太阳能电池行业技术比较与分析

1、太阳能电池行业技术比较与分析1.1 不同类别太阳能电池制造技术现状 太阳能光 -电转换主要采用太阳能电池来实现。按照大类划 分，目前太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两大 类。晶体硅太阳能电池的转换效率较高，原材料来源简单，是光 伏电池的主流产品，在全球前 10 大太阳能电池生产商中， 有 9 家是以生产晶体硅太阳能电池为主的。尽管晶硅太阳能 电池技术相对市场占有率有下降趋势，但总体上多晶硅太阳 能电池在以年增长率 40%-50% 的速度发展， 未来市场相当可 观。预计未来 10 年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄 膜电池的发展等原因而下降，但主导地位仍不会根本改变。 薄膜电池近年来发展

2、较快。和晶体硅电池相比，薄膜电池制 作成本、 能耗均低于晶体硅电池。 同时， 薄膜电池透光性好， 对于光伏建筑一体化等领域更加实用。无论是对哪种太阳能电池技术的发展，主要都是解决以下几 个问题：首先是上游原材料加工成本和能耗；其次是提高光 电转换效率；最后是运用到光伏产业中的寿命和维护成本， 简单概括就是： 高效率、 长寿命、 高可靠、 低成本和零污染。 不同类别的太阳能电池技术发展也是围绕这几个目的的。1.1.1 晶体硅电池技术现状 晶体硅太阳能电池的发展可划分为三个阶段，每一阶段效率 的提升都是因为新技术的引入。 1954 年贝尔实验室 Chapin 等人开发出效率为 6%的单晶硅太阳能电

3、池到 1960 年为第一 发展阶段，导致效率提升的主要技术是硅材料的制备工艺日 趋完善、硅材料的质量不断提高使得电池效率稳步上升，这 一期间电池效率在 15%。 1972 年到 1985 年是第二个发展阶 段，背电场电池（BSF）技术、 浅结”结构、绒面技术、密 栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到 17%，电 池成本大幅度下降。 1985 年后是电池发展的第三阶段， 光伏 科学家探索了各种各样的电池新技术、金属化材料和结构来 改进电池性能提高其光电转换效率： 表面与体钝化技术、 Al/P 吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。许多 新结构新技术的电池在此阶段相继出现，如效率

4、达 24.4%钝 化发射极和背面点接触（PERL ）电池。目前相当多的技术、 材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生 产当中来。1.1.1.1 表面织构 减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工 艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技 术，工艺门槛低、 产量大； 但绒面质量不易控制、 不良率高， 且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型生产方 式。反应离子刻蚀技术（ RIE ）是最有发展前景的技术，它 首先在硅片表面形成一层 MASK （掩膜）再显影出表面织构 模型，然后再利用反应离子刻蚀方法制备表

5、面织构。用这种 方法制备出的减反射绒面非常完美，表面反射率最低可降至 0.4，单多晶技术统一，生产工艺与设备都可移植于IC 工业，如果生产成本能够进一步降低可望取代化学腐蚀方法而 大规模使用。京瓷产业化 17.2%17.7% 的多晶硅电池就是采 用等离子刻蚀工艺的一个成功典范。1.1.1.2 发射区扩散PN 结特性决定了太阳能电池的性能。传统工艺对太阳能电 池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能 力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩 散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、 “死层 ”明显、电池短 波响应差。 PN 结技术是国际一流电池制造企业与国内电池 企业的主要技术

6、差距。为了在提高电池的填充因子的同时避 免表面 “死层 ”，选择性扩散发射极电池技术是最有望获得产 业化生产的低成本革命性高效电池技术，其技术原理简单且 通过现有装备已经在实验室实现，但如何降低制造成本是该 技术产业化过程中所面临的主要挑战。目前国内某些大公司 对外宣传的超过 17.6%以上的高效电池其技术核心均来源于 此，相信随着配套装备与辅助材料的及时解决近二年内将会迅速普及与推广。在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前 主流生产技术，其特点是产量大、工艺成熟操作简单。随着 电池向大尺寸、超薄化方向发展以及低的表面杂质浓度（表 面方块电阻80120Q/口、均匀性3%以内），减压

7、扩散技 术（LYDOP ）优势非常明显，工艺中低的杂质源饱和蒸汽压、 提高了杂质的分子自由程，它对 156 尺寸的硅片每批次产量 400 片的情况下其扩散均匀性仍优于 3%，是高品质扩散的 首选与环境友好型的生产方式。链式扩散设备不仅适应 Inline 自动化生产方式，而且处理硅片尺寸几乎不受限制、 碎片率大大降低而迅速受到重视，其工艺有喷涂磷酸水溶液 扩散与丝网印刷磷浆料扩散二种。 在链式扩散技术上， BTU 、 SCHMID 以及中电集团第 48 所均已有长时间的研究及工业 化应用，只要能在扩散质量上获得突破其一定会取代目前管 式扩散成为主流生产装备与技术。1.1.1.3 去边技术产业化的

