2018年中國光伏技術發展報告(3)

■ 中國可再生能源學會光伏專業委員會

1.3.4.2 金剛線切割發展的技術趨勢

1)大切速。傳統砂漿鋼線切割是通過高速運動的鋼線帶動摻在切割液中的碳化硅游離顆粒磨刻硅棒，切割形成硅片，通常切速僅有0.4 mm/min。金剛線切割是在鋼線表面利用電鍍或樹脂層固定金剛石顆粒，切割過程中金剛石運動速度與鋼線速度一致，切割能力有大幅提升，因而可采用1.0 mm/min甚至1.2 mm/min以上的大切速，切割效率可大幅提升2～3倍以上。以8英寸硅棒為例，傳統砂漿鋼線切割一刀需要約10 h，而金剛線切割只需3 h，2017年新開發的國產專用金剛線切割機(如無錫上機和大連連城)只需2 h甚至1.5 h即可，使設備折舊和人工成本大幅下降。

2)低線耗。相對于傳統砂漿鋼線切割技術，金剛線切割技術的耗材價格已逼近成本線。當前，金剛線耗材成本占切片環節的非硅成本超過50%，主要在于金剛線量產初期的價格虛高和技術應用初期的工藝用線量偏多。隨著金剛線制作技術的普及和行業競爭，價格預計會以每年20%的速度下降。與此同時，由于金剛線切片技術的發展，單片硅片耗線量也在成倍下降，由原先的3 m/片已降至現在的1.5 m/片，單晶硅的金剛線切割甚至可達1 m /片，預計未來會下降到0.8 m /片以下。

3)細線化。在傳統的砂漿鋼線切割過程中，游離態的碳化硅顆粒在磨刻硅棒的同時也在磨刻鋼線，造成鋼線極大磨損，因而細線化非常困難。金剛線切割由于金剛石顆粒固結在鋼線表面，切割過程中金剛石運動速度與鋼線一致，金剛石顆粒不會對鋼線造成傷害，其切割能力也相比傳統游離切割有大幅提升，這給細線化提供了可能。數據測算顯示，金剛線徑每下降10 μm，單片硅成本下降約0.15元，產能提升約4%，可見其降本空間巨大。近年來，金剛線基本以每年10～20 μm 的速度在細線化。2017年，國內先進企業已實現母線70 μm金剛線多晶硅切片量產，單晶硅也已實現母線65 μm量產，母線60 μm金剛線也在實驗中。目前，國產電鍍金剛石線各項技術指標均達到甚至超過日本同類產品，基本已實現國產化。

1.4 晶體硅材料研究展望

參考國際光伏技術路線圖及國內外最新技術進展情況[10]，今后光伏用硅材料的發展趨勢主要有：

1)西門子法仍占據最大市場份額，但流化床法所占比例將持續增加。

2)金剛線切割多晶硅片在2018年將占領絕大部分多晶硅切片市場。

3)光伏用硅片厚度將由2017年的平均180 μm逐漸降低，到2026年預計為150 μm。

4)n型硅片、鑄造類單晶硅片、摻鎵硅片等新技術將會實現一定的產業化應用。

目前，硅材料產業鏈各環節仍然有產能過剩的問題，必須重視科技創新，加大研發投入，不斷降低生產成本，提高產品質量，以期在國際市場上繼續保持領先的地位。

2 晶體硅太陽電池研究進展

2.1 晶體硅太陽電池研究的國際進展

2017年是高效太陽電池效率快速突破的一年。國際上效率超過25%的高效晶體硅太陽電池由4種類型增加為5種類型，效率突破26%的高效晶體硅太陽電池由1種類型增加為2種類型。效率超過25%的高效晶體硅太陽電池分別是：鈍化發射極和背部局域擴散(PERL)太陽電池[11]、交指式背接觸(IBC)[12]太陽電池、異質結(HJT)太陽電池與交指式背接觸(IBC)太陽電池結合在一起的異質結背接觸(HJBC)太陽電池[13-14]、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池[15]、背結背接觸-多晶硅氧化鈍化(BJBC-POLO)太陽電池[16]。表5給出了目前國際上高效晶體硅太陽電池的實驗室效率參數。日本Kaneka公司刷新了其保持的HJBC太陽電池的效率紀錄，由26.33%提高到26.7%；德國Fraunhofer研究所將TOPCon太陽電池的效率由25.1%提高到25.7%。

