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光伏工业开展面对的应战 以技术手段降低成本
来源:http://elnk5j.cn 责任编辑:环亚ag88手机版 更新日期:2018-09-28 09:28
光伏工业开展面对的应战 以技术手段降低成本 曩昔的五年内,光伏工业以极端惊人的速度树立起了巨大的出产才能,其间首要是交钥匙型的出产线。为了应对下一波的出资热潮,极有必要预备新的IP。一种办法是联合光伏制作公司、设备制作公司和研制组织组成协作团

  光伏工业开展面对的应战 以技术手段降低成本

  曩昔的五年内,光伏工业以极端惊人的速度树立起了巨大的出产才能,其间首要是交钥匙型的出产线。为了应对下一波的出资热潮,极有必要预备新的IP。一种办法是联合光伏制作公司、设备制作公司和研制组织组成协作团队。经过联合各方的力气,光伏工业的参加者将为夸姣的未来做好预备。



图. IMEC现已开发了i-PERC太阳能电池,改善了不和的外表钝化,使得电池更薄的一同具有更高的功率。 (来历: IMEC)

  光伏工业的经济应战

  现在光伏商场根本上都是晶体硅太阳能电池(占有90%以上的商场份额),这种格式将会至少持续十年。不过,为了保证这种持续添加,咱们将面临多个经济应战。

  1)晶体硅太阳能电池将面临价格竞赛,因为新的薄膜技能的呈现。即便这些薄膜技能都面临长时间的安稳性问题,它们的呈现仍毫无疑问地在中短期内对晶体硅太阳能电池的价格构成压力,有业内人士估量在未来3-5年,价格将会下降30-40%。

  2)曩昔,在已有的太阳能出产线上引进工艺改善是一个相对缓慢的进程,特别与微电子范畴的快速技能革新比较。因为已有的光伏工业参加者的数量添加,以及从微电子范畴转过来的新参加者具有强壮的半导体工艺布景和快速运用新工艺的才能,新技能的选用将肯定会加速。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参加更是加强了这种趋势。这些设备制作商纷繁进入光伏范畴的原因,除了此范畴具有扩张的空间外,微电子范畴剧烈的竞赛引发兼并潮而只给少量大公司留有空间,也使得一些较小的企业转到光伏范畴来。

  3)前十年的微弱添加,以及后十年的预期添加,是因为一些国家,如日本和德国,采取了特别的方针。特别是德国所发明的电网回购价格(Feed-in Tariffs)体系造就了光伏工业巨大的昌盛。不过也可预见,在未来几年,这些政府将会以比起先规划更快的速度削减电网回购价格。因而,比较原先的估量,光伏公司将被逼以更快的速度下降其方针本钱。

  以技能手段下降本钱

  为了在上述的经济改动中坚持竞赛力,光伏工业可选用不同的战略来下降晶体硅太阳能电池的本钱。

  1)为了面临(暂时的)多晶硅缺货瓶颈,以及为了下降本钱,一个企图削减每单位峰值功率所需纯硅的计划正在雄心壮志地展开。考虑到不管是否运用更薄的硅片都不想献身太阳能电池变换率,这个计划的确有应战,需求对晶体硅太阳能电池工艺做很多的改动。一个 根本的趋势是,要到达在下降一半硅资料的一同将功率进步约25%的方针(行将工业上的晶体硅太阳能电池变换率从16%进步到20%以上)。

  2)晶体硅本钱并非是仅有的需求下降的本钱。特别是在金属化方面,本钱估量也能够有明显的改动。用更低本钱的计划来代替铝浆料(paste),或代替银触摸孔是很重要的,后者对长时间安稳性尤为重要,因为银的安稳性问题在光伏商场到达每年几万兆瓦后会特别杰出。

  3)制作本钱的下降需求咱们联合行动。不管衬底厚度减薄与否,能够经过将硅片尺度从156mm增大到210mm来完成制作本钱的下降,扩大设备和进步设备功率也是有用的途径。工厂的规划将添加10到20倍,从现在的50MW/年到1GW/年的规划。长时间而言,笔直集成上游(多晶硅质料的出产、结晶化和切开硅片)和下流(模块、模块和逆变器的集成)以下降本钱到所期望的市电同价(grid parity)水平,乃至更低。(因为长时间看,市电同价还不行,光伏需求比一般发电厂的电力本钱更有竞赛力。)

  削减每单位峰值功率所需的硅

  一个下降硅太阳能电池本钱的重要尽力是削减每单位峰值功率所需的硅。现在干流的出产办法是在180微米厚的硅片上做出太阳能电池单元并组装成模块。今日大部分光伏厂没有相应的设备来处理薄得多的电池单元,不过在试验室里现已证明能够做出变换率超越20%,厚度只要50微米的太阳能电池单元。选用先进的硅片传送(如选用暂时载体片),根据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过程会逐步集成进模块组装线中。

