一、電池技術(shù)為什么不斷升級(jí)
單晶電池最早應(yīng)用的技術(shù)叫Al-BSF(鋁背場(chǎng)技術(shù)),是2013年到2016年的技術(shù),已于2017年被單晶PERC技術(shù)替代,PERC技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,期間還出現(xiàn)過(guò)MWT、PERL、PERT、EWT等技術(shù),但因PERC的規(guī)?;瘮D壓和性?xún)r(jià)比不高,均未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。目前公認(rèn)的可替代PERC的技術(shù)有三個(gè),TOPCon、HJT和IBC,其中N型IBC技術(shù)因其成本較高,現(xiàn)階段無(wú)法與TOPCon與HJT競(jìng)爭(zhēng)(IBC技術(shù)在未來(lái)是可以與其他技術(shù)疊加),故而目前最有可能替代PERC的是TOPCon與HJT技術(shù)。
N型HJT也是目前市場(chǎng)熱議的一個(gè)技術(shù)路線(xiàn),但此技術(shù)路線(xiàn)存在幾個(gè)問(wèn)題急需行業(yè)去解決:首先是設(shè)備成本,從PERC技術(shù)轉(zhuǎn)向TOPCon技術(shù),電池產(chǎn)線(xiàn)還有70%左右可以兼容,每GW的新增投資額在5000-7000萬(wàn)左右,而HJT產(chǎn)線(xiàn)需要重新搭建,每GW投資額達(dá)3.5億以上,現(xiàn)在整個(gè)光伏行業(yè)有超200GW的PERC產(chǎn)能,轉(zhuǎn)型做HJT后的PERC產(chǎn)能包袱是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈無(wú)法接受的。其次,HJT技術(shù)需要用到200℃低溫銀漿,價(jià)格比正常銀漿更高,且目前主要依賴(lài)日本進(jìn)口。還有就是HJT技術(shù)需要用到金屬銦,銦的需求量將使得地殼中儲(chǔ)量不高的銦價(jià)格暴漲,從而推高組件價(jià)格。TOPCon技術(shù)擁有著完整的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)支撐,未來(lái)的迭代升級(jí)空間廣闊,預(yù)計(jì)2024-2025年實(shí)現(xiàn)與IBC技術(shù)的結(jié)合,形成TBC技術(shù),量產(chǎn)效率可達(dá)26%-28%,“十五五”期間實(shí)現(xiàn)與鈣鈦礦的疊層電池量產(chǎn),將量產(chǎn)電池效率推高到28%以上。
三、四種電池概述
1、N型IBC電池:潛力無(wú)限
是將PN結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸極以交叉指形狀做在電池背面,是高效大面積太陽(yáng)能電池之一。核心技術(shù):如何在電池背面制備出質(zhì)量較好、成叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)。通過(guò)在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴(kuò)散掩膜層,掩膜層上的硼經(jīng)擴(kuò)散后進(jìn)入N型襯底形成p+區(qū),而未印刷掩膜層的區(qū)域,經(jīng)磷擴(kuò)散后形成n+區(qū)。前表面制備金字塔狀絨面來(lái)增強(qiáng)光的吸收, 同時(shí)在前表面形成前表面場(chǎng)(FSF)。使用離子注入技術(shù)可獲得均勻性好、結(jié)深精確可控的p區(qū)和n區(qū),電池正面無(wú)柵線(xiàn)遮擋,可消除金屬電極的遮光電流損失,實(shí)現(xiàn)入射光子的******利用化;由于背接觸結(jié)構(gòu),不必考慮柵線(xiàn)遮擋問(wèn)題,可適當(dāng)加寬柵線(xiàn)比例,從而降低串聯(lián)電阻且有高的填充因子;形成組件時(shí),可以把電池排布的更密集;外形美觀(guān),尤其適用于光伏建筑一體化;但I(xiàn)BC電池成本較高尚未產(chǎn)業(yè)化,IBC電池制程工藝復(fù)雜,多次使用掩膜、光刻等半導(dǎo)體技術(shù),成本幾乎為常規(guī)電池的兩倍。
總之,IBC電池是一種創(chuàng)新的電池結(jié)構(gòu),優(yōu)勢(shì)來(lái)自于全背面電極,當(dāng)然劣勢(shì)是增加了設(shè)計(jì)和制造難度。從另一個(gè)角度看,設(shè)計(jì)和制造難度高,也不算是壞事,哪家能把工藝難度最高的IBC做出來(lái),說(shuō)明哪家的技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)。目前主流的幾種第三代太陽(yáng)能電池技術(shù),除了IBC電池外,就是Topcon電池、HJT異質(zhì)結(jié)電池,以及更加遙遠(yuǎn)的鈣鈦礦電池。
P型電池制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,成本較低,主要是BSF電池和PERC電池。2015年之前,BSF電池占據(jù)90%市場(chǎng);2016年之后,PERC電池接棒起跑,到2020年,PERC電池在全球市場(chǎng)中的占比已經(jīng)超過(guò)85%,且目前以雙面PERC為主。PERC電池與BSF(鋁背板)******的區(qū)別就是背鈍化,這個(gè)可能有點(diǎn)抽象,先看一張PERC電池的結(jié)構(gòu)圖:
鈍化的原理實(shí)際上包括兩方面:一是利用鈍化膜中產(chǎn)生的原子與懸掛鍵結(jié)合,從而減少其對(duì)其他正負(fù)電荷的復(fù)合作用;二是鈍化膜也帶有一定電荷,會(huì)在接觸面形成內(nèi)建電場(chǎng),從而形成場(chǎng)鈍化效應(yīng)。鈍化的核心作用是提高開(kāi)路電壓和短路電流,進(jìn)而提升填充因子,在進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率。
為什么要了解這些?
