光伏产业发展面临的挑战 以技术手段降低成本

andarchan

发布时间: 2009-10-26 15:43:24   文章来源:光伏国际 收藏&分享
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导读： 为了应对下一波的投资热潮，极有必要准备新的IP。一种方法是联合光伏制造公司、设备制造公司和研发机构组成合作团队。通过联合各方的力量，光伏产业的参与者将为美好的未来做好准备。 光伏产业  晶体硅  太阳能电池   　　过去的五年内，光伏产业以极其惊人的速度建立起了巨大的生产能力，其中主要是“交钥匙型”的生产线。为了应对下一波的投资热潮，极有必要准备新的IP。一种方法是联合光伏制造公司、设备制造公司和研发机构组成合作团队。通过联合各方的力量，光伏产业的参与者将为美好的未来做好准备。



图. IMEC已经开发了i-PERC太阳能电池，改善了反面的表面钝化，使得电池更薄的同时拥有更高的效率。 (来源: IMEC)

　　光伏产业的经济挑战

　　目前光伏市场基本上都是晶体硅太阳能电池（占据90%以上的市场份额），这种格局将会至少持续十年。不过，为了确保这种持续增长，我们将面临多个经济挑战。

　　1）晶体硅太阳能电池将面临价格竞争，因为新的薄膜技术的出现。即使这些薄膜技术都面临长期的稳定性问题，它们的出现仍毫无疑问地在中短期内对晶体硅太阳能电池的价格形成压力，有业内人士预计在未来3-5年，价格将会下降30-40%。

　　2）过去，在已有的太阳能生产线上引进工艺改良是一个相对缓慢的过程，尤其与微电子领域的快速技术革新相比。由于已有的光伏产业参与者的数量增加，以及从微电子领域转过来的新参与者具有强大的半导体工艺背景和快速应用新工艺的能力，新技术的采用将肯定会加速。因为资金实力的增强，光伏相关设备的开发也较易成功；而传统的半导体设备公司的加入更是加强了这种趋势。这些设备制造商纷纷进入光伏领域的原因，除了此领域具有扩张的空间外，微电子领域激烈的竞争引发合并潮而只给少数大公司留有空间，也使得一些较小的企业转到光伏领域来。

　　3）前十年的强劲增长，以及后十年的预期增长，是由于一些国家，如日本和德国，采取了特殊的政策。尤其是德国所创造的“电网回购价格”（Feed-in Tariffs）系统造就了光伏产业巨大的繁荣。不过也可预见，在未来几年，这些政府将会以比起初规划更快的速度削减电网　　回购价格。因此，相比原先的估计，光伏公司将被迫以更快的速度降低其目标成本。

　　以技术手段降低成本

　　为了在上述的经济变化中保持竞争力，光伏产业可采用不同的策略来降低晶体硅太阳能电池的成本。

　　1）为了面对（临时的）多晶硅缺货瓶颈，以及为了降低成本，一个试图减少“每单位峰值功率所需纯硅”的计划正在雄心勃勃地开展。考虑到无论是否使用更薄的硅片都不想牺牲太阳能电池转换率，这个计划的确有挑战，需要对晶体硅太阳能电池工艺做大量的改变。一个 基本的趋势是，要达到在降低一半硅材料的同时将效率提高约25%的目标（即将工业上的晶体硅太阳能电池转换率从16%提高到20%以上）。

　　2）晶体硅成本并非是唯一的需要降低的成本。特别是在金属化方面，成本预计也可以有显著的改变。用更低成本的方案来代替铝浆料(paste)，或代替银接触孔是很重要的，后者对长期稳定性尤为重要，因为银的稳定性问题在光伏市场达到每年几万兆瓦后会尤其突出。

　　3）制造成本的降低需要大家联合行动。无论衬底厚度减薄与否，可以通过将硅片尺寸从156mm增大到210mm来实现制造成本的降低，扩充设备和提高设备效率也是有效的途径。工厂的规模将增长10到20倍，从目前的50MW/年到1GW/年的规模。长期而言，垂直集成上游（多晶硅原料的生产、结晶化和切割硅片）和下游（模块、模块和逆变器的集成）以降低成本到所希望的“市电同价”(grid parity)水平，甚至更低。（因为长期看，市电同价还不够，光伏需要比一般发电厂的电力成本更有竞争力。）

　　减少每单位峰值功率所需的硅

　　一个降低硅太阳能电池成本的重要努力是减少每单位峰值功率所需的硅。目前主流的生产方式是在180微米厚的硅片上做出太阳能电池单元并组装成模块。今天大部分光伏厂没有相应的设备来处理薄得多的电池单元，不过在实验室里已经证明可以做出转换率超过20%，厚度只有50微米的太阳能电池单元。采用先进的硅片传送（如采用临时载体片），基于硅片的工艺应可做出40微米厚的电池单元。很有可能单元的处理步骤会逐渐集成进模块组装线中。

