电池技术.docx

晶体硅电池可工业化技术前瞻一近来传统晶体硅太阳能电池的技术开发水平大幅度提升，出现如STP的PLUTO电池，英利的PANDA电池，CSUN的SE电池，JA利用硅墨形成SE等已工业化技术。这些技术各有其优劣。这里不做详细评论，下面将探讨除上述电池结构外可工业化的电池结构或技术（资料来源于网络及文献）。根据各国太阳能电池开发实验室及部分企业的研究成果，有如下几种技术具有潜在的发展：1.德国ISE的LFC（laser fired contact）PERC cells，该电池制作利用Nd：YAG激光烧蚀沉积在氧化硅或者氮化硅上面的薄膜铝金属，实现低串联电阻的欧姆接触。由于背面电池采用了点接触的结构，金属复合大幅度减少，背面电池的钝化性能大幅度增加。该技术解决了传统电池背面复合高的缺陷。利用这种技术在P型衬底上，该机构获得了21.6%的转换效率。下图一显示了其典型的电池结构及不同基底材料LFC电池典型的I-V参数。图一：ISE典型的LFC电池结构表一：不同基底材料LFC电池的典型特点：结合激光技术，金属成膜技术，衬底要求低，易推广，可实现高效电池的批量制作I-V参数。2.背接触电池，该电池工艺利用光刻或精密丝网印刷技术，结合分区扩散工艺，实现电池背面PN结的形成。该电池背面金属电极呈手指形状，也有人称其为IBC电池，焊接位置位于边缘的6个接触点上。但是，由于该技术需要使用电镀工艺（Ni+Cu+Ag/Sn），该工艺技术的实现需要很强的技术势力。目前通过工艺的不断优化，在2010年SUNPOWER获得24.2%的最高工业化电池转换效率，刷新了工业化电池的效率记录。下图二显示了其典型的电池结构：图二：典型的背接触电池结构表二：Sunpower电池某一天产线典型的效率分布图 （实心柱状图）及对应A300的效率分布（空心柱状图）特点：电池高效，唯一已工艺化的背接触电池，外观美观，尤其是组件外观，零衰减。原材料的特殊需求（高寿命的N型硅片），成本（复杂的工艺）。3.SANYO的HIT电池，该电池工艺同样采用在N型硅片衬底上利用异质结技术实现高效电池的制作。该电池采用非晶硅钝化发射结和薄发射结的技术，实现高VOC电池的制作（747mV的Voc：2010年西班牙PVSEC上展示的最新成果），近来获得了22.8%的电池光转换效率。由于采用了非晶硅钝化技术和薄发射结技术，其技术对设备的要求苛刻。该公司目前已经在不同国家转让其技术和设备，据说设备成本非常昂贵。下图三，四分别显示了其典型的电池结构及AIST2009年的测试结果。图三：典型的HIT电池结构图四：2009年7月日本AIST测试的最高HIT电池I-V参数特点：电池高效，唯一工业化的利用非晶硅钝化的异质结电池；可做双面电池结构，做BIPV应用的话，组件外观漂亮，电池零衰减。由于非晶硅特点，需要研究其长期稳定性。实际的薄膜工艺控制是难点。4.正面结N型电池（Fraunhofer ISE）：该电池工艺采用新的表面钝化技术（Al2O3）在N型硅片衬底上实现高效电池的制作。该电池采用Al2O3钝化发射结技术，实现23.9%效率电池的制作。由于采用了Al2O3钝化技术，该技术的导入引起业内Al2O3钝化技术的井喷式发展（工艺研究和设备制作）。现在研究有成型的设备，如R&R，BENQ等。下图五显示了其典型的电池结构：图五：典型的正面结N型电池结构表三：2010年正面结N型电池的最高效率电池的I-V参数特点：高效，比背接触电池具有低的技术要求及可能的成本优势，不足之处是正电极要进行金属蒸镀。如果利用丝网印刷技术的话，其技术应用前景广阔。