晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

1、晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望    作者:向小龍1肖文波2周勝浩1彭華3（1.浙江弘晨光伏能源有限公司諸暨311800；2.湖南開關(guān)有限責(zé)任公司長沙410009；3.深圳南玻光伏科技有限公司，深圳518067；）摘要：晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，實驗室的高效電池工藝技術(shù)也逐步運用于產(chǎn)業(yè)化大生產(chǎn)。本文介紹了目前產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中各工序的技術(shù)現(xiàn)狀、出現(xiàn)的新工藝、新技術(shù)及配套的新裝備與新材料，并對今后的發(fā)展做了簡單的評價與展望。關(guān)鍵詞：晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)作者:向小龍1 肖文波2 周勝浩1 彭 華3（1.浙江弘晨光伏能源有限公司 諸暨 3

2、11800；2.湖南開關(guān)有限責(zé)任公司 長沙 410009；3. 深圳南玻光伏科技有限公司，深圳518067；）  摘要：晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，實驗室的高效電池工藝技術(shù)也逐步運用于產(chǎn)業(yè)化大生產(chǎn)。本文介紹了目前產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中各工序的技術(shù)現(xiàn)狀、出現(xiàn)的新工藝、新技術(shù)及配套的新裝備與新材料，并對今后的發(fā)展做了簡單的評價與展望。關(guān)鍵詞：晶體硅太陽能電池    產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)    轉(zhuǎn)換效率0引言   “處處陽光處處電”人類這一美好的愿景隨著硅材料技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)裝備制造技術(shù)以及光伏電池關(guān)

3、鍵制造工藝技術(shù)的不斷獲得突破而離我們的現(xiàn)實生活越來越近！近20年來，光伏科學(xué)家與光伏電池制造工藝技術(shù)人員的研究成果已經(jīng)使太陽能光伏發(fā)電成本從最初的幾美元/KWh減少到低于25美分/KWh。而這一趨勢通過研發(fā)更新的工藝技術(shù)、開發(fā)更先進(jìn)的配套裝備、更廉價的光伏電子材料以及新型高效太陽能電池結(jié)構(gòu)，太陽能光伏（PV）發(fā)電成本將會進(jìn)一步降低，到本世紀(jì)中葉將降至4美分/KWh，優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費用。        大面積、薄片化、高效率以及高自動化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展趨勢。通過降低峰瓦電池的硅材料成本，通過提升光電轉(zhuǎn)換效率與延

4、長其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本，通過合理的機(jī)制建立優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊、避免人才的不合理流動、充分保證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏企業(yè)發(fā)展的核心競爭力所在！      1、太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展   晶體硅太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個階段（如圖1所示），每一階段效率的提升都是因為新技術(shù)的引入。  圖1電池效率發(fā)展路程圖    1954年貝爾實驗室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階

5、段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個發(fā)展階段，背電場電池（BSF）1技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)2、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達(dá)24.4%鈍化發(fā)射極和背面點接觸（PERL）3電池。目前相當(dāng)多的技

6、術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實驗室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來。目前已經(jīng)有多家國內(nèi)外公司對外宣稱到2008年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達(dá)到18%，多晶將超過17%。    1.1表面織構(gòu)   減少入射光學(xué)損失是提高電池效率最直接方法?；瘜W(xué)腐蝕工藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，也是行業(yè)內(nèi)最廣泛使用的技術(shù)，工藝門檻低、產(chǎn)量大；但絨面質(zhì)量不易控制、不良率高，且減反射效果有限（腐蝕后的反射率一般仍在11%以上），并產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（RIE）是最有發(fā)展前景的技術(shù)，它首先在硅片表面形成一層