  为了在如此薄的硅片上到达变换功率的方针,需求将PERL(passivated emitter, rear locally diffused)办法的钝化处理和Inter-digitated不和(back-side)触摸孔(i-BC)引进工业处理流程(i-PERL,i2-BC)。咱们估量PERL概念将先行进入商场,因为对今日的正面(front-side)触摸孔的单元制作线来说这是水到渠成的下一步。但是,久远上看,不和的单元将获重要的商场份额,乃至有可能超越正面的单元。

  外延太阳能电池单元是一种新的计划,在低本钱的、夹有一层多孔硅反射层的硅载体片上,外延成长一层很薄的(小于20微米)高质量硅作业层。在埋入的多孔硅层上外延成长后,电池单元的处理就和一般的办法根本相同了。关于干流的出产线来说,这个计划能够作为全体(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出资即可完成。在试验室,16%的变换功率(小面积)现已成功完成。很有可能是根据外延的单元会比根据在大面积非硅基材(如玻璃)淀积多晶硅层的薄膜单元更早进入出产。这种晶体薄膜硅单元的确具有强壮的价格潜力,不过在引进商场前,在变换功率上还需求有所突破。

全体硅太阳能电池单元面临的技能应战

  比利时研制中心IMEC在新太阳能电池技能和概念的研制已有25年的前史。关于全体硅太阳能电池单元的工艺技能上,对不同的项目进行了研讨,以战胜现在技能的约束。IMEC计划与全球的光伏协作伙伴一同,处理下述的应战。

  先进的外表和触摸孔的钝化

  ·现在技能的局限性

  钝化发射极和不和单元(PERC)因为在基体、正面和不和外表十分低的复合,而具有高的断路电压和短路电流密度。在这些单元中,由铝硅触摸孔生成的不和欧姆触摸孔区域仍然是个相对没有较好钝化的区域。在这些区域复合的作用,可经过将各触摸孔区域的距离添加到比基体厚度更大来下降,不过这个较大的距离将会导致相对低的填充因子。并且,不和铝硅触摸孔具有相对高的触摸电阻,会限制后续的单元规划。别的,当钝化技能用在惯例的正面和不和的触摸孔的单元外表内的高掺杂区域中,钝化单元内要害区域的要求尤为重要,而现在常用的氮化硅钝化技能无法满意这个与该层所含电荷相关的要求。

  ·新技能的研讨

  首要,咱们在研讨一些新颖的计划以生成部分分散区域,作为部分正面或不和的外表场。这可将在根底触摸孔区域的有用复合速度(effective recombination velocity)下降,优于一般选用铝平板印刷触摸孔(Al screen-printed contact)的不和外表场(BSF)计划。而选用硼不和外表场(Boron Back Surface Fields)可取得所需的估量单元功率。由气体源(如BBr3)完成的硼分散现在是这个计划的根本工艺。尽管这个工艺现已研讨了许多年,但因为存在多个缺陷,它还没有在出产中被广泛选用。这个工艺需求处理温度大于1000°C(以将硼分散进硅),晦气基体的运用年限。硼硅表层含有过多的硼而难以用氢氟酸刻蚀(因而需求不断重复刻蚀和再氧化的过程)。为此,IMEC研讨等离子注入BSF,由液体源完成硼分散的BSF,选择性外延成长BSF。



图1. 硼掺杂的新计划:等离子注入BSF(左)和选择性外延成长BSF(右)。

  其次,新的钝化计划也在研讨中。根据惯例绝缘资料(如氮化硅)的基底钝化计划没有将变换功率提到到20%以上的潜力。除此之外,关于长时间的不和触摸孔电池单元的模块级处理,需求运用更低的工艺温度。为此,IMEC的研讨经过负电荷绝缘资料(如用ALD(原子层淀积设备)淀积Al2O3层)、PECVD a-Si:H钝化层,以及其他代替绝缘资料(如低介电常数资料、多孔绝缘层、含硫钝化层等),来下降彼此触摸孔区域(inter-contact region)的有用复合速度。

  先进新颖的发射极(emitter)

  ·现在技能的局限性

  大部分最先进的工业化的电池单元工艺选用POCl3来分散磷,以生成发射极。发射极准确的掺杂剖面临电池的终究功能有巨大的影响,并且还需求在发射极掺杂与触摸孔生成之间寻觅平衡。举例来说,假如选用平板印刷触摸孔,发射极的外表区域需求相应高浓度(>1020cm-3)的掺杂,以得到好的欧姆触摸。而外表浓度较低有利于外表钝化处理。因而发射极的掺杂剖面需求精巧的规划。

  ·新技能的研讨

  研讨的首要意图是:加速正面触摸单元的蓝光呼应(blue response)、削减发射极饱满电流密度,以及添加正面和不和触摸孔单元的断路电压,经过以下办法来完成:选用POCl3分散和/或优化的丝网印刷浆料的植入构成的浅同质结(shallow homo-junction)发射极;选择性的正面发射极(浅n+发射极与触摸孔区域下的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. 外延发射极的超卓UV呼应。