5.EWT/MWT技术，该电池结构设计源于Sunpower的背接触电池，利用激光技术将硅进行钻孔（laser drilling）处理，然后进行腐蚀去损伤层处理。由于在工艺工程中需要采用分区扩散的掩膜技术，注定其工艺成本较高。利用这种技术，在P型多晶硅衬底上，已获得了18.8%的转换效率。下图六显示了其典型的电池结构。图六：典型的EWT/MWT电池结构特点1：目前最高效的多晶体电池制作工艺，结合电池封装工艺，可以实现非常小的power loss。难点要关注起激光的选择，激光打孔工艺的优化及金属浆料的选择。此外，由日本三菱公司开发的多晶硅电池在2010年也获得了19.1%的多晶最高效率。但是由于其使用RIE技术，激光打孔技术，其成本昂贵。下图七仅简单显示其电池结构。图七：日本三菱公司开发的高效多晶电池结构晶体硅电池可工业化技术前瞻二随着2008年中电光伏的SE电池的成功量产，打开了高效实验室产品工业化的闸门。SE工艺作为实现高效电池制作的必要工艺之一，越来越引起各晶体硅太阳能电池制作商和设备商的关注。不管是晶奥的高效率晶体硅电池还是比利时IMEC的i-PERC高效电池，都成功利用了SE技术。下面将详细讨论SE工艺可能实现工艺路径及相关设备（资料来源于网络及文献）。根据各大设备和电池制作公司网络、展会及专业杂志发布的消息，有如下几种SE工艺技术：1、激光开槽技术（Laser grooved buried contacted solar cells，LGBC），该技术源于新南威尔士大学（UNSW）开发的技术，而BP公司是最早利用激光技术在晶体硅电池制作中实现SE技术工业化的公司，其产品命名为Saturn。该产品利用先进的激光技术实现细而窄的金属栅线接触区，结合电镀工艺实现了高效电池的制作。图1显示该技术与普通晶体硅电池制作技术的异同。图1：UNSW和BP公司普遍采用的LGBC工艺与普通晶硅电池制作工艺流程特点：结合激光技术、二次扩散技术和电镀技术，实现了高效率产品的研制；需要考虑激光损伤层、电池制作成本及电镀金属的可靠性；是最早的工业化高效电池。2、激光掺杂技术（Laser doping selective emitter，LDSE），该技术是在原LGBC基础上衍生出来的、可实现SE电池制作的技术。目前使用该技术的厂家有Suntech、Manz和云南天达等公司。图2显示了利用激光技术实现SE电池的制作的多种工艺途径：图2：各种激光掺杂技术（图片来源于杂志）（1）“干”激光处理工艺典型的技术工艺核心就是各激光公司采用的激光辐照含磷薄膜或PSG薄膜。一般使用激光主要在绿光和红光，波长各为532nm和1064nm，也有公司采用紫外激光光源。这几种激光对电池制作的主要区别是产生热影响层程度不同。下图显示了J.R.Kohler在2009年Hamburg报告的研究结果，他利用激光技术，将硅片扩散后形成的PSG层作为杂质源进行掺杂处理，实现了SE电池的制作。实验对比结果显示SE电池比普通电池有0.5%效率的提升。此外，国内著名的上市公司STP制作的Pluto电池就是利用激光掺杂工艺，结合电镀工艺实现了高效电池的制作。在2009年官方消息发布了经德国Fraunhofer的太阳能系统研究所认证过的电池效率结果，单晶硅太阳能电池的转换效率达到18.8%，多晶硅电池达到17.2%。（2）“湿”激光处理工艺，该技术目前主要是由湿制程设备制造商RENA联合一家激光公司共同开发的技术。该技术的主要特点是利用含磷化学溶液对激光进行导向，并利用激光进行介质层烧蚀并形成重掺杂区，随后利用RENA公司的InCellPlate自调性电镀工艺（Ni/Ag或Ni/Cu/Ag）实现金属电极的制作。利用该技术可以获得比普通电池高0.5%效率的电池。