下圖是太陽能電池在過去60年的效率發(fā)展歷程。

晶體硅太陽電池的研究是由空間太陽電池的應(yīng)用所帶動起來的，上個世紀(jì)四五十年代，晶體硅電池的效率發(fā)展比較緩慢，到1955年前后才突破10%，應(yīng)用了淺結(jié)技術(shù)之后效率接近15%。1960-1980年間，效率提升較慢。從1985年開始，以澳大利亞新南威爾士大學(xué)為代表的科研團(tuán)隊開始各種技術(shù)研發(fā)的競爭，快速地推動了轉(zhuǎn)換效率的提升。

下面對各個電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：

結(jié)構(gòu)1：PESC發(fā)射極表面鈍化電池結(jié)構(gòu)。

主要是使用薄層SiO2鈍化發(fā)射極表面。最大限度地減少發(fā)射極表面載流子復(fù)合中心，提高光生載流子的傳輸距離，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

目前使用SiO2做PESC結(jié)構(gòu)的廠商不多，個人了解到的是一些臺灣廠商還有這種工藝。這是因為，目前普遍使用的SiNx減反膜本身就有比較好的鈍化效果，再使用SiO2做鈍化層，雖然具有一定的效果，但作用還是有限的。

此外，在工藝控制上，額外的鈍化層對生產(chǎn)過程的潔凈度要求更高。如果工藝控制不佳，SiO2成膜后其表面會出現(xiàn)黑點，SiNx鍍膜后變成白點，造成電池外觀不良，從而大幅降低良品率。

結(jié)構(gòu)2：PERC鈍化的發(fā)射級和背面電池結(jié)構(gòu)。

在對發(fā)射極進(jìn)行鈍化的基礎(chǔ)上，通過背面鈍化來更進(jìn)一步提升效率。在晶硅電池研究中，影響電池效率的工藝因素太多，我們一般從開路電壓來判斷一種電池結(jié)構(gòu)是否具有潛力。電池背面全部用SiO2鈍化，可以實現(xiàn)700mV的開壓。但是背面全部鈍化，鋁背場和Si襯底的接觸問題就難以處理。要實現(xiàn)良好的接觸，進(jìn)入必須與Si襯底實現(xiàn)有效的金半接觸，必然會破壞鈍化層，從而失去鈍化效果。所以PERC電池的背面結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成局部接觸的形式。所以整個PERC結(jié)構(gòu)的設(shè)計核心，就在于背面的圖形結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1990年PERC電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23%。

結(jié)構(gòu)3：PERL鈍化正面的發(fā)生級，背面是局部擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)。

在PERC電池基礎(chǔ)上，為了能夠進(jìn)一步降低PERC電池背面金半接觸電阻電阻，從而提高電池效率，研究者開始考慮對背面接觸區(qū)域進(jìn)行局部擴(kuò)散，從而產(chǎn)生了PERL電池結(jié)構(gòu)。

PERL電池開壓優(yōu)勢明顯，很快就超越了PERC電池，通過不斷優(yōu)化，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了24.7%，后來世界權(quán)威的測試機(jī)構(gòu)Sandia又將這個數(shù)據(jù)值修正為25%，從而長期占據(jù)了晶體硅電池的世界轉(zhuǎn)換效率記錄。

結(jié)構(gòu)4：PERT電池結(jié)構(gòu)與PERL結(jié)構(gòu)只有一個區(qū)別，PERL是背面局部擴(kuò)散，而PERT是背面全擴(kuò)散。

PERT結(jié)構(gòu)在P型電池上與PERC、PERL相比沒有太多優(yōu)勢，PERT的優(yōu)勢在于做N型電池。

結(jié)構(gòu)5：MWT結(jié)構(gòu)：電池正面沒有Busbar，組件封裝時電極焊接全在背面。

嚴(yán)格地來說MWT不屬于一種電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，而屬于金屬電極設(shè)計。MWT將正面的Busbar去掉，減少了遮光面積，提高了光線利用率。制造工藝上，在電池打孔，金屬電極穿孔而過從背面接到負(fù)電級。