  衔接(Contacting)导线

·当时技能的局限性

  工业界规范的衔接太阳能电池的工艺存在一些缺陷。首要,丝网印刷的正面选用银浆料进行金属化,会发生较差高宽比的触摸(导线的宽度相对太大),而可印刷的浆料组分会导致触摸的导电质量欠佳。别的,不良的触摸电阻将需求发射极具有较高的外表掺杂浓度。

  ·新技能的研讨

  因而,需求开发新的金属化技能,它们具有高产能的潜力并能保证功能的可持续性(例如将银从正面金属化工艺中筛选),一同它们在改善金属掩盖度、下降衔接电阻和下降资料本钱方面也具有很好的潜力。

  这些金属化技能有必要与整个制作技能的本钱效益相匹配,特别是背触摸的电池,其电极触摸的距离要求可能十分严厉。

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

  关于通孔(via)的制作,用于图形界说(pattern definition)的(UV)激光切除、用于绝缘资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讨中。

光学方面的改善

  ·现在技能的局限性

  传统的太阳能电池的光学功能有限。一般的正面结构的榜首反射比和直接光线耦合功能体现得还不错,但不和结构显示出较差的内部反射和较高的寄生吸收,因而在最好的情况下,途径长度添加因子(path length enhancement factor)大约是7。这关于较厚的硅片来说还能够承受,但关于根据十分薄的衬底的高功率电池来说就不行了。别的现在的技能会消耗掉不少的硅资料,不适于在很薄的硅衬底上选用。咱们要尽量刻蚀最少量量的无缺电池所需的硅。

  传统办法的另一个缺陷是,他们本质上是一个双面的工艺,经过将硅片滋润在化学溶剂中来完成,这与不和所要求的超卓的外表钝化不一致,不和需求滑润的外表。因而,需求开发可行且有用的单面纹理化(texturing)工艺。不和的反射体需求具有较高的反射率(大于90%),但需求是低本钱的,且与外表钝化处理计划匹配。

  终究,需求研讨先进的抗反射掩盖(anti-reflection coating, ARC)。氮化硅体现的很好,但为了取得十分高的功率,或许需求选用多层的抗反射涂层。这种ARC在引进新的密封剂后,可使变换功率在UV段体现得更好。

  ·新技能的研讨

  研讨的方针是在不献身外表功能的一同来增强光学途径长度。这补偿了薄硅片的低吸收才能,是进步薄硅片变换功率的重要因素。为到达这个意图,需求的技能包含:研讨等离子纹理化技能来取得单面纹理化;选用湿法刻蚀的随机棱锥(random pyramid)工艺;具有比规范的氮化硅ARC更低反射率的抗反射涂层(如双层或多层或分段ARC);在电池单元不和用绝缘的或有色的反射体。



图3. 等离子纹理化(texturing)设备(左);纹理化外表的SEM相片(右)。

  定论

  今日,光伏工业已到达150-200亿美元的商场规划,并将在2020年到达1000亿美元以上。为了持续取得并保持如此快的添加速度,光伏工业需求研制投入,以开宣布更低本钱和更高功率的太阳能电池。外延和薄膜电池是面向未来的新概念。出产企业和设备制作商与研讨组织的联合研制,在芯片范畴被证明是成功的形式,它也将在光伏工业取得成功。

  作者:

  Els Parton在比利时的鲁汶大学取得工程学位和生物学的博士学位。她在2001年作为学术修改参加IMEC,担任协作编写很多的技能文章和出版物。Email: Els.Parton@imec.be

  Philip Pieters在比利时的鲁汶大学取得电子工程的硕士和博士学位。他在1994年参加IMEC,在异质集成(Heterogeneous integration)和射频SIP技能方面做了很多的开拓性研制。在2002年转到事务拓宽部分,担任More than Moore方面的事务拓宽。从2009年起,他专心光伏的事务拓宽。

  Jef Poortmans于1985年在比利时的鲁汶大学取得电子工程学位,他参加IMEC并在1993年取得博士学位,随后他参加光伏组,并担任先进太阳能电池组。在此结构内,他开端了关于薄膜晶体硅太阳能电池的研制作业,一同还在欧盟第四和第五结构项目中担任和谐多个相关的欧盟项目,并在2003年成为项目和谐人(cluster coordinator)。在1998年,他还在IMEC创建了有机太阳能电池的研制项目,并在2000年开端三五族太阳能的研制。现在他是IMEC战略项目SOLAR+的项目担任人,此项目包含了IMEC内部一切与光伏技能研制有关的作业。他仍是一本关于薄膜太阳能电池的书本的学术修改,并是E-MRS内多个薄膜太阳能会议联合组织者。作为EUREC组织的董事,他参加了欧洲光伏技能渠道对光伏太阳能技能的战略研讨议程的预备。他是第21届欧洲光伏太阳能研讨会暨展会的总主席。

  

   光伏工业晶体硅太阳能电池

 
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