特点：该技术暂无在企业界规模化使用的案例，是否有如此高的效率提升值得考究；技术优势明显，但成本及产品的可靠性需要进一步考量。图4：典型的“湿”激光SE电池制作工艺3、Etchingback技术，该技术利用腐蚀浆料将非掩膜区域进行刻蚀实现淡扩散区域的制备，具体工艺路线见图5。该图显示了Sch-mid公司如何利用Inkjet技术涂覆石蜡来保护实现金属接触的区域，如何对非接触区域利用化学溶液腐蚀和实现“浅”发射结的制备。据说业内已经有多名厂家在使用该成套设备，而且获得了单晶18.5%左右的效率。图5：典型的Etchingback技术（Schmid公司典型的工艺路线图）特点：该工艺单多晶电池兼容，但石蜡的去除、原始方块电阻及结深的控制是技术难点；同时如何实现均匀腐蚀也是需要关注的地方，即刻蚀后电池的方块电阻的均匀性及批次的重复性。4、硅墨水技术（Silicon Ink），该技术利用工业化的Inkjet设备将Innovolight公司开发的掺杂硅墨水印刷在与金属将要接触的区域，然后在高温炉进行一次扩散形成淡磷扩散分区。图6：典型的Silicon Ink技术目前JA公司已经规模化使用该技术，而SOLARFUN、YINGLI等公司已经与Innovolight达成共识，开始制备规模化推广该技术。据最新报道，Innovalight公司最近将该产品的效率提升到19%以上，并计划年底实现20%的水平。鉴于此，晶澳太阳能控股国内公司与Innovalight公司签署的一项联合开发协议，这表明Innovalight公司准备将JA公司近期推出的SE-CIUM高效太阳能电池的转换率提高至20%以上。特点：该技术工艺简单，只需增加一台印刷机，就可实现效率的大幅度提升，在现有工艺设备基础上也容易升级；难点是如何保证该硅墨物料的充分供应及产品的稳定性。同时，硅墨的成本也需要考虑，一般纳米材料的价格都不菲。5、CT公司SE工艺，CT公司采用了一种叫“一次扩散”的工艺，利用薄介质层做掩膜，将与电极接触的区域进行去掩膜处理，然后在扩散炉中，利用掩膜层对POCL3的局部阻挡效应，在电极区形成重掺杂区，在掩膜区形成轻掺杂区。图8：CT公司典型的SE工艺流程图8显示了CT公司典型的SE工艺流程，该工艺流程较简单。据文献报道，该工艺已经获得了18.3%左右的电池转换效率。详细的I-V参数见表3。表3：CT公司SE电池最新测算结果（B+L）特点：该电池工艺采用一次扩撒工艺，工艺简单，但是需要解决介质层的均匀性问题，以及如何匹配浓扩与淡扩散的关系，优化浓扩区开孔的尺寸。此外，作为SE开发的先驱者，中电光伏公司开发的SE电池至2008年量产以来，获得了广大客户的赞誉。该公司开发的SE电池使用多次扩散工艺，已经获得了平均18%以上、最高18.6%的电池转换效率。特点：SE电池制作的成本及高温对电池效率的影响是该工艺的难点。晶体硅太阳电池正面栅线电极的制作关于晶体硅太阳能电池的正面电极外观图形，不同的生产厂家会有所不同，并且每一家也在不断的优化种，但改变的方向均为将栅线制作的越来越细、越来越高、数目越来越多。从2006年之前的120um到2010年的80um甚至有 .关于晶体硅太阳能电池的正面电极外观图形，不同的生产厂家会有所不同，并且每一家也在不断的优化种，但改变的方向均为将栅线制作的越来越细、越来越高、数目越来越多。从2006年之前的120um到2010年的80um甚至有的厂家达到了60um。随着副栅线宽度变的越来越窄，对于传统的丝网印刷和浆料来说制作难度也变的越来越大，暴露的问题包括断栅增多、结点、栅线边缘不平整等等，从而会导致电性能的不稳定及损失。