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从有效期来看,欧洲版的专利已经失效,但美国版的专利仍在有效期之内,Google Patent显示美国版专利预计于今年6月15日到期。
一方面是信越化学的掺镓专利即将到期,另一方面,经过近几年的积累,国内的厂商也已经掌握了掺镓硅片的生产技术。
经整理可以看出,2018年在审和授权的掺镓硅片相关专利达18项,为近年来的高峰,大部分是隆基股份申请的。其他的企业如中环、晶科、晶澳、阿特斯也均有相关专利,可以认为一线的硅片企业都拥有相关的生产技术。
3进一步解决单晶Perc电池的衰减问题,Perc电池竞争力的又一次提升
根据隆基股份披露的资料可知,光照引起的晶体硅电池光衰,一般主要有三类,一是硼氧复合体光衰BO-LID,二是高温引起的辅助衰减LeTID,三是紫外光引起的表面钝化衰减UVID。在温度较低时,硼氧复合体的光衰是掺硼p型PERC电池的主要初始光衰机制,即p型单晶电池如果使用掺硼硅片制作,BO-LID被认为是单晶电池初始光衰的最主要原因。因为单晶硅片使用石英坩埚制作,单晶拉晶一般需要使用全熔工艺,坩埚内部的涂层不能很好的阻挡来自于石英坩埚的氧元素,在拉晶并冷却的过程中氧留在硅片中,使单晶硅片中的氧浓度一般有10ppma以上。相比之下,多晶硅片使用半熔工艺,铸锭多晶有效的涂层技术、更大的挥发面积以及较小的坩埚接触面积可以有效减少氧的扩散。因此,一般情况下,多晶硅片只有靠近坩埚的部分有接近10ppma的氧,硅片内部的氧含量一般是单晶硅片的十分之一左右,约1ppma。因此在BO-LID上,单晶长期占劣势。在单晶PERC电池量产之前,普遍的认识是单晶产品光衰比多晶大。晶体硅组件的首年质保,常规单晶组件的首年光衰质保一般为3%,而多晶为2.5%,差异就来自于单多晶BO-LID的初始光衰不同。
在晶体硅电池进入PERC时代之后,BO-LID的影响程度进一步显现。PERC电池使用背钝化技术,增加了长波段入射光子的有效吸收,将电池效率在铝背场电池结构上提升约1%。然而电池背面产生的光生少数载流子(电子)需要经历较远的路径才可以被正面的pn结有效分离并被电极收集。因此,虽然背钝化使PERC的效率大幅提升,却由于硅片本身的BO-LID,使电池的初始光衰增大到了5%以上。
多种技术方案均被尝试应用到BO-LID的降低上。显然,降低硼含量会降低PERC电池的效率,而降低氧含量的技术会使硅片成本增加。目前产业界最常用的方法是光注入或者电注入,2006年,Konstanz University的Alex Herguth发现在较高温度的光照(光注入)或者使用正向电流(电注入),可以使BO-LID经历衰减-再生的过程,且后续持续的光照或者电注入不会使电池的开路电压下降,这就是LIR(光致再生)现象。
光注入可以使用卤素灯、LED、激光等光源。2017年,隆基联合澳大利亚新南威尔士大学、武汉帝尔激光公开了联合研发的LIR技术。
而另一解决LID的有效方法即是使用掺镓硅片,掺镓替代掺硼之后,彻底的解决了硼氧复合对的问题,能够几乎完全抑制光衰减,在高效电池上具备很大的潜力。早先由于信越化学专利限制的问题一直未能推广,今年信越化学专利到期后掺镓硅片也就迎来了批量推广的机会。
另外,除了BO-LID以外,掺镓硅片对高温之下的LeTID也有一定的抑制作用。德国Konstanz大学做了实验对比,分别测试了掺硼并进行磷(P)吸杂的电池、掺镓(Ga)并进行磷吸杂的电池在不同温度下的少子寿命(少子寿命降低说明存在光衰现象),发现掺硼和掺镓的PERC电池都存在LeTID光衰,但掺镓电池的LeTID仍然是小于掺硼电池的。
4 镓的分凝系数导致掺镓硅片电阻率较难控制,成品率略下降
我们认为掺镓硅片的推广将是P型路线竞争力的又一次提升,P型一直被诟病的缺点就是硼氧复合对导致的光致衰减,N型掺磷不掺硼几乎没有光致衰减。而在掺镓P型硅片推广后,彻底解决了硼氧复合对的问题,N型的优势会有所减弱。
在生产中,由于镓在硅中的分凝系数极低,仅为0.008,与常规的硼元素0.8的分凝系数相比,差了100倍。因为分凝系数太小,作为掺杂剂在掺杂时就难以控制浓度,也不容易准确控制晶体的电阻率,拉制目标电阻率的合格单晶晶体存在一定的难度,实际生产中掺镓硅棒的电阻率分布范围比较大,合格部分比例比普通的掺硼硅片低比较多。
目前晶澳和隆基已经基本解决了掺镓硅片电阻率范围过大的问题,但镓分凝系数低的问题仍然存在,因此成品率、单炉产出会略低于掺硼硅片,成本也会略高于掺硼硅片。但由于隆基对掺硼和掺镓硅片的报价是相同的,我们判断总的成本升高应不超过5%,折合到每瓦硅片的成本上升不超过2分钱,考虑到其在降低衰减、提高效率上的优异效果,仍然是Perc路线一次巨大的竞争力提升。
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