光伏產業低迷，腹背受敵。怎樣能挺過寒冬?有技術實力而且能將技術變成生產力的企業，將最終勝出。高效電池就是光伏的突圍之匙。

　　1.高效電池-光伏的突圍之匙

　　光伏當前產業低迷，腹背受敵。外有金融危機，市場萎靡，歐美雙反，貿易壁壘;內有并網受限，政策滯后，產能過剩，產品同質化，高資產負債率。很多人都喜歡問一個問題，“你認為光伏何時才能復蘇?”，我覺得這個問題的意義不太大，因為即使能預測出這個時間點，可是你確信自己能挺到復蘇之時嗎?行業的復蘇不等于你的復活，也許那時你已經成為一名過客了。那怎樣的企業才能挺過這次寒潮呢?有技術實力，而且能將技術變成生產力的企業，將最終勝出，迎來光伏的下一個高潮。

　　有核心技術，自然能得到資本的青睞，解決資金的短缺。自然能夠突破價格戰和產能過剩的困局，獲得更高的利潤。據計算，太陽能光伏電池轉換效率每提高一個百分點，將使太陽能電池組件的發電成本降低7%左右。目前國際市場的行情是：同樣是P型硅片制造，轉換效率高低成為定價的標準。下游客戶使用高效太陽電池做的組件，可以在安裝成本不變的情況下提高太陽能光伏發電系統的年發電。高效電池就是光伏的突圍之匙。

　　光伏暴利的時代已經過去。中國光伏行業在洗牌整合，在等待政策和貿易環境的改善，在積蓄內力提高效率，等待一個真正輝弘的高潮的到來---光伏平價上網：光伏發電以平等的價格和傳統能源展開發電市場競爭，走入尋常百姓家。

　　2.什么是高效光伏電池

　　目前普通的太陽能電池產業化水平轉換效率：單晶15%～17%、多晶12%～15%，非晶硅薄膜8%～9%。高效電池是指電池產業化水平轉換效率：單晶》18%、多晶》16.5%、非晶硅薄膜》10%。要強調一點的是我們說的是產業化的電池轉換效率，是指能夠量產制造的，不是實驗室精雕細刻出來的。實驗室里面有很多電池效率很高，但或者工藝太復雜、或者技術不成熟，只具有研發意義，無法量產，無法降低生產成本，還不具有商業推廣價值。

　　大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產將是光伏硅電池工業的發展趨勢。通過降低電池的硅材料成本，提升光電轉換效率與延長其使用壽命來降低單位電池的發電成本。通過集約化生產節約人力資源降低單位電池制造成本。通過合理的機制建立優秀的技術團隊、充分保證技術上的持續創新是未來光伏企業發展的核心競爭力所在。

　　3.技術發展趨勢-薄片化

　　降低硅片厚度是減少硅材料消耗、降低晶硅太陽電池成本的有效技術措施，是光伏技術進步的重要方面。30 多年來，太陽電池硅片厚度從70 年的450～500μm 降低到目前的150～180μm，降低了一半以上，硅材料用量大大減少，對太陽電池成本降低起到了重要作用，是技術進步促進成本降低的重要范例之一。

　　硅片厚度的降低如表1所示。

　　4.光伏技術發展戰略目標

　　典型商業組件的效率期望能從2010年的16%增長到2030年的25%，2050年增長到40%。隨著能源和材料在制造業的使用更加高效，光伏系統能源回收期的時間會不斷縮短的。預計能源回收期會從2010年的兩年降低到2030年的0.75年，到2050年會下降到0.5年。使用壽命期望從25年增加到40年。

　　戰略技術指標

　　5.光伏產業技術路線圖

　　晶體硅電池發展的趨勢是低成本高效率，這是光伏技術的發展方向。低成本的實現途徑包括效率提高、成本下降及組件壽命提升三方面。效率的提高依賴工藝的改進、材料的改進及電池結構的改進。成本的下降依賴于現有材料成本的下降、工藝的簡化及新材料的開發。組件壽命的提升依賴于組件封裝材料及封裝工藝的改善。因而，晶體硅電池發電的平價上網時間表除了與產業規模的擴大有關外，最重要的依賴于產業技術(包括設備和原材料)的改進。

　　僅靠工藝水平的改進對電池效率的提升空間已經越來越有限，電池效率的進一步提升將依賴新結構、新工藝的建立。具有產業化前景的新結構電池包括選擇性發射極電池、異質結電池、背面主柵電池及N型電池等。這些電池結構采用不同的技術途徑解決了電池的柵線細化、選擇性擴散、表面鈍化等問題，可以將電池產業化效率提升2～3個百分點。