而作为细栅线制作的潜在技术，Ink Jet Printing（IJP）和Aerosol Jet Printing（AJP）技术开始逐渐应用到太阳电池制作，下面将对这几种印刷方式进行简单的介绍和比较。一、 Ink Jet Printing、Aerosol Jet Printing技术的工业应用和基本原理1、IJP技术的工业应用和基本原理IJP技术已经被广泛应用在显示器件、生物科学等领域，如图1所示；其在生产、科研领域的应用也越来越广泛，如图2所示，主要的设备厂家包括Dimatix，OTB等。图1. Ink Jet Printing技术的应用图2. Ink Jet Printing技术主要应用领域IJP印刷的基本原理是将过滤后的墨水利用压电陶瓷的压电效应，使小墨水滴透过喷嘴喷射到器件表面，如图3所示。图3. Ink Jet Printing的印刷头的原理示意图2、Aerosol Jet Printing的工业应用和基本原理AJP广泛应用在集成电路和生命科学领域，如图4所示，主要的设备厂家如与Manz合作的Optomec等，其工作原理如图5所示，气流从入口将墨滴带到大腔室，其中大的墨滴在重力的作用下会被筛选掉重新回到原来的溶液，小墨滴在气流的吹动下进入喷嘴，在喷嘴处有两路气流夹着小液滴吹到器件表面形成图形，图形的宽度会大大小于喷嘴的宽度。图4. Aerosol Jet Printing的工业应用图5 Aerosol Jet Printing的工作原理二、Ink Jet Printing、Aerosol Jet Printing技术在太阳电池电极制作中的应用IJP和AJP应用到电极制作中的步骤如图6所示，由于所采用的墨水的价格相对昂贵，一般仅用其来做种子层如步骤2所示，通过IJP或AJP技术在氮化硅表面形成栅线较细的电极图形，经过烧结后该层与PN结形成良好的欧姆接触，然后通过电镀的方式增加电极的导电性，从而可以得到栅线宽度在40um左右的电极，如图所示。图6. IJP和AJP工艺中电极制作流程电镀前电镀后表1 AJP工艺应用在普通P型结构上的电性能在2008年AJP工艺应用在普通P型结构上已到达18.3%的效率，如表1所示。ISE研究机构在23-24届欧洲光伏会议上发表了利用AJP结合电镀工艺获得20.3%效率的电池（如下表）。此外，据报告国内有公司开始使用类似该细栅线工艺实现了更高效率电池的制作，具体信息不在此批露。三、Ink Jet Printing和Aerosol Jet Printing技术的比较目前，认为对于实现细栅线电极来说AJP的技术要好于IJP，主要体现在前者制作的电极更细更均匀，原因包括：a. AJP是连续出料方式，而IJP是间歇出料方式；b. AJP喷嘴的出料方向性强，而IJP的墨滴在滴落时方向具有随机性；c. AJP的墨水浓度更高，高宽比更大，如图8所示；d.AJP的线宽可以做到5-40 um，而IJP是远达不到的。图8. IJP与AJP比较另外，AJP的精度更高，可达1um，更有利于与SE工艺相匹配制作高效电池。AJP目前的开发方向包括：墨水的开发和工艺参数的优化，其中墨水的开发主要是提高种子层与PN结的接触性能以及减小墨水的颗粒度、增加种子层的均匀性，现在正在开发亚微米级的墨水以及与电镀工艺匹配性更好的墨水优化背接触式PV电池/模块设计的新方法本文介绍了一种用于优化背接触cSi太阳能电池和模块设计的新方法，该方法业已展现了性能上的优势，而且还将能够更加容易地针对未来的要求，更大和更薄的电池、更容易地实现生产工具产能的扩大等进行调整。晶体硅（cSi）太阳能电池和模块是光伏（PV）产业的基础，说它是推进PV产业发展的动力也未尝不可。