表5 2017年晶體硅太陽電池的國際發展水平

國際上，德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)和漢諾威萊布尼茨大學采用BJBC-POLO電池結構技術，首次利用p型硅實現了實驗室太陽電池轉換效率超過26%，達到了26.1%[17]，成為第2種效率超過26%的太陽電池。該電池采用交指式背接觸結構(IBC)，正負電極均采用多晶硅氧化層(POLO)技術實現鈍化接觸。采用IBC電池結構的出發點是普通雙面電極的太陽電池在使用鈍化接觸(如TOPCon、HIT)時，雖然提高了鈍化效果和電壓，但由于鈍化層對光的吸收，導致電流有所損失，因此，將鈍化接觸用在正面無遮擋的IBC結構中能降低電流損失。日本Kaneka公司正是采用異質結背接觸技術取得了目前單晶硅太陽電池的世界最高效率26.7%。ISFH采用了FZ法的p型單晶硅片，BJBC-POLO太陽電池的面積為4 cm2，Voc為726.6 mV，Jsc為42.6 mA/cm2，FF為84.3%，效率達到26.1%，電池制備過程如圖13所示。

BJBC-POLO太陽電池的工藝流程是：

1)首先利用熱生長在硅片兩面生長2.2 nm的氧化層，使用LPCVD沉積本征多晶硅。

圖13 BJBC-POLO 電池制備過程

2)利用硼離子注入將背面的多晶硅摻雜為p型。

3)背面進行光刻開孔，保留光刻膠作為阻隔層，兩面離子注入進行磷摻雜，背面得到交叉的p和n摻雜區域。

4)高溫退火，在這一步中正反兩面的鈍化氧化硅薄層厚度減少，局部形成微孔。而這也是POLO技術的核心，通過微孔和隧穿共同實現電流的導通，POLO技術可以看作是納米尺度的背面局部接觸。同時在這一步工藝中，兩面生長氧化層，正面摻雜的多晶硅對硅片起到吸雜的效果。

5)去除正面氧化層，再利用光刻對背面氧化層開孔。

6)利用KOH腐蝕，進行正面制絨、背面斷開摻雜區域的銜接。

7)ALD生長20 nm的AlOx用作鈍化層，正面再用PECVD覆蓋SiNx/SiOx的減反射層，背面只覆蓋SiOx。

8)再次使用光刻對金屬接觸區域開孔。

9)背面蒸鍍鋁電極，然后濺射氧化硅。

10)利用化學法除去分隔溝中的金屬，完成背電極的分離，形成完整的BJBC-POLO太陽電池。

目前整套電池制備工藝相對復雜，并且多次使用了光刻和對準工藝，ISFH 的技術人員正在研究如何使用激光技術代替光刻技術。

2017年，多晶硅太陽電池的效率也再創新高。德國Fraunhofer研究所采用TOPCon電池結構，在n型硅襯底上打破了其保持的21.9%的多晶硅太陽電池效率紀錄，將發電效率從21.9%提升至22.3%[18]，圖14為該電池的結構。

該電池使用了Fraunhofer研究所自己研發的n型摻磷高性能多晶錠(G2，75 kg)，50 mm×50 mm硅片的少子平均壽命為600 μs，最好的晶粒的少子壽命達到1.5 ms(圖15a)。

圖14 TOPCon 多晶硅太陽電池的結構

該電池的制造工藝為：首先采用干法在黑硅表面制絨(圖15b)，反射率在波長80～1000 nm 時是2.8%，沉積多層鈍化和減反射膜Al2O3/SiNx后，反射率降至1%；然后采用BBr 硼擴散(Rsheet=90 Ω/□)形成發射級 p+，Al2O3/SiNx沉積形成鈍化和減反射膜，背面生長薄的隧穿氧化層和摻雜多晶硅，800 ℃退火，形成TOPCon 電池結構；最后蒸發法制備Ti/Pd/Ag，形成電極。

