PERC电池技术产业化进展
发布时间:2015-04-10    编辑:jinrui   
本文摘要:中电电气(南京)光伏有限公司 首席技术官
中电电气(南京)光伏有限公司 首席技术官 赵建华博士
 
  PERC电池是在1989年做出来的,达到了22.3%的效率。后来我们研发了背面点扩散的PERL太阳能电池,很快就达到了25%的效率。在以后的时间里,PERC电池就被放到了一边。但是过了20多年,现在人们发现当电池的效率接近20%,想要再提高效率就得用PERC或PERL这样的高效电池技术了。而且PERC工艺简单,成本较低,与现有电池生产线兼容性高,易于改造旧产线。所以现在PERC技术又被重新提到批量研发和生产的日程上来。中电光伏也就开始了这个项目的研发。
 
  中电光伏这个项目是科技部支持的863项目,来做一个超过20%以上的高效PERC电池,另外还有要达到35MW高效(大于20%)单晶硅太阳电池示范线的要求。关于PERC电池我们采用了两种制作路线,技术路线1是二氧化硅来做背面钝化,后面再做氮氧化硅,在背面开孔后制作金属点接触。技术路线2是引进了ALD(原子层淀积)三氧化二铝的技术,这样可以改善背面钝化的效果。现在生产是在用这个技术,实际上从2008年起中电光伏公司就开始做PERC类电池研究,我们开始做研发以后,想把原来高效的技术直接应用过来。但那个时候由于材料、我想主要还是铝浆,另外开孔的技术也都存在很大的局限。所以这个项目做的时间较长。最近拿到了科技部的863科研课题后,这个项目才真正得到了迅速的推进。现在的结果是二氧化硅钝化太阳能电池达到了20.52%,平均的效率是20%。但是这种方法做生产,跟目前的生产工艺流程不太兼容。所以引进了三氧化二铝工艺,改进了钝化。我们现在做的PERC效率达到20.76%,平均的效率是20.3%。
 
  这个是两个方法的流程。左边是二氧化硅的方法,流程比较繁杂,右边是三氧化二铝。因为三氧化二铝的ALD方法是单面的。所以这个方法也更适合于电池的工艺流程。PERC这样高效的电池用背面抛光比较好。这符合我们在澳洲很早就研究过的陷光效应。而且背面是平面的时候,这个陷光效应的效果会更好,短路电流会更高。另外就是它的背面钝化也会有所改善。背面抛光有两种方法,一种是用碱的背面抛光,像左边这个图。还有是用酸溶液的抛光。碱溶液抛光还分有有机碱和无机碱,这几种我们都试过。但是,碱的抛光比较复杂。因此在生产中我们还是选择用酸抛光,这个工艺流程更顺畅一些。
 
  现在在高效电池中,一个非常重要的参数,就是载流子寿命。我们在这方面,钝化以后,三氧化二铝的寿命也是比较满意的,能达到六、七百微秒的载流子寿命。做了背面钝化以后,我们用激光开孔,印刷背铝,然后烧结做成电池。首先的一个要求,就是在电池制造以后,钝化膜要保持钝化效果。这就看寿命是否还好。再一个就是看它会不会漏电。我们从EL发现,对于没有开孔这样的钝化层,烧结以后还是基本上能够保证它很少有短路的地方。当然个别短路的地方,在PERC电池里面不是什么问题,因为PERC很多点是要求它短路的,但是这些额外的短路点不能太多。
 
  中电光伏公司在早期的研发中,就采用以腐蚀浆料来开背孔的方法。但是从这些图上我们可以看到,用腐蚀浆料开的孔比较宽100-200微米。而后来的激光技术开的孔更细,一般是在100微米到七八十微米这样的尺寸,再细了对电池也不利。再一个就是浆料开孔它的边缘是缓变的,那么对于接触的形成还是有一些影响。但是浆料开孔的一个优越性,就是接触孔比较干净,没有表面损伤。在这一方面激光是达不到的。
 