其一,知道了PERC電池的原理,就知道在電池結(jié)構(gòu)中哪部分是最重要的。評(píng)估PERC電池的優(yōu)劣,鈍化做的好不好就是最重要的評(píng)價(jià)維度。
其二,知道以上原理,就知道在工藝中哪個(gè)環(huán)節(jié)是最重要的,不同的電池企業(yè)比什么?就看關(guān)鍵工作環(huán)節(jié)控制的怎么樣。從PERC電池的核心是鈍化來(lái)看,那么對(duì)于鈍化膜的制作這一步就是所有工藝流程中最關(guān)鍵的。
其三,知道以上原理,就知道哪些生產(chǎn)設(shè)備是關(guān)鍵的,哪些耗材是最關(guān)鍵的。PERC電池的鈍化膜最核心,所以進(jìn)行鈍化的薄膜沉淀工藝就是最核心步驟,相應(yīng)的進(jìn)行薄膜沉淀所需的PECVD設(shè)備和ALD設(shè)備就是最關(guān)鍵設(shè)備,這些設(shè)備在前些年一直也被卡脖子,近幾年國(guó)內(nèi)企業(yè)異軍突起,邁為股份、捷佳偉創(chuàng)、理想萬(wàn)里暉、鈞石能源等均實(shí)現(xiàn)了這些關(guān)鍵設(shè)備的突破。但產(chǎn)能情況需要進(jìn)一步整理,在目前光伏行業(yè)整體快速發(fā)展的背景下,這些設(shè)備商也具有一定的投資機(jī)會(huì)。
PERC電池的工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單且設(shè)備成熟,近年來(lái),標(biāo)配一些提效工藝,如激光SE、堿拋、光注入/電注入等。PERC技術(shù)以背面鈍化層的沉積和激光開(kāi)槽為主,后續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝改進(jìn)優(yōu)化時(shí)增加正面SE激光和光注入/電注入退火等工藝。
2017-2021,將近五年時(shí)間,PERC從初露鋒芒到獨(dú)樹(shù)一幟,由于P型單晶硅PERC電池理論轉(zhuǎn)換效率極限為24.5%,導(dǎo)致P型PERC單晶電池效率很難再有大幅度的提升,現(xiàn)在已經(jīng)快到極限;并且未能徹底解決以P型硅片為基底的電池所產(chǎn)生的光衰現(xiàn)象,這些因素使得P型電池時(shí)代即將面臨壽終正寢,2021年以前,都以P型硅片做襯底,與傳統(tǒng)的P型單晶電池和P型多晶電池相比,N型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無(wú)光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命更長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),之后趨勢(shì)開(kāi)始往N型襯底來(lái)轉(zhuǎn)換。
3、N型TOPCon:技術(shù)過(guò)渡最優(yōu)選擇
是2013年在第28屆歐洲PVSEC光伏大會(huì)上德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所首次提出的一種N型硅襯底電池技術(shù),旨在通過(guò)解決電池載流子選擇鈍化接觸問(wèn)題來(lái)提高太陽(yáng)能電池效率。電池正面和常規(guī)N型電池沒(méi)有什么區(qū)別,和常規(guī)N型電池的主要區(qū)別在電池TOPCon背面會(huì)先制作一層不足2nm的超薄二氧化硅(SiO2)作為隧穿層,之后會(huì)再加上一層20nm磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜,濃度較襯底更高,二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu),鈍化性能通過(guò)退火過(guò)程進(jìn)行激活,Si薄膜在該退火過(guò)程中結(jié)晶性發(fā)生變化,由微晶非晶混合相轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?/span>該結(jié)構(gòu)可以阻擋少子空穴復(fù)合,提升電池開(kāi)路電壓及短路電流。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進(jìn)入多晶硅層同時(shí)阻擋少子空穴復(fù)合,超薄氧化硅和重?fù)诫s硅薄膜良好的鈍化效果使得硅片表面能帶產(chǎn)生彎曲,從而形成場(chǎng)鈍化效果,電子隧穿的幾率大幅增加,接觸電阻下降,提升了電池的開(kāi)路電壓和短路電流,從而提升電池轉(zhuǎn)化效率。光伏電池TOPCon的能量轉(zhuǎn)換效率大概在25.5%,理論上極限轉(zhuǎn)換率約28.5%。