最好的n型TOPCon多晶硅太陽電池的參數為：Voc=674.2 mV，Jsc=41.1 mA/cm2，FF= 81.6%，效率為22.3%。

圖15 TOPCon 多晶硅太陽電池的少子壽命與黑硅表面形貌

2.2 晶體硅太陽電池研究的國內進展

2017年我國單晶硅太陽電池的實驗室研究總體處于從“跟跑”到“并跑”的轉變。我國企業在2017年多次打破不同結構太陽電池的光電轉換效率世界紀錄。天合光能研發的大面積IBC太陽電池效率突破了25.04%[19]，是經第三方權威認證的中國實驗室效率首次超過25%的單結晶體硅太陽電池；也是目前世界上大面積6英寸晶體硅襯底上制備的晶體硅太陽電池的最高轉換效率，其使中國本土實驗室首次加入了25%效率俱樂部。隆基樂葉PERC單晶硅太陽電池轉換效率的最高水平已達23.26%[20]，創造了PERC單晶硅太陽電池的世界紀錄。

我國多晶硅太陽電池的實驗室研究處于“領跑”地位。繼2015年天合光能的光伏科學與技術國家重點實驗室創造了21.25%[21]的多晶硅太陽電池轉換效率世界紀錄后，晶科能源創造了高效PERC p型多晶硅太陽電池(大面積245.83 cm2)光電轉換效率世界紀錄，達22.04%[22]。

2.3 晶體硅太陽電池的產業化進展

我國在低成本高效率晶體硅太陽電池制造方面處于國際先進水平。2017年，我國產業化太陽電池效率得到了大幅提升，PERC、PERT、IBC、HJT、PERL、TOPCon等高效太陽電池的產業化開發和產業化生產都取得了快速發展。

2.3.1 PERC太陽電池

2.3.1.1 發展概況

PERC太陽電池與常規太陽電池的不同之處在于電池背面。PERC太陽電池采用高質量的介質膜來鈍化電池背面，取代了傳統的全鋁背場，從而大幅度降低了電池背面的復合速率，開路電壓提升幅度達到10～20 mV，長波長光子量子響應明顯提高，使156 mm×156 mm電池的短路電流提升 0.2～0.4 A[23-25]。Al2O3、SiO2及 SiNx等介質膜都可用作電池背面的鈍化膜，目前產業化應用較多的是Al2O3/SiNx疊層膜。

自2013年，PERC 太陽電池逐漸進入量產和快速發展階段。國外先進電池制造商德國SolarWorld率先進行了PERC太陽電池的量產。隨后，德國Q-Cells(已被韓華收購)，中國臺灣電池廠家如SunRise、GinTech，以及國內一線電池制造商紛紛跟進。國內龍頭電池制造商如隆基樂業、天合、晶澳、英利、協鑫等，已經分別推出其PERC太陽電池及組件產品。據中國光伏行業協會的預測，2017年全球PERC太陽電池的產能將達20 GW ，而實際產能將可能為14 GW。目前市場上以PERC單晶硅太陽電池為主，平均效率一般為20.8%～21.5%；部分制造商也開始生產PERC多晶硅太陽電池，效率為19.5～20.8%。60片PERC電池的單、多晶硅組件功率分別為295～315 Wp和280～300 Wp，如協鑫集成量產的PERC多晶黑硅太陽電池的效率達到20.8%，60片組件功率超過300 Wp。

實現PERC太陽電池的量產，Al2O3沉積設備是其中的關鍵設備，PECVD和ALD沉積技術是2種主要的工藝。從目前產業化的情況來看，PECVD沉積技術的應用更為廣泛，在產業化方面占主導地位，而ALD沉積Al2O3鈍化膜設備的市場占有率正在逐步增加。同時，也出現了采用氧化鋁漿料形成AlOx膜鈍化PERC太陽電池的方法，該方法通過絲網印刷制備涂覆氧化鋁漿料，省去了PECVD和ALD設備。

各大電池制造商持續投入科研力量進行電池效率的提升和產業化量產，將陷光、鈍化技術及抗光衰等先進技術統一集成在PERC技術框架下。比如，晶科能源2017年研發的大面積(245.83 cm2)p型PERC多晶硅太陽電池，轉換效率高達22.04%，創造了PERC多晶硅太陽電池的世界紀錄，并被收錄到馬丁·格林教授主編的《太陽電池效率表》中；隆基樂葉PERC單晶硅太陽電池轉換效率的最高水平已達到23.26%，創造了PERC單晶硅太陽電池的世界紀錄。 (待續)