从直觉上判断，也许晶体硅并不是预期的适合于光伏能量转换的理想材料。它具有一个间接带隙，这意味着它的光吸收能力相对较弱，因而需要采用厚（现今通常140m）基板来实现上佳的效率水平。由于此类基板的成本较高，因此促使人们大规模开展面向PV的薄膜半导体和其他材料系统的研发活动。然而，由于晶体硅也许是目前最为人所了解的PV工艺材料了，可以从电子行业借鉴大量的技术成果，从而导致cSi作为一种PV材料的领先地位和独特优势。结果是：晶体生成法被业界所广泛接受，而且掺杂物、杂质、晶体缺陷、吸气和钝化的作用和影响也都比较为世人所熟悉。同样，有关硅加工的知识和信息也非常丰富。例如：用于掺杂、退火、化学和物理汽相淀积、蚀刻、图形化和接触等众多生产工艺已可使用并日臻完善，包括形成了一个庞大的供应商群体。此外，晶体硅PV产品还凭借其可靠性和耐用性以及出众的能量转换效率而赢得了极佳的口碑。此外，晶体硅PV在连续降低成本方面创造了记录，而且，凭借其较高的效率，它将在这个规模庞大且技术多样化的产业中保持自身在市场上的强势地位。在2007年销售的PV产品当中，大约89%采用的都是晶体硅材料。正如本文下面重点阐述的那样，由于能够分享电子行业的大量技术成果，因而为运用晶体硅来实现新颖的太阳能技术改进提供了新一轮的发展良机。传统设计与基于技术架构的设计的比较当今的大多数cSi产品采用的是一种传统设计，30年前首度开发cSi PV电池和模块的工程师们对于这种设计是很熟悉的。在本文中，“传统”指的是在前表面、丝网印刷的Ag网格上具有一个n型扩散区，并在后表面上具有一个铝合金背面电场和触点的独立、p型硅晶圆片。前网格（front grid）具有一个众所周知的性能折衷，即需要在“减小串联电阻”和“降低光遮蔽损耗”两者之间进行权衡。总起来说，前网格的光学损耗和阻性损耗8%。有一点也许不太为人所了解，那就是存在于前表面和后表面上的触点会对模块工艺产生影响，导致性能和成本指标均有所下降。传统的太阳能电池“串”利用焊接加工来实现“电串联”，并使用特殊工具（串接机）与Cu排线串接起来。然而，这种带状线的截面积是有限度的较粗的线过于坚硬，而细、宽的带状线将遮蔽过多的光。最终结果是：互连线电阻损耗有可能导致性能再下降4%。串焊工艺（stringing process）本身在几何结构上是“非平面”的，难以实现自动化，因而限制了每个工具的生产率。另外，该工艺也很难和薄型电池一起使用，原因是最后制成的电池串联线很脆，极易损坏。尽管传统cSi PV技术在性能和成本方面将进一步改进，但为了获得实质性的改善，它将需要对电池和模块的基本架构做出改变。产品的更新换代免不了采用精细复杂的技术，且常常涉及到技术架构，元件、标准和接口均借助技术架构来协调，以实现最佳的系统性能。背接触电池（Back-contact cell）运用了一种新型晶体硅光伏架构，该架构在电池、模块、甚至系统级上都提供了优势。而且，第一代cSi PV技术利用的是电子行业的半导体加工能力，而下一代的cSi技术则将利用来自电子封装领域的相关原理和工艺。电池/模块设计的架构法架构法可同时解决电池和模块设计中的性能、可制造性和可扩缩性问题。这里的“可扩缩性”指的是调整基板（大小或厚度）、模块尺寸和功能以及制造规模（每个工具的生产率）的能力。最终的结果是：新型架构应能够更加容易地满足未来市场的要求。电子封装行业提供了一种能够更加容易地针对性能和成本来做相应调整的架构实例。最初的做法是将细导线焊接至半导体裸片上。这种工艺是连续的，且面向低效率的芯片设计，因为必需将所有的外部连接线都排布至半导体裸片的边缘。倒装片技术将键合点分布在整个半导体裸片上。