7、MASK（掩膜）再顯影出表面織構(gòu)模型，然后再利用反應(yīng)離子刻蝕方法制備表面織構(gòu)。用這種方法制備出的減反射絨面非常完美，表面反射率最低可降至0.4，單多晶技術(shù)統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝與設(shè)備都可移植于IC工業(yè)，如果生產(chǎn)成本能夠進(jìn)一步降低可望取代化學(xué)腐蝕方法而大規(guī)模使用。京瓷產(chǎn)業(yè)化17.2%17.7%的多晶硅電池就是采用等離子刻蝕工藝的一個成功典范。    1.2發(fā)射區(qū)擴(kuò)散  PN結(jié)特性決定了太陽能電池的性能！傳統(tǒng)工藝對太陽能電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負(fù)載能力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過高導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮、晶格畸變

8、、缺陷增加、“死層”明顯、電池短波響應(yīng)差。PN結(jié)技術(shù)是國際一流電池制造企業(yè)與國內(nèi)電池企業(yè)的主要技術(shù)差距。為了在提高電池的填充因子的同時避免表面“死層”，選擇性擴(kuò)散發(fā)射極電池技術(shù)是最有望獲得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的低成本革命性高效電池技術(shù)，其技術(shù)原理簡單且通過現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)，但如何降低制造成本是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)某些大公司對外宣傳的超過17.6%以上的高效電池其技術(shù)核心均來源于此，相信隨著配套裝備與輔助材料的及時解決近二年內(nèi)將會迅速普及與推廣。       在制造工藝上采用氮氣攜帶三氯氧磷管式高溫擴(kuò)散是目前主流生

9、產(chǎn)技術(shù)，其特點是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡單。隨著電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質(zhì)濃度（表面方塊電阻80120口、均勻性±3%以內(nèi)），減壓擴(kuò)散技術(shù)（LYDOP）優(yōu)勢非常明顯，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸氣壓、提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量400片的情況下其擴(kuò)散均勻性仍優(yōu)于±3%，是高品質(zhì)擴(kuò)散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈?zhǔn)綌U(kuò)散設(shè)備不僅適應(yīng)Inline自動化生產(chǎn)方式，而且處理硅片尺寸幾乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重視，其工藝有噴涂磷酸水溶液擴(kuò)散與絲網(wǎng)印刷磷漿料擴(kuò)散二種。在鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)上，BTU、SCHMID以及中電集團(tuán)第48所均已有長時間的

10、研究及工業(yè)化應(yīng)用，只要能在擴(kuò)散質(zhì)量上獲得突破其一定會取代目前管式擴(kuò)散成為主流生產(chǎn)裝備與技術(shù)。    1.3去邊技術(shù)   產(chǎn)業(yè)化的周邊PN結(jié)去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法技術(shù)成熟、產(chǎn)量大，但存在過刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不僅影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而且導(dǎo)致電池片蹦邊、色差與缺角等不良率上升。激光開槽隔離技術(shù)根據(jù)PN結(jié)深度而在硅片邊緣開一物理隔離槽，但與國外情況相反，據(jù)國內(nèi)使用情況來看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術(shù)，因此該方法有待進(jìn)一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術(shù)化學(xué)腐蝕去邊與背面腐蝕拋光技術(shù)集刻蝕與去PSG一體，背面絨面的拋光極大

11、降低了入射光的透射損失、提高電池紅光響應(yīng)。該方法工藝簡單、易于實現(xiàn)inline自動化生產(chǎn)，不存在“鉆刻”與刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對穩(wěn)定，因此盡管配套設(shè)備昂貴但仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。    1.4表面減反射膜生長技術(shù)   早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加對入射光的吸收，但該方法均需先單獨采用熱氧化方法生長一層1020umSiO2使硅片表面非晶化、且對多晶效果不理想。       SixNy膜層不僅減緩漿料中玻璃體對硅的腐蝕抑制Ag的擴(kuò)散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范

