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3.4 TCO 膜沉积:PVD/RPD,短期内 PVD 是主流
TCO 薄膜主要是用作减反射层和横向运输载流子至电极的导电层。目前常用的制备方法是 PVD 和 RPD:传统 PVD 技术运用 SPUTTER 磁控溅射,使用 ITO(氧化铟锡)靶材;RPD 技术利用特定的磁场控制 Ar 等离子体的形状,从而产生稳定、均匀、高密度的等离子体,使用 IWO(氧化铟掺钨)靶材。
短期内 TCO 薄膜沉积的主流技术是 PVD,设备产能高、镀膜工艺可控。PVD 方法基本原理是在电场和磁场作用下,使工艺气体 Ar 电离成 Ar+,形成等离子体,被加速的高能粒子(Ar+)获得高能量并轰击靶材,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,溅射粒子沉积到衬底表面与氧原子发生反应而生成氧化物薄膜。PVD 溅射镀膜膜厚均匀易控制,镀膜工艺稳定可控,工艺重复性较好,靶材寿命较长,适合连续生产。但离子轰击对薄膜的性能损伤较大,转换效率相对较低。现阶段采用 PVD 方式成膜的企业较多,PVD 设备更为稳定且价格更为便宜,产能可以做到6000pcs以上,德国冯阿登纳公司已经推出产能 8000pcs设备。
RPD 设备和靶材受专利限制,但转换效率具备优势。RPD 镀膜原理是 Ar 通过等离子枪产生的等离子体进入到工艺腔体内,然后在磁场作用下打到靶材上,靶材升华沉积至衬底上。RPD 工艺主要是采用日本住友的 RPD 设备匹配其生产的 IWO 靶材,相对于传统 PVD工艺,RPD 工艺在转换效率上具有 0.3%-1%的优势,日本松下公司的 1GW 电池均采用RPD 工艺。RPD 具有低离子损伤、低沉积温度、可大面积沉积和高生长速率等优势,但目前 RPD 设备产能较低导致售价高,且核心部件和靶材受制于住友专利限制。国内靶材公司已经开发出日本住友使用于 HIT 的高效靶材,靶材成本或将大幅下降。
3.5 电极金属化:丝网印刷/电镀铜,丝网印刷国产化程度高
电极金属化是 HIT 电池制备的关键环节之一。制备电极的目的是通过与硅形成具有良好导电性能和高电流收集效率的欧姆接触,收集光生载流子并导出到电池。金属化环节不但要保证与硅界面有高的粘结强度和低的接触电阻,同时要为电流输出提供高导通路,是决定电池光电转化效率和成本高低的主要影响因素之一。目前常见的 HIT 电池金属化技术包括丝网印刷、电镀铜。
丝网印刷技术是 HIT 电池电极金属化环节主流工艺,技术成熟度较高。丝网印刷是通过丝网印刷设备将浆料印刷至电池表面,浆料中的金属颗粒在高温条件下,表面熔融相互连接并刻蚀硅板,形成可靠的黏结和电学接触。目前,工业界普遍采用丝网印刷技术在电池基底材料上印刷电池栅线即金属电极。丝网印刷技术相对其他技术而言,首先其设备结构相对简单、价廉、易于操作;其次印刷工艺成熟、生产效率高,容易实现大规模的自动化生产,在一定程度上可以节约时间和成本。然而丝网印刷银浆制备的栅线电极存在电导小、高宽比小等缺陷,且银浆价格昂贵,限制了 HIT 电池转换效率的进一步提高和生产成本的下降。
电镀铜技术利用电化学方法制备金属电极,可降低 HIT 电池成本、提升电池效率。电镀技术是利用电化学方法在导电固体表面沉积一层薄金属、合金或复合材料的过程。电镀溶液在通电后金属阳离子受电位差作用而移动到电池表面,沉积形成金属镀层,这层金属镀层即电极。选用电镀技术制备金属栅线电极,使用含银的电镀液,选择镍/铜/银三镀层,或者用镍/铜镀层,通过降低银含量使得电池成本具有竞争力。电镀铜电极具有导电率与银相当、接触电阻优于银胶的优点,并且采用低温制程技术,进一步缩小了电极线宽、增加了光照面积,有望提升 0.2%以上的电池绝对效率。电镀金属电极工艺过程较为复杂,附着力不良,存在废液对环境污染的风险,因此当前市场份额还很小。
目前异质结丝网印刷的供应商主要包括应用材料公司和日本的 Miro-tec 公司,国产的供应商包括迈为股份、科隆威等。应用材料公司一直是该技术和市场的领导者,推出多项领先技术:细线二次印刷技术,可提高电池效率、降低浆料损耗;SoftPressure 技术,可将网板的寿命提高 20%以上,而且让印刷的质量更好。Micro-tec 丝网印刷的主要原理是通过空气平衡的方法来控制刮刀的压力来进行印刷。烘干采用 Wikettype 结构,在满足烘干时间的前提下,达到较高的产能。国产厂商方面,迈为股份率先打破国外厂商对丝网印刷设备的垄断,是国内市占率最高的丝网印刷设备厂商。
铜栅路线大幅降低银浆用量,钧石能源在相关工艺和设备已有产业化布局。目前钧石能源已经在开发电镀铜工艺并自主研发铜电极电镀设备,2018 年建造了一条基于铜电极技术的 500MW 生产线。电镀铜制备栅线电极是先在 ITO 表面采用 PVD 沉积一层种子铜,再图形化,然后再电镀铜和锡而成。这种方法制得的电池栅线电极界面结合力强,更加稳定可靠;电导比银栅高 3 倍;且铜材料成本低,既提高了转换效率,又降低了电池制造成本。
4. 浆料环节成本下降空间大,低温银浆、靶材技术壁垒较高
4.1 低温银浆、靶材在浆料成本中占比较高
清洗制绒环节和非晶硅沉积环节材料成本较低。目前清洗制绒环节,臭氧+双氧水工艺在大批量生产验证后清洗效果较为稳定,并且在去除氨氮工艺后污水处理与化学品成本大大降低,是现在最佳的清洗工艺,其总体化学品成本已经贴近 P-PERC 电池清洗成本,材料成本约 0.22~0.3 元/片。非晶硅沉积环节,射频化学气相沉积(PECVD 工艺的一种)的材料成本约 0.03~0.04 元/片。
TCO 薄膜沉积环节:IWO 靶材成本高于 ITO,国产靶材降本空间大。对于 PVD 设备结合 ITO 靶材的工艺,靶材密度大于 7.1g/cm3,靶材成本约为 2700 元/kg,电池片的靶材成本约 0.4~0.5 元/片。对于 RPD 设备结合 IWO 靶材的工艺,进口 IWO 的靶材密度约4~4.5g/cm3,靶材成本约为 3200 元/kg,电池片的靶材成本约 0.6~0.7 元/片;若使用国产 IWO 靶材,靶材成本可降至 2000 元/kg,电池片的靶材成本约 0.2~0.3 元/片。
低温银浆是丝网印刷工艺所采用的关键材料,银浆用量大、成本高昂。传统晶硅电池通常采用高温银浆,导电性能较好。而 HIT 电池采用低温工艺,须使用低温导电银浆。由于低温导电浆料的导电性比高温导电浆料差,印刷性能也差,使得异质结电池的浆料增重较大,在四,五根主栅的情况下,大约在 300mg 左右,占据整个异质结加工电池的成本的约 30~40%。目前低温银浆主要采用日本京都电子生产的浆料,价格高昂,制造成本为 0.08美元/W,而 P-PERC 高温银浆的相应成本不到 0.02 美元/W。
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