　　為了進一步降低成本、提高效率，各國光伏研究機構和生產商不斷改善現有技術，開發新技術。他們根據自己的技術實力和科研回報的期望，選擇不同的研究方向和路徑，共同促進光伏技術的不斷進步。

　　如圖所示為不同光伏技術的發展狀況及前景

　　高效電池類型介紹

　　1.高效晶體硅太陽能電池-MWT電池

　　MWT 電池是金屬穿孔卷繞(metallization wrap-through， MWT)硅太陽能電池的簡稱。

　　MWT技術是荷蘭規模最大的太陽能電池生產商Solland Solar開發的用于其Sunweb電池的方法。該技術應用P型多晶硅，通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池轉移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%，再與電池組件相連接，所得的輸出效率能提高9%，如圖5所示。

　　在MWT器件中，工藝的難點包括：激光打孔和劃槽隔絕的對準及重復性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個通孔。

　　MWT電池的制作流程大致為：

　　硅片-》激光打孔-》清洗制絨-》發射極擴散-》去PSG-》沉積SIN-》印刷正面電極-》印刷背面電極-》印刷背電場-》燒結-》激光隔絕-》測試。

　　圖：MWT電池將發射極從正面“卷繞”至背面

　　2.高效晶體硅太陽能電池-EWT電池

　　EWT 電池是發射極環繞穿通(emitter-wrap-through，EWT)硅太陽能電池的簡稱。

　　與MWT電池不同的是，在EWT電池中，傳遞功率的柵線也被轉移至背面。與MWT電池類似，EWT電池也是通過在電池上鉆微型孔來連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個通孔，EWT電池每塊硅片大約有2萬個這種通孔，故激光鉆孔成為唯一可滿足商業規模速度的工藝，如圖所示。

　　EWT電池由于正面沒有柵線和電極，使模組裝配更為簡便，同時由于避免了遮光損失且實現了雙面收集載流子，使光生電流有大幅度的提高。用于工業化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網印刷和激光技術，并對硅片質量具有一定的要求，這為EWT電池工藝技術提出諸多的要求，比如無損傷激光切割的實現、絲網印刷對電極形狀的限制、孔內金屬的填充深度以及發射極串聯電阻的優化等。利用這種新型幾何結構生產出來的早期電池獲得了超過17%的效率。

　　圖：采用背面分布式觸點的EWT電池

　　3.高效晶體硅太陽能電池-LGBC電池

　　LGBC電池是有激光刻槽埋柵電極 (Laser groove bury contact) 工藝電池的簡稱。由UNSW開發的技術，是利用激光技術在硅表面上刻槽，然后埋入金屬，以起到前表面點接觸柵極的作用。如圖所示，發射結擴散后，用激光在前面刻出20μm寬、40μm深的溝槽，將槽清洗后進行濃磷擴散，然后槽內鍍出金屬電極。電極位于電池內部，減少了柵線的遮蔽面積，使電池效率達到19.6%。

　　與傳統工藝的前表面鍍敷金屬層相比，這種電池具有的優點是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵電極深入硅襯底內部可增加對基區光生電子的收集，濃磷擴散降低濃磷區電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高了電池的開路電壓。

　　這種電池既保留了高效電池的特點，又省去了高效電池制作中的一些復雜的工藝，很適合利用低成本、大面積的硅片進行大規模生產。目前這一技術已經轉讓給好幾家世界上規模較大的太陽能電池生產廠。如英國的BP SOLAR和美國的SOLAREX等。

　　激光刻槽埋柵電池的大致工藝流程為：

　　硅片-》清洗制絨-》淡磷擴散-》熱氧化鈍化-》開槽-》槽區濃磷擴散-》背面蒸鋁-》燒背場-》化學鍍埋柵-》背面電極-》減反射膜-》去邊燒結-》測試。

　　圖：新南威爾士大學 激光刻槽埋柵電池 h =19.8%

　　4.高效晶體硅太陽能電池-OECO電池

　　OECO 電池是傾斜蒸發金屬接觸(Obliquely evaporated contact，OECO)硅太陽能電池的簡稱。

　　OECO 太陽電池是德國ISFH研究所從九十年代就開始研制的一種新型單晶硅電池。與其他高效電池相比，具有結構設計新穎、制作簡單、電極原料無損耗、成本低廉和適合大批量生產等優點。OECO電池結構基于金屬-絕緣體-半導體(MIS)接觸，利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極，無需光刻、電極燒穿、電極下重摻雜和高溫工藝即可形成高質量的接觸，并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極。更為重要的是當這種電池制作面積從4 cm2擴大到100 cm2時，效率也只是從21.1%略微降到20%，仍然屬于高效范圍，所以這種結構的電池更適宜于工藝生產。