12、圍更寬易于調(diào)節(jié)，而且致密的SixNy膜層是有害雜質(zhì)良好的阻擋層。同時生成的氫原子對硅片具有表面鈍化與體鈍化的雙重作用，可以很好地修復(fù)硅中的位錯、表面懸掛鍵，提高了硅片中載流子的遷移率因而迅速成為高效電池生產(chǎn)的主流技術(shù)。雙層SiN減反射膜，通過控制各膜層中硅的富集率實現(xiàn)了5.5%4的反射率；而另一種SiN與SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前廣泛采用的單層SiN膜減反射率最優(yōu)為10.4%。       圖2  不同減反膜的光譜反射率     在電池背面生長一層1030n

13、mSiN膜以期最大限度對電池進(jìn)行鈍化與缺陷的修復(fù)從而提高電池的效率是目前的一個熱點課題，由于該技術(shù)牽涉到與后面的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、電極漿料技術(shù)及燒結(jié)工藝的配合目前尚處于實驗研究階段，但它肯定是今后的一個發(fā)展趨勢。       匹配封裝材料對光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的實際使用效果是光伏企業(yè)技術(shù)實力的體現(xiàn)！如何減少電磁波對電池表面PN結(jié)輻射損傷以及損傷的有效修復(fù)是該工藝的核心技術(shù)，處理不好往往導(dǎo)致電池效率一致性較差。裝備方面有連續(xù)式間接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。    1.5

14、絲網(wǎng)印刷與金屬漿料技術(shù)   絲網(wǎng)印刷技術(shù)是低成本太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要技術(shù)進(jìn)步與電極漿料及網(wǎng)版制版技術(shù)緊密相聯(lián)。電極漿料技術(shù)進(jìn)步是提升電池效率的捷徑，也是一些實驗室技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。根據(jù)電池表面擴(kuò)散薄層方塊電阻、擴(kuò)散結(jié)深以及表面減反射膜厚度與密度等開發(fā)相對應(yīng)的漿料已經(jīng)成為國際一流光伏企業(yè)領(lǐng)先同行的一個有力武器：如摻P的正銀漿料實現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術(shù)；向漿料中添加添加劑實現(xiàn)80100um細(xì)柵技術(shù)；配合超薄片的低翹曲背鋁漿料等等。       硅片厚度不斷減薄、電池面積不斷增大，如何降低碎片

15、率與電池片的翹曲度成為設(shè)備制造廠商與電池制造企業(yè)共同關(guān)注的焦點問題。設(shè)備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應(yīng)120um厚度硅片的全自動印刷設(shè)備。    2、存在的問題      工藝方面：盡管太陽能電池制造是一個短工藝生產(chǎn)流程，光伏技術(shù)與檢測手段也有了長足的發(fā)展，但太陽能電池工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無法從電池的不合理電參數(shù)來準(zhǔn)確判斷問題具體所在，對每一工序質(zhì)量也還沒有完全行之有效的檢測方法與手段，在線檢測技術(shù)遠(yuǎn)落后于工藝技術(shù)的發(fā)展！       設(shè)備方面

16、：目前國內(nèi)外各制造廠商設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致上下道工序之間無法有效銜接，導(dǎo)致較大的時間與資源浪費！物化新工藝的裝備滯后于市場的發(fā)展！       原材料方面：原材料市場特別是硅片質(zhì)量良莠不齊，許多企業(yè)缺乏自律性，導(dǎo)致我國光伏產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng)一權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入制度。    3、發(fā)展展望    以硅片為載體的光伏電池制造技術(shù)，其理論極限效率為29。近年來由于一系列新技術(shù)的突破，硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)業(yè)化水平單晶16%18、多晶15%17，按目前的晶體硅電池效率路線圖與電池技術(shù)，提升效率的難度已經(jīng)非常大。因此有人預(yù)言硅電池的市場生命周期，但產(chǎn)品市場生命力的決定因素是其性價比，就如半導(dǎo)體集成電路一樣近一個世紀(jì)了仍然離不開硅基，晶體硅太陽能電池作為光伏發(fā)電主要材料的現(xiàn)狀不會改