　　为了在如此薄的硅片上达到转换效率的目标，需要将PERL（passivated emitter, rear locally diffused）方式的钝化处理和Inter-digitated反面(back-side)接触孔（i-BC）引入工业处理流程（i-PERL，i2-BC）。我们预计PERL概念将先行进入市场，因为对今天的正面（front-side）接触孔的单元制造线来说这是顺理成章的下一步。然而，长远上看，反面的单元将获重要的市场份额，甚至有可能超过正面的单元。

　　外延太阳能电池单元是一种新的方案，在低成本的、夹有一层多孔硅反射层的硅载体片上，外延生长一层很薄的（小于20微米）高质量硅工作层。在埋入的多孔硅层上外延生长后，电池单元的处理就和一般的方式基本相同了。对于主流的生产线来说，这个方案可以作为整体(bulk)基材硅电池单元和薄膜电池单元之间的过渡，因为外延工艺只需有限的设备投资即可实现。在实验室，16%的转换效率（小面积）已经成功实现。很有可能是基于外延的单元会比基于在大面积非硅基材（如玻璃）淀积多晶硅层的薄膜单元更早进入生产。这种晶体薄膜硅单元确实具有强大的价格潜力，不过在引入市场前，在转换效率上还需要有所突破。

　　整体硅太阳能电池单元面临的技术挑战

　　比利时研发中心IMEC在新太阳能电池技术和概念的研发已有25年的历史。对于整体硅太阳能电池单元的工艺技术上，对不同的项目进行了研究，以克服目前技术的限制。IMEC计划与全球的光伏合作伙伴一起，解决下述的挑战。

　　先进的表面和接触孔的钝化

　　·目前技术的局限性

　　“钝化发射极和反面单元”（PERC）由于在基体、正面和反面表面非常低的复合，而具有高的断路电压和短路电流密度。在这些单元中，由铝硅接触孔生成的反面欧姆接触孔区域仍然是个相对没有较好钝化的区域。在这些区域复合的效果，可通过将各接触孔区域的间距增加到比基体厚度更大来降低，不过这个较大的间距将会导致相对低的填充因子。而且，反面铝硅接触孔具有相对高的接触电阻，会制约后续的单元设计。另外，当钝化技术用在常规的正面和反面的接触孔的单元表面内的高掺杂区域中，钝化单元内关键区域的要求尤为重要，而目前常用的氮化硅钝化技术无法满足这个与该层所含电荷相关的要求。

　　·新技术的研究

　　首先，我们在研究一些新颖的方案以生成局部扩散区域，作为局部正面或反面的表面场。这可将在基础接触孔区域的“有效复合速度”（effective recombination velocity）降低，优于一般采用铝平板印刷接触孔(Al screen-printed contact)的反面表面场(BSF)方案。而采用硼反面表面场(Boron Back Surface Fields)可获得所需的预计单元效率。由气体源（如BBr3）实现的硼扩散目前是这个方案的基本工艺。虽然这个工艺已经研究了许多年，但由于存在多个缺点，它还没有在生产中被广泛采用。这个工艺需要处理温度大于1000°C（以将硼扩散进硅），不利基体的使用年限。硼硅表层含有过多的硼而难以用氢氟酸刻蚀（因此需要不断重复刻蚀和再氧化的步骤）。为此，IMEC研究等离子注入BSF，由液体源实现硼扩散的BSF，选择性外延生长BSF。



图1. 硼掺杂的新方案：等离子注入BSF（左）和选择性外延生长BSF（右）。

　　其次，新的钝化方案也在研究中。基于常规绝缘材料（如氮化硅）的基底钝化方案没有将转换效率提到到20%以上的潜力。除此之外，对于长期的反面接触孔电池单元的模块级处理，需要使用更低的工艺温度。为此，IMEC的研究通过负电荷绝缘材料（如用ALD（原子层淀积设备）淀积Al2O3层）、PECVD a-Si:H钝化层，以及其他替代绝缘材料（如低介电常数材料、多孔绝缘层、含硫钝化层等），来降低相互接触孔区域(inter-contact region)的有效复合速度。

　　先进新颖的发射极（emitter）

　　·目前技术的局限性

　　大部分最先进的产业化的电池单元工艺采用POCl3来扩散磷，以生成发射极。发射极精确的掺杂剖面对电池的最终性能有巨大的影响，而且还需要在发射极掺杂与接触孔生成之间寻找平衡。举例来说，如果采用平板印刷接触孔，发射极的表面区域需要相应高浓度（>1020cm-3）的掺杂，以得到好的欧姆接触。而表面浓度较低有利于表面钝化处理。因此发射极的掺杂剖面需要精巧的设计。

　　·新技术的研究

　　

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研究的主要目的是：加快正面接触单元的蓝光响应（blue response）、减少发射极饱和电流密度，以及增加正面和反面接触孔单元的断路电压，通过以下方法来实现：采用POCl3扩散和/或优化的丝网印刷浆料的植入形成的浅同质结（shallow homo-junction）发射极；选择性的正面发射极（浅n+发射极与接触孔区域下的n++发射极的组合）；外延发射极；混结发射极a-S:H/c-Si和MIS（Metal-Insulator-Semiconductor Inversion Layer）发射极。