MWT電池的焊接與常規(guī)電池完全不同，對組件生產(chǎn)線需要進(jìn)行較大的改造。同時對電池制造工藝的要求也很高。用激光打孔，硅片會有應(yīng)力產(chǎn)生，隱裂的風(fēng)險大幅增加。漿料通過孔洞穿越至背面，其與P型界面接觸造成短路的風(fēng)險也大幅提高，電池漏電比例會大幅增加。不過MWT電池，在電池結(jié)構(gòu)不變的前提下能夠有效提高轉(zhuǎn)換效率，這個是它最根本的優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)6：IBC電池正面沒有電極，電極和PN結(jié)都是在背面。

正面結(jié)構(gòu)與常規(guī)電池類似，有絨面，有鈍化層，有減反層；其背面N型層與P型層相互交替，在N/P界面上形成PN結(jié)。電極從N型與P型上分別導(dǎo)出，整個電池正面沒有任何電極和Busbar，焊接從背面進(jìn)行。

IBC電池，背面焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的不一樣，電池技術(shù)也很復(fù)雜，已知阿特斯與天合在做。主要有掩膜法與離子注入法，工藝要求都比較高，成本也高。

IBC電池的成本比PERC電池還要高不少，但是由于光線的利用率高很多，轉(zhuǎn)換效率上也很有優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)7： HIT：技術(shù)是三洋公司的，在N型硅片襯底上先做一層本征非晶Si，再在本征層上做P型或者N型非晶硅。所以，HIT電池是一種利用薄膜工藝技術(shù)，制作的N型電池，其開壓可以到725mv，效率在23%以上。

有很多中國公司也在研究三洋的HIT技術(shù)，但效率一致不太好，后來發(fā)現(xiàn)在襯底上做一層超薄的SiO2過渡層電池效率可以明顯地提高。由于三洋的HIT技術(shù)專利已經(jīng)到期，三洋公司也被收購，國內(nèi)就把這種改進(jìn)的HIT電池結(jié)構(gòu)稱作HJT電池。

三洋公司的HIT結(jié)構(gòu)并未說明是否在襯底上做過SiO2，或許該工藝本身就存在氧化硅。但是襯底上做這種超薄SiO2，實現(xiàn)起來不難，但做到均勻、可靠就比較困難了，這最終會導(dǎo)致成品率的問題。

HIT電池制造工藝，對設(shè)備和過程控制要求很嚴(yán)格，而且制造過程中大量使用半導(dǎo)體清洗液，其運(yùn)營成本也相當(dāng)高。

2014年，松下收購三洋后，在HIT電池的技術(shù)上研發(fā)的新產(chǎn)品打破了25%的世界紀(jì)錄。

結(jié)構(gòu)8：HIT-IBC 是一種背接觸技術(shù)和異質(zhì)結(jié)耦合電池結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)在N型硅片襯底的背面做了一層非晶的本征層，然后在本征層上交叉地做非晶P型層和N型層，在N/P層的界面上形成PN結(jié)，分別從N型層和P型層引出電極。而電池的正面使用絨面和減反膜減反，并用鈍化層鈍化，正面沒有任何電極和Busbar。通過這種電池結(jié)構(gòu)，2014松下創(chuàng)造了25.57%的世界記錄。

日本公司偏向于去AIST檢測（日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，產(chǎn)總研），而歐洲美國很少用AIST測試。國內(nèi)的公司如果希望進(jìn)入日本市場，AIST提供的測試數(shù)據(jù)會更讓日本客戶信服。

   關(guān)于PERC工藝路線可以分為兩種：一種是常在實驗室使用的所謂強(qiáng)化版路線，相比普通電池技術(shù)，多了背面拋光、表面熱氧化、背面的介質(zhì)層生長、背面的接觸區(qū)域?qū)訄D形化。大規(guī)模生產(chǎn)中，采用簡化版工藝路線居多，主要是減掉了熱氧化層的步驟。

