业化效率接近,但具有更好的成本优势。

2)PERC电池的单晶多晶之分,更大程度上是高质量硅片和低质量硅片之争。为提高电池转换效率,无论是PERC、PERT、PERL还是HJT、IBC电池技术,都越来越重视电池表面的钝化。随着钝化质量的不断改进,硅片体内的复合缺陷的影响将愈加明显,硅片质量对电池效率的影响也就愈大。无论单晶硅还是多晶硅,未来不断改善拉晶/铸锭工艺,提高硅片质量,制造出高质量单晶硅片及高质量多晶硅片,将是PERC及其他高效电池的发展方向。

3)青海、大同等实证基地中的户外测试结果表明单晶PERC电池具有一定的发电优势,具有更好的单位发电量(kwh/kw)。阳光辐照度、入射角、温度、风速是组件发电量测试的关键环境参数。不同电池的户外发电性能比较与分析仍在进行中。

4)PERC双面电池的出现再次提升了PERC电池的竞争力。目前双面PERC电池的双面率在75%左右,且制造成本较低,双面PERC电池不仅拓宽了PERC电池的应用场景,而且可获得更高的发电增益。大量PERC双面组件发电项目的发电量被收集与对比,在不同发电季节、不同气候区下,不同背垫面的情况下,报道了5—46%(含跟踪)的发电增益。

原标题:【光伏微讲堂】PERC电池的过去、现在和未来——中国可再生能源学会光伏专委会第十期微讲堂“PERC电池到底是什么Gui”

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