  另外我们发现,开孔的宽窄对于背面的接触也是有一定影响的。这个是腐蚀掉的背面铝后看到的背面的情况。开孔变成一个腐蚀槽,槽太宽就会形成边缘的两道深沟-就是缺陷集中的地方。当这个槽窄到100微米左右的时候,槽底下就比较平整,这样最好。现在采用了激光开孔,有很多种激光器可以选择。比如说可以用左边的纳米激光,但是纳米激光的频率比较低,所以形成的点子连起来是比较困难的,加工时间比较长。用P秒的激光可以做的更加的均匀。另外,纳秒激光可以看到表面的损伤是比较厉害的,P秒激光基本上把钝化膜打穿了以后,对硅的损伤是很小的。但是,从成本上来讲的话,P秒激光器的成本会高很多。再一个就是孔的边缘。纳米激光的边缘比较模糊。P秒边缘比较干净。这样对PERC电池实际上是影响很大的。就像我们刚才讲的印刷浆料腐蚀的话,也是边缘模糊,这样对电池的性能影响很大。在国外也有很多各种激光器的研究,有的是用扁激光斑,也有的用条形激光斑,也有用方形激光斑的。举个例子来说,方形激光斑,它就把一个框一个框的边靠边的这样做过去,这样的话整个开孔的范围内,激光的能量是非常均匀的。从性能来看,它的性能也是相当好的。这些都是PERC太阳能电池在国外的一些研究结果,德国ISFH研究室,以及另外几家公司的结果。
 
  在PERC电池研究中遇到较多的一个问题,就是在铝的烧结以后,接触孔的下面就会形成一些空洞,这是在烧结过程中铝和硅共熔造成的。共熔以后,在凝固的过程中,硅会跑到溶液里面去,就形成一个空洞,这个空洞就使得硅和共熔体分开了,从而形成一个比较大的电阻。后来我们通过浆料的改进,通过其它一些工艺上的调节,基本上排除了空洞。另外早先的PERC电池,我们是用(光刻)形成的接触点,当时的烧结温度也很低,没有真正形成铝-硅共熔。那个时候PERC的性能达到了22.3%。现在因为铝硅共熔以后,熔化了的硅会顺着铝浆往两边跑。你要做成圆形孔的话,它就往四边跑了,就会更容易形成空洞,所以点状孔是不太合适的,做成线条比点要好很多。所以现在大家做的PERC绝大部分是线条状的。从我们现在做的一个电池可以看到,共熔体的填充相当饱满了。再一个检查背面钝化层质量的很简单的方法,就是用(EL)来看这个电池是不是均匀。如果要是有接触不到的地方,这个地方就会电流不通,EL发光就会变得明暗不均。我们可以看到这个电池,在EL图像还是相当均匀的。PERC主要是做了背面的钝化以后,提高了寿命,从而对长波相应有很大帮助。再一个就是通过测量电池的光谱响应来看它的陷光效应。常规铝背场电池(QS)的背面铝界面是很粗糙的,红光穿过硅片以后,在背铝层就被吸收了,不会被反射回硅片内。现在有这么一个介质层,把铝跟硅隔开以后,形成一个镜面,这样会形成很强的内反射。我们可以看到PERC电池的长波响应是提高的。短波基本没有变化。
 
  我们早先在FraunhoferISE测过几个标准PERC电池,当时测试的结果是20.26%,现在生产的数据基本上跟据这个标准电池进行测量的。所以这个是相当准确的。我们现在可以看到PERC电池采用三氧化二铝钝化的,可以看到钝化效果是相当不错的,得到了664毫伏的开路电压,短路电流也很高。实验室的电压稍微低一点。但是可以看到,即使这个电池也比我们普通的电池的电压高了很多。从而我们在PERC电池达到20%以上的效率。为了产品目的,我们测试了PERC电池的背铝在层压以后的(铝背场)的拉力,这个也是没有问题的。
 
  批量生产的时候,这是PERC电池的性能结果,平均效率是20.3%。后面的一些是我们在线上的设备,这些都是用的常规的设备。我们还引进了一些专用的设备。激光开孔,还有ALD三氧化二铝镀膜,这些都是批量生产设备。比如说三氧化二铝的设备,原来厂家提供的生产的产量是不能满足我们要求的。跟设备制造商做了很多协商以后,把这个设备改进到可以完全满足我们量产的要求。三氧化二铝有很多是单片做的,这个机子,我们是采用舟载的方法。
 
  现在除了PERC电池,大家都在研究的各种高效电池。如:IBC电池、HIT和其它N型的电池。但是我觉得PERC电池还是很有优势的。比如说用掺镓的材料,MCZ材料,可以达到很高的寿命,就可以用来做很高效率的电池。现在做PERC,实际上做PERL电池也是很有希望的。我们一个韩国同学已经在韩国做了一些实验,往PERL方向发展,得到了676毫伏的开路电压。开路电压这一参数能体现电池内在总复合率,能获得这么高的电压,说明它具有很大的潜力,可能达到很高的转换效率。所以我觉得以后应该是进一步的往PERL电池方向发展。我的报告就到这里,谢谢。

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