熱氧化法是SiO2表面鈍化最佳方法，其余的SiO2生長方案效果都不理想。但由于熱氧化工藝成本較高，且外觀問題不易解決，所以應(yīng)用不多。

PERC電池規(guī)?；a(chǎn)中，設(shè)備供應(yīng)商都有配合提供工藝設(shè)計方案。設(shè)備選型，一方面是選擇設(shè)備成熟度，另外一方面就是工藝成熟度。

PERC電池的核心，就是背面的鈍化層（介質(zhì)層）。鈍化層主要是SiO2、AlOx。SiO2的缺點在于其抗腐蝕性很差，只能用熱氧化法生長，成本難以下降。目前，AlOx的應(yīng)用更為廣泛。

AlOx的生長方案主要有 PECVD、PVD 、LPECVD、ALD等等。我們曾將市場上的所有的AlOx生長技術(shù)方案進(jìn)行了對比分析，用不同的成膜工藝制作了壽命樣片，通過對比壽命樣片的少子壽命來分析各種成膜技術(shù)的潛力。最終發(fā)現(xiàn)， ALD技術(shù)的少子壽命指標(biāo)明顯由于比其他技術(shù)方案，排名第二位的是PECVD技術(shù)。

ALD是一種原子層沉積技術(shù)，最大的優(yōu)勢是成膜效果均勻穩(wěn)定。針對硅表面高低起伏臺階，ALD技術(shù)可以在各個位置都保持均勻的成膜厚度和質(zhì)量。

梅耶博格的設(shè)備采用的是PECVD氧化鋁成膜技術(shù)，優(yōu)勢在于集成度很好，無論是新的設(shè)備還是改造舊設(shè)備，都可以把氧化鋁與背面的氮化硅層合二為一，一次工藝路線全部成型。

梅耶博格設(shè)備的缺點，首先PECVD技術(shù)做氧化鋁，工藝性能與ALD有差距，只不過電池上的差距不會特別明顯，兩種方案基本是0.3%左右效率差距（因為是小批量制作，所以不能排除差異是否是由其他階段工藝導(dǎo)致）。采用梅耶博格設(shè)備目前效率可達(dá)20.6%。

此外，PECVD技術(shù)生長AlOx，其化學(xué)品TMA的耗量相當(dāng)高，只不過目前TMA已實現(xiàn)國產(chǎn)化，成本還在可接受的范圍之內(nèi)。

另外，就是PECVD的粉塵：機(jī)器腔體較大，會有AlOx粉末充斥在腔體里，很難清潔。

IDEAL ENERGY應(yīng)該是目前最成熟的國產(chǎn)ALD設(shè)備解決方案供應(yīng)商。該款設(shè)備首先是板式的承載方式，生產(chǎn)兼容性和上下料自動化程度高；其次使用了ALD技術(shù)，能夠在板式大腔體工藝路線上實現(xiàn)原子層沉積，這些優(yōu)勢導(dǎo)致其前景樂觀。

該款設(shè)備問題在于：集成度還需要提高，目前只有一個ALD成膜方案，沒有與背面氮化硅方案集成在一起。后續(xù)期待該公司的新產(chǎn)品。

中電的設(shè)備：中電做PERC電池較早，目前設(shè)備是當(dāng)初的實驗性機(jī)臺，但在設(shè)計之初就預(yù)留了量產(chǎn)化改造的窗口。目前，中電研發(fā)團(tuán)隊正完全依靠自身力量進(jìn)行設(shè)備改造和升級。

該設(shè)備采用原子層沉積技術(shù)，配備多種氣體源管路，適用不同鈍化膜的工藝研究。目前，可以做到20.8%的轉(zhuǎn)換效率，后續(xù)改造完成后，還有進(jìn)一步提高的空間。