这些键合点被涂覆了一种焊料，然后通过一个匹配电路把裸片排列成行，这样裸片在再流焊中将在所有的键合点上同时实现电连接。通过改变半导体裸片的基础几何结构以更好地与最终产品（封装电子元件）相匹配，倒装片工艺提供了性能、成本和尺寸扩缩方面的优势。传统太阳能电池的性能和制造局限性源自其采用的前面网格几何结构。背接触电池提供了一种旨在优化电池和模块设计的全新方法。背接触电池的互连线不再受光学损耗的约束。因此，可以使用宽而细的互连线，从而最大限度地减小了电阻和硬度（应力）。现在，负极性触点和正极性触点位于同一个表面上，所以如今的装配工艺其几何结构更具平面性，能够采用速度更快的“拾取-摆放”型工具。平面几何结构还将能够更好地与薄型电池相兼容，且便于缩小模块内部各电池之间的间隔。共平面触点也为实现一种全新的装配工艺创造了条件，在该工艺中，太阳能电池的互连在层压工序中进行。这种工艺需要一个具电路的模块太阳能电池背膜和一种在层压操作过程中进行键合的电连接材料（图1）。事实上，串焊工序和工具如今已被连续滚压工艺（用于制作带电子电路的太阳能电池背膜）所取代。由于该工艺将灌封和电子装配整合成单步工序，因此被称为单片式模块装配（monolithic module assembly，MMA）。Advent Solar公司推出了一种被称为“Ventura Technology”的集成背接触电池和模块架构。它把采用emitter-wrap-through（简称EWT）的背接触电池技术与一种高度自动化的平面制造工艺（MMA）组合起来。EWT电池是一种特别有利于采用太阳能级硅基板的背接触太阳能电池。在与MMA进行架构集成的过程中，对EWT电池所做的最重要的添加就是分布式接触点（图2）。这些分布式触点减小了太阳能电池中的电阻，并将昂贵太阳能电池镀金属（Ag）的使用量以及由此产生的应力减小到最低限度。这种电池/模块设计是采用架构集成所产生的结果类型一例快速地把电流从昂贵的太阳能电池镀金属转移至太阳能电池背膜电路中较便宜的金属将最大限度地降低成本，同时实现性能的最大化。利用这种新型几何结构生产出来的早期电池获得了超过17%的效率。更加重要的是，EWT与MMA的架构集成保持了成品模块中更多的电池功率。灌封损耗指的是模块功率与电池功率之比。对于那些采用传统电池的模块而言，该损耗项通常约为4%5%。运用这种新技术的早期生产模块其灌封损耗不到上述数值的1/2；各种生产和性能优势列于表1中。基于科学的可靠性方法MMA工艺涉及一种新的装配方法，该方法使用了一种新型电接触材料导电型胶粘剂。PV模块预期将实现25年的超长使用寿命。对于长寿命而言，导电型胶粘剂的灵活性可能是一种优势，而且它们已在某些特别苛刻的应用（比如：汽车电子）中得到使用。传统的模块技术经历了大量的加速环境应力测试和现场测试，从而使得大众对其可靠性有了信心。业界已经制定了加速测试的统一标准，旨在帮助确保一致且可靠的产品性能。虽然采用新型MMA工艺和设计的测试样品和全尺寸模块已经通过了IEC认证测试程序的所有主要部分（热循环、湿冻和湿热），但业界还是启动了一项更为细致的研究，以使人们对于其长期现场可靠性建立起更强的信心。采用新工艺和新材料的产品的认证可以利用基于科学的可靠性测试方法来加快进度（见图3）。传统上，可靠性测试需要用到大量的统计样本，以使加速测试与现场测试相关联。基于科学的方法运用了建模和仿真（以帮助确定性能特征）、特殊的测试结构（用于隔离不同的元件）、失效模式和机理的识别、预测可靠性模型的开发以及新型质量保证测试和程序的开发。目前正在进行中的工作包括MMA模块构造的详细有限元模型的开发、模