　　OECO結構示意圖如圖8所示，電池的表面由許多排列整齊的方形溝槽組成，淺發射極n+位于硅片的上表面，在其上有一極薄的氧化隧道層，Al電極傾斜蒸鍍于溝槽的側面，然后利用PECVD蒸鍍氮化硅作為鈍化層和減反射膜

　　OECO電池有以下特點：

　　(1)電極是蒸鍍在溝槽的側面，有利于提高短路電流;

　　(2)優異的MIS結構設計，可以獲得很高的開路電壓和填充因子;

　　(3)高質量的蒸鍍電極接觸;

　　(4)不受接觸特性限制的可以被最優化的淺發射極;

　　(5)高質量的低溫表面鈍化。

　　電池的制作具體過程為：

　　前表面機械開槽→化學腐蝕清洗→背面掩膜(擴散)→前表面化學制絨→使用液態源POCl3進行磷擴散制作n+發射極→打開背面接觸→真空蒸鍍Al作為背電極→前表面低溫熱氧化形成氧化隧道層→前表面無需掩膜直接傾斜蒸鍍Al作為面電極→使用導電膠將各個面電極連接起來→采用PECVD法在前表面蒸鍍氮化硅作為鈍化和減反射層。

　　圖 ：德國 ISFH 的 OECO 電池 h=21.1%

　　5.高效晶體硅太陽能電池-N型晶體硅電池

　　N型硅襯底的優點：N型硅(n-Si)相對于P型硅來說，由于對金屬雜質和許多非金屬缺陷不敏感，或者說具有很好的忍耐性能，故其少數載流子具有較長而且穩定的擴散長度。

　　目前只有Sunpower和sanyo兩家企業N型Si襯底生產高效太陽能電池做得較好。英利“熊貓”N型單晶硅高效電池項目填補了國內N型電池技術的空白。

　　如何在N型硅襯底上實現PN結：硼擴散制結、非晶硅/晶硅異質結以及Al擴散制結三種基本方法。

　　硼擴散制結需要高溫，高溫是太陽能電池制備工藝最忌諱的!

　　HIT電池只有Sanyo做得較好，沒有推廣。

　　Al推進制結目前受到普遍關注，因其價格低廉而又容易實現。具體工藝參數信息見附圖，對專業人士很有參考價值。

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　　晶硅太陽能電池轉換效率

　　1.硅太陽能電池的轉換效率損失機理

　　太陽能電池轉換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。對于單晶硅硅太陽能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉換效率的理論最高值是28%。只有盡量減少損失才能開發出效率足夠高的太陽能電池。

　　影響晶體硅太陽能電池轉換效率的原因主要來自兩個方面，如圖1所示：

　　(1)光學損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。

　　(2)電學損失，它包括半導體表面及體內的光生載流子復合、半導體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導體的接觸電阻等的損失。這其中最關鍵的是降低光生載流子的復合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復合主要是由于高濃度的擴散層在前表面引入大量的復合中心。此外，當少數載流子的擴散長度與硅片的厚度相當或超過硅片厚度時，背表面的復合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。

　　圖1： 普通太陽能電池多種損失機制

　　2.提高晶硅太陽能電池轉換效率的方法

　　(1) 光陷阱結構。一般高效單晶硅電池采用化學腐蝕制絨技術，制得絨面的反射率可達到10%以下。目前較為先進的制絨技術是反應等離子蝕刻技術(RIE)，該技術的優點是和晶硅的晶向無關，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過程中，F自由基對硅進行化學蝕刻形成可揮發的SiF4，O自由基形成SixOyFz對側墻進行鈍化處理，形成絨面結構。目前韓國周星公司應用該技術的設備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。

　　(2) 減反射膜。它的基本原理是位于介質和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產生的各級反射相互間進行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2%左右。

　　(3) 鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區域的復合。一般高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴散進行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復合。原子氫鈍化是因為硅的表面有大量的懸掛鍵，這些懸掛鍵是載流子的有效復合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復合。