群友問答：

1、單多晶的前景如何？目前業(yè)內(nèi)的中電是做單多晶還是只做單晶？

關(guān)于單多晶前景：從技術(shù)角度初出發(fā)，我支持單晶。多晶的晶界是不確定因素，這種不確定因素導(dǎo)致多晶電池效率分布范圍和效率波動比單晶電池更大。在高效電池方面，例如PERC電池結(jié)構(gòu)，可以在多晶襯底上實現(xiàn)19.2%的轉(zhuǎn)換效率。但是，由于高效電池對襯底品質(zhì)的要求更高，多晶PERC的效率分布離散型會更大。

電池結(jié)構(gòu)越好，對于襯底要求越高，對于單晶多晶，本身沒有好壞，但是對于高效電池技術(shù)，需要穩(wěn)定可靠的襯底，這方面單晶有優(yōu)勢。

2、什么樣的電池結(jié)構(gòu)比較適合未來應(yīng)用與發(fā)展？

能夠滿足光伏行業(yè)需求的結(jié)構(gòu)，才能適應(yīng)未來的發(fā)展。光伏行業(yè)的根本需求是什么？是快速提高轉(zhuǎn)換效率，同時降低制造成本，縮小光電與火電的差距，實現(xiàn)平價上網(wǎng)。

我們知道，制造業(yè)的成本下降，除了技術(shù)工藝本身優(yōu)勢之外，就是要依靠生產(chǎn)制造的規(guī)模效應(yīng)實現(xiàn)成本降低。假設(shè)有一種技術(shù)，可以大幅提升電池效率，但是與現(xiàn)有規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)不兼容，要求將現(xiàn)有產(chǎn)線全部推翻，那么這種技術(shù)是否適合光伏行業(yè)？個人認(rèn)為不適合，因為電池廠不敢貿(mào)然使用，只有新興工廠敢嘗試，但一兩家新興工廠又如何能夠快速形成規(guī)模效應(yīng)？

因此，能夠兼容現(xiàn)有產(chǎn)線，能夠大幅提高效率，能夠快速工業(yè)化復(fù)制，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)才是適合現(xiàn)階段形勢的。PERC之所以受歡迎，就是因為它不用推翻現(xiàn)有產(chǎn)線，就能夠大幅提升效率。

在PERC電池之后，PERL技術(shù)將成為技術(shù)優(yōu)化的熱點，因為他只在PERC工藝基礎(chǔ)上增加了一步，只要有好的解決方案設(shè)備路線，后續(xù)市場也很廣闊。

3、LID的問題：

PERC電池的光衰已經(jīng)從4%降到2%左右，但普通電池的光衰只有1.5%左右，因而影響PERC應(yīng)用的一個重要因素就是光衰。

新南威爾士大學(xué)和中電合作解決LID問題，已經(jīng)對其基本原理已經(jīng)有了比較深入的了解。目前，在行業(yè)內(nèi)主流的技術(shù)方案是光照+熱處理，Despatch、CT等都有類似設(shè)備提供。其基本原理就是將缺陷從襯底的體內(nèi)激發(fā)出來，激發(fā)出來后，利用在介質(zhì)層中的殘留氫原子來鈍化缺陷，達(dá)到修復(fù)目的。

題外篇：單多晶之爭

 最近很多人和我討論單多晶問題。從技術(shù)角度出發(fā)，單多晶技術(shù)，只在拉晶/鑄錠上有較大差別。電池、組件、系統(tǒng)上的技術(shù)方案基本上是通用的。有人提到RIE技術(shù)能夠有效提升多晶電池效率，還能結(jié)合金剛線工藝降本。實際上，在單晶上也能用，只是單晶絨面的減反射功能已經(jīng)足夠好，RIE的作用無法體現(xiàn)。對于多晶，雖然RIE可以大幅減反，提高效率，但其效果主要在藍(lán)光近紫外部分，做成組件后，玻璃和EVA的吸收又使得這一效果沒有那么明顯。未來，低成本石英玻璃和高透EVA或許可以解決這一問題，但這對單晶也一樣。