图2. 外延发射极的出色UV响应。

　　连接（Contacting）导线

　　·当前技术的局限性

　　工业界标准的连接太阳能电池的工艺存在一些缺点。首先，丝网印刷的正面采用银浆料进行金属化，会产生较差高宽比的接触（导线的宽度相对太大），而可印刷的浆料组分会导致接触的导电质量欠佳。另外，不良的接触电阻将需要发射极具有较高的表面掺杂浓度。

　　·新技术的研究

　　因此，需要开发新的金属化技术，它们具有高产能的潜力并能确保性能的可持续性（例如将银从正面金属化工艺中淘汰），同时它们在改善金属覆盖度、降低连接电阻和降低材料成本方面也具有很好的潜力。

　　这些金属化技术必须与整个制作技术的成本效益相匹配，尤其是背接触的电池，其电极接触的间距要求可能非常严格。

　　对金属化来说，具有潜力的工艺技术包括纳米墨水、金属气溶胶喷射、金属粉末的激光烧结、连接异质结、电镀，以及铜的相关阻挡层——如TiN、TiW或PVD的TaN。

　　对于通孔(via)的制造，用于图形定义（pattern definition）的（UV）激光切除、用于绝缘材料刻蚀的掩膜喷墨打印，以及用于空白光刻胶层曝光的喷墨打印都在研究中。
　　
　　光学方面的改进

　　·目前技术的局限性

　　传统的太阳能电池的光学性能有限。通常的正面结构的第一反射比和间接光线耦合性能表现得还不错，但反面结构显示出较差的内部反射和较高的寄生吸收，因此在最好的情况下，路径长度增加因子（path length enhancement factor）大约是7。这对于较厚的硅片来说还可以接受，但对于基于非常薄的衬底的高效率电池来说就不够了。另外目前的技术会消耗掉不少的硅材料，不适于在很薄的硅衬底上采用。我们要尽量刻蚀最少数量的完好电池所需的硅。

　　传统方法的另一个缺点是，他们本质上是一个双面的工艺，通过将硅片浸润在化学溶剂中来实现，这与反面所要求的出色的表面钝化不一致，反面需要平滑的表面。因此，需要开发可行且有效的单面纹理化（texturing）工艺。反面的反射体需要具有较高的反射率（大于90%），但需要是低成本的，且与表面钝化处理方案匹配。

　　最终，需要研究先进的抗反射覆盖（anti-reflection coating, ARC）。氮化硅表现的很好，但为了获得非常高的效率，也许需要采用多层的抗反射涂层。这种ARC在引入新的密封剂后，可使转换效率在UV段表现得更好。

　　·新技术的研究

　　研究的目标是在不牺牲表面性能的同时来增强光学路径长度。这补偿了薄硅片的低吸收能力，是提高薄硅片转换效率的重要因素。为达到这个目的，需要的技术包括：研究等离子纹理化技术来获得单面纹理化；采用湿法刻蚀的随机棱锥（random pyramid）工艺；具有比标准的氮化硅ARC更低反射率的抗反射涂层（如双层或多层或分段ARC）；在电池单元反面用绝缘的或有色的反射体。



图3. 等离子纹理化(texturing)设备（左）；纹理化表面的SEM照片（右）。

　　结论

　　今天，光伏产业已达到150-200亿美元的市场规模，并将在2020年达到1000亿美元以上。为了继续获得并维持如此快的增长速度，光伏产业需要研发投入，以开发出更低成本和更高效率的太阳能电池。外延和薄膜电池是面向未来的新概念。生产企业和设备制造商与研究机构的联合研发，在芯片领域被证明是成功的模式，它也将在光伏产业获得成功。

　　作者：

　　Els Parton在比利时的鲁汶大学获得工程学位和生物学的博士学位。她在2001年作为学术编辑加入IMEC，负责协作编写大量的技术文章和出版物。Email: Els.Parton@imec.be

　　Philip Pieters在比利时的鲁汶大学获得电子工程的硕士和博士学位。他在1994年加入IMEC，在异质集成(Heterogeneous integration)和射频SIP技术方面做了大量的开拓性研发。在2002年转到业务拓展部门，负责“More than Moore”方面的业务拓展。从2009年起，他专注光伏的业务拓展。

　　Jef Poortmans于1985年在比利时的鲁汶大学获得电子工程学位，他加入IMEC并在1993年获得博士学位，随后他加入光伏组，并负责“先进太阳能电池组”。在此框架内，他开始了关于薄膜晶体硅太阳能电池的研发工作，同时还在欧盟第四和第五框架项目中负责协调多个相关的欧盟项目，并在2003年成为项目协调人（cluster coordinator）。在1998年，他还在IMEC创建了有机太阳能电池的研发项目，并在2000年开始三五族太阳能的研发。目前他是IMEC战略项目“SOLAR+”的项目负责人，此项目包含了IMEC内部所有与光伏技术研发有关的工作。他还是一本关于薄膜太阳能电池的书籍的学术编辑，并是E-MRS内多个薄膜太阳能会议联合组织者。作为EUREC机构的董事，他参与了欧洲光伏技术平台对光伏太阳能技术的战略研究议程的准备。他是第21届欧洲光伏太阳能研讨会暨展会的总主席。

yzy0515

好好学习,天天向上……