　　(4) 增加背場：如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結構，在P+/P的界面就產生了一個由P區指向P+的內建電場。由于內建電場所分離出的光生載流子的積累，形成一個以P+端為正，P端為負的光生電壓，這個光生電壓與電池結構本身的PN結兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高。

　　(5) 改善襯底材料：選用優質硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結后硼氧反應小、電導率好、飽和電流低等。

　　3.高效晶體硅太陽能電池-PERL電池

　　PESC、PERC、PERL電池是新南威爾士大學研究了近20年的先進電池系列，前兩個子母PE(Passivated Emitter)代表前表面的鈍化(選擇性擴散)，后兩個子母代表后表面的擴散和接觸情況。其中PERL衍生了南京中電的SE電池與尚德的PLUTO電池。

　　PESC(鈍化發射極背接觸)電池1985年問世，可以做到大于83%的填充因子和20.8%(AM1.5)的效率。

　　PERC(鈍化發射極背場點接觸)電池，用背面點接觸來代替 PESC電池的整個背面鋁合金接觸，這種電池達到了大約700mV的開路電壓和22.3%的效率。

　　PERL(鈍化發射極背部局域擴散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發射極、背面定域擴散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學的J.ZHAO在PERC電池結構和工藝的基礎上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴散制備出PERL電池，如圖所示。2001年，PERL電池效率達到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。

　　圖2：新南威爾士大學PERL電池 h=24.7%

　　4.高效晶體硅太陽能電池-HIT電池

　　HIT 電池是異質結( hetero-junction with intrinsic thin-layer ， HIT) 太陽能電池的簡稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業化的高效電池設計和制造方法，電池制作過程大致如下：利用PECVD在表面織構化后的N型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H層，然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層;利用濺射技術在電池的兩面沉積透明氧化物導電薄膜(TCO)，用絲網印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200 ℃的條件下進行，這對保證電池的優異性能和節省能耗具有重要的意義。

　　HIT電池具有高效的原理是：

　　(1)全部制作工藝都是在低溫下完成，有效地保護載流子壽命;

　　(2)雙面制結，可以充分利用背面光線;

　　(3)表面的非晶硅層對光線有非常好的吸收特性;

　　(4)采用的n型硅片其載流子壽命很大，遠大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴散穿過襯底被電極收集;

　　(5)織構化的硅片對太陽光的反射降低;

　　(6)利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產生的原子氫對其界面進行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。

　　2009年5月，這種電池的量產效率達到了19.5%，單元轉化效率達到23%。

　　HIT電池的工藝流程是：

　　硅片-》清洗-》制絨-》正面沉積-》背面沉積-》TCO濺射沉積-》絲網印刷Ag電極-》測試

　　這種電池具有結特性優秀、溫度系數低、生產成本低廉和轉換效率高等優點，所以在光伏市場上受到青睞，商業化生產速度發展很快，僅僅兩三年時間，產品已占整個光伏市場的5%

　　圖 3：三洋公司 HIT電池 h=23%

　　5.高效晶體硅太陽能電池-IBC電池

　　IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽能電池的簡稱。由Sunpower公司開發的高效電池，其特點是正面無柵狀電極，正負極交叉排列在背后。利用點接觸(Point-contact cell，PCC)及絲網印刷技術。

　　這種把正面金屬柵極去掉的電池結構有很多優點：

　　(1)減少正面遮光損失，相當于增加了有效半導體面積;

　　(2)組件裝配成本降低;

　　(3)外觀好。

　　由于光生載流子需要穿透整個電池，被電池背表面的PN節所收集，故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片，一般采用N型FZ單晶硅作為襯底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復合膜與N+層結合作為前表面電場，并制成絨面結構以抗反射。背面利用擴散法做成P+和N+交錯間隔的交叉式接面，并通過氧化硅上開金屬接觸孔，實現電極與發射區或基區的接觸。交叉排布的發射區與基區電極幾乎覆蓋了背表面的大部分，十分有利于電流的引出， 結構見圖。

　　圖 4：Sunpower公司 IBC 電池 h=22.3%

　　這種背電極的設計實現了電池正面“零遮擋”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復雜，工藝中的難點包括P+擴散、金屬電極下重擴散以及激光燒結等。2009年7月SunPower公司上市了轉換效率為19.3%的太陽能電池模塊。

　　IBC電池的工藝流程大致如下：

　　清洗-》制絨-》擴散N+-》絲印刻蝕光阻-》刻蝕P擴散區-》擴散P+-》減反射鍍膜-》熱氧化-》絲印電極-》燒結-》激光燒結。