多晶是為了滿足低成本的需求開發(fā)的，本身也在不斷優(yōu)化。有段時間，“類單晶”火了一下，用鑄錠法生長類似單晶的硅片。但這種技術(shù)后來退出了主流，因為有嚴(yán)重的品質(zhì)分化問題。后來，先后有兩組團(tuán)隊給我宣講過他們的多晶硅片技術(shù)，一個是讓多晶硅片的晶粒盡量長得更大，可以理解為“類單晶”的弱化版；另一個是讓晶粒長得更小，但取向更為一致。后來，取向一致的小晶粒方案成為主流。取向一致的晶粒，其晶界位錯會更小些，有利于減少復(fù)核；大晶粒方案也無法避免品質(zhì)分化，無法保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，這是最致命的。

有一年，公司高管批評我們研發(fā)團(tuán)隊只會做單晶不會做多晶。于是，我們花了相當(dāng)大的力氣在多晶工藝的優(yōu)化和技術(shù)研發(fā)，但這個工作不好做。因為各家的片源質(zhì)量不同，同一家片源不同批次的質(zhì)量也不同。同一個技術(shù)方案和工藝參數(shù)，無法得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。那個時候，我們養(yǎng)成了留片子的**慣，一遇到質(zhì)量好品質(zhì)穩(wěn)定的硅片，先凍結(jié)起來，留著做產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)實驗和工藝驗證。

硅片、電池，都只是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個組成。對于光伏系統(tǒng)而言，最重要的是可靠性，而可靠性需要用一致性來保證。硅片端的不一致性，會通過電池、組件兩個制造環(huán)節(jié)放大，最后體現(xiàn)到系統(tǒng)端。最近幾年光伏電站雖然是以多晶為主流，但已經(jīng)有越來越多的人發(fā)現(xiàn)，在弱光效應(yīng)、溫度效應(yīng)、以及可靠性上，單、多晶出現(xiàn)了越來越多的差別。

現(xiàn)在的高效硅片技術(shù)（摻Ga、N型），高效電池技術(shù)（PERC、PERL、PERT），高效組件技術(shù)（雙面、雙玻、1500V）都可以在單多晶硅片上進(jìn)行應(yīng)用。但是，越是高效技術(shù)，對襯底的品質(zhì)要求就越高。我相信PERC多晶電池可以做到19%以上，綜合其他工藝技術(shù)實現(xiàn)20%以上的效率也不是不可能。但是，其效率分布和工藝穩(wěn)定性都會成為關(guān)鍵的問題。

單晶要想成為市場主流，一方面其硅片本身要能夠通過技術(shù)革新實現(xiàn)持續(xù)的成本下降；另一方面，要實現(xiàn)上下游的技術(shù)整合和市場資源的整合。硅片技術(shù)和電池、組件以致系統(tǒng)集成技術(shù)并不是孤立的。我們在硅片、電池和組件端費(fèi)盡心力提高1%的效率，在系統(tǒng)端可能一個不經(jīng)意的排布問題就全部浪費(fèi)掉了。需要打通整個工業(yè)鏈條才能真正發(fā)揮出作用。

感謝中電 呂俊 先生與群友們的大力分享。

呂俊，南京大學(xué)/日本國家材料研究所（NIMS）聯(lián)合培養(yǎng)博士，NIMS青年研究員，現(xiàn)任中電電氣（南京）光伏有限公司技術(shù)研發(fā)總監(jiān)，中電電氣南京電力科技有限公司總經(jīng)理。

本文為光伏業(yè)內(nèi)群友的交流信息記錄，本公眾號不對內(nèi)容的對錯與否負(fù)責(zé)。

如需進(jìn)一步了解詳細(xì)情況，請聯(lián)系：尹先生 150 0086 5995，微信號：yinda023