目前光伏電池TOPCon市場(chǎng)占有率逐年增高,已經(jīng)有權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)在2030年N型光伏電池市場(chǎng)占有率會(huì)達(dá)到56%左右。又稱(chēng)HIT電池(三洋核心專(zhuān)利期間名稱(chēng)),HIT電池最早由日本三洋公司于1990年成功開(kāi)發(fā),因HIT已被三洋注冊(cè)為商標(biāo),因此又被稱(chēng)為HJT、HDT、或SHJ(Silicon Heterojunction),當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到14.5%(4mm2的電池),后來(lái)在三洋公司的不斷改進(jìn)下,三洋HJT電池的轉(zhuǎn)換效率于2015年已達(dá)到25.6%。2015年三洋的HJT專(zhuān)利保護(hù)結(jié)束,技術(shù)壁壘消除,是我國(guó)大力發(fā)展和推廣HJT技術(shù)的大好時(shí)機(jī)。HJT電池是由晶硅材料和非晶材料形成,在晶體硅上形成非晶體薄膜,并通過(guò)特殊技術(shù)讓P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成一種特殊的PN結(jié),本身屬于N型電池的一種,是單晶雙面電池,具有工藝簡(jiǎn)單、發(fā)電量高、度電成本低的優(yōu)勢(shì),可能會(huì)成為繼PERC電池之后的行業(yè)熱點(diǎn)。
以N型單晶硅(C-Si)為襯底光吸收區(qū),經(jīng)過(guò)制絨清洗后,其正面依次沉積厚度為5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和摻雜的P型非晶硅(P-a-Si:H),和硅襯底形成P-N異質(zhì)結(jié)。硅片的背面又通過(guò)沉積厚度為5-10nm的i-a-Si:H和摻雜的N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面場(chǎng),雙面沉積的透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO),最后通過(guò)絲網(wǎng)印刷在兩側(cè)的頂層形成金屬基電極,即為異質(zhì)結(jié)電池的典型結(jié)構(gòu)。
HJT因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換效率高,雙面率高,設(shè)備工藝流程簡(jiǎn)化,產(chǎn)品光衰減低,穩(wěn)定性強(qiáng),降本增效空間大,技術(shù)層面,根據(jù)所使用硅片的不同,光伏電池片主要分為晶硅電池片(P型)和非晶硅薄膜電池片(N型),其中PERC是當(dāng)前的主流技術(shù)路徑,市占率在85%左右,但受制于本身光電轉(zhuǎn)換效率臨近天花板,業(yè)內(nèi)正在逐步嘗試使用具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的HJT電池片來(lái)替代。
我國(guó)前三大光伏電池片廠(chǎng)商分別為愛(ài)旭股份、通威股份和隆基綠能,2021年合計(jì)市占率達(dá)36.5%。其中,通威股份在HJT電池方面是絕對(duì)龍頭,國(guó)內(nèi)市占率在20%以上。
光伏的核心指標(biāo)是效率,最終目標(biāo)一定時(shí)平價(jià)上網(wǎng),即光伏發(fā)電的成本要低于火電等傳統(tǒng)能源。我們也可以說(shuō),光伏的生命就在于更高的效率(光能轉(zhuǎn)換成電能的效率),更低的價(jià)格(制造成本的價(jià)格,使用的價(jià)格)。
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