8、周边 PN 结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法 技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不 仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角 等不良率上升。激光开槽隔离技术根据 PN 结深度而在硅片 边缘开一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况 来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待 进一步研究。目前行业出现的另外一种技术 化学腐蚀去 边与背面腐蚀抛光技术集刻蚀与去 PSG 一体，背面绒面的抛 光极大降低了入射光的透射损失、提高电池红光响应。该方 法工艺简单、易于实现 inline 自动化生产，不存在 “钻刻 ”与 刻蚀不均匀现象，工艺相对稳定，因此尽管配

9、套设备昂贵但 仍引起业内广泛关注。1.1.1.4 表面减反射膜生长技术早期采用 TiO2 膜或 MgF 2/ZnS 混合膜以增加对入射光的吸 收，但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层1020umSiO2 使硅片表面非晶化、且对多晶效果不理想。SixNy 膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制 Ag 的扩 散速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调节，而且致 密的 SixNy 膜层是有害杂质良好的阻挡层。同时生成的氢原 子对硅片具有表面钝化与体钝化的双重作用，可以很好地修 复硅中的位错、表面悬挂键，提高了硅片中载流子的迁移率 因而迅速成为高效电池生产的主流技术。 双层 SiN 减反射膜， 通

10、过控制各膜层中硅的富集率实现了5.5%的反射率； 而另一种 SiN 与 SiO 混合膜， 其反射率更是低至 4.4% ，目前广泛采 用的单层 SiN 膜减反射率最优为 10.4%。在电池背面生长一层 10 30nmSiN 膜以期最大限度对电池 进行钝化与缺陷的修复从而提高电池的效率是目前的一个 热点课题，由于该技术牵涉到与后面的丝网印刷技术、电极 浆料技术及烧结工艺的配合目前尚处于实验研究阶段，但它 肯定是今后的一个发展趋势。匹配封装材料对光谱的折射率定制减反射膜以获得最佳的 实际使用效果是光伏企业技术实力的体现。如何减少电磁波 对电池表面 PN 结辐射损伤以及损伤的有效修复是该工艺的 核心技

11、术，处理不好往往导致电池效率一致性较差。装备方 面有连续式间接 HF-PECVD 、管式直接 LF-PECVD 。1.1.1.5 丝网印刷与金属浆料技术 丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术， 其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。电极 浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术 向产业化转换的关键。根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩 散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料 已经成为国际一流光伏企业领先同行的一个有力武器：如掺 P 的正银浆料实现低成本的选择性发射极技术；向浆料中添 加添加剂实现80100um细栅技术；配合超薄片的低翘曲背 铝浆料等等

12、。硅片厚度不断减薄、电池面积不断增大，如何 降低碎片率与电池片的翘曲度成为设备制造厂商与电池制 造企业共同关注的焦点问题。设备方面已经出现能适应120um 厚度硅片的全自动印刷设备。1.1.1.6 晶体硅太阳能电池技术中存在的问题 工艺方面：尽管晶体硅太阳能电池制造是一个短工艺生产流 程，光伏技术与检测手段也有了长足的发展，但太阳能电池 工艺还不能处于完全受控的状态。我们无法从电池的不合理 电参数来准确判断问题具体所在，对每一工序质量也还没有 完全行之有效的检测方法与手段，在线检测技术远落后于工 艺技术的发展。设备方面：目前国内外各制造厂商设备缺乏统一接口标准， 导致上下道工序之间无法有效衔接

13、，导致较大的时间与资源 浪费，物化新工艺的装备滞后于市场的发展。原材料方面：原材料市场特别是硅片质量良莠不齐，许多企 业缺乏自律性，导致我国光伏产品质量不稳定，行业缺乏统 一权威标准与准入制度。1.1.2 薄膜电池技术现状 薄膜电池，常常被称作第二代光伏电池，包括了许多不同的 技术。不同的薄膜电池主要区别在： （1）光吸收材料； （2） 薄膜电池组件的基板是刚性还是柔性。目前发展的不同薄膜 电池技术都有一个共同点，都大幅降低了光吸收材料的用 量。薄膜电池使用不到 1%的生产硅片电池的原材料，这显 著降低了生产成本。薄膜电池的缺点是其转换效率比晶硅电池低很多。目前主流的薄膜电池主要包括：非晶硅电

14、池 （a-Si）、 CdTe 电池和 CIS/CIGS 电池。 薄膜电池行业处于发展初期， 但未来市场空间巨大， 在 BIPV 等应用需求推动下将迅猛发展。 此外，随着技术的快速发展， 薄膜太阳能电池成本快速下降，有望先于晶体硅电池实现平 价上网。下面将分别讨论三种不同薄膜太阳能电池的技术现状。1.1.2.1 非晶硅电池 非晶硅电池是目前发展的主流的薄膜电池技术。非晶硅材料 的原子排列无序，没有形成晶体结构，包含大量的结构性和 连接缺点。由于其结构不均一，晶带宽度为 1.11.7eV ，因 此非晶硅在光谱的可见区，比晶体硅有更高的光学吸收系 数，可以有更薄的结构，甚至可以低于 1 微米。 电池元件