什么是光伏電池片?光伏電池片的種類有哪些?

在碳中和的大背景下，新能源行業(yè)的發(fā)展迎來機(jī)遇。光伏是新能源發(fā)展中非常重要的一個方向，而光伏電池片在光伏產(chǎn)業(yè)鏈眾多環(huán)節(jié)中占據(jù)重要地位。

什么是光伏電池片？

光伏電池片是指能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體材料組件。它是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。

這個過程中，光能的能量被轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生直流電流。這個直流電流可以存儲在電池中，用于供電或者通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，以滿足家庭或企業(yè)的用電需求。

光伏電池片通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組成光伏電池組，以提高輸出電壓和電流。光伏電池組則通過安裝在太陽能光伏發(fā)電設(shè)備上，如太陽能電池板，形成光伏電池組件。多個光伏電池組件可以組合成光伏電池陣列，以實(shí)現(xiàn)更大的電能輸出。

光伏電池片的種類及優(yōu)缺點(diǎn)介紹

光伏電池片是太陽能電池的核心組成部分，可分為多晶硅光伏電池片、單晶硅光伏電池片、薄膜光伏電池片三類。三類電池片優(yōu)缺點(diǎn)具體如下：

光伏電池片的結(jié)構(gòu)

光伏電池按結(jié)構(gòu)大致可分為鋁背場(BSF)電池片、PERC電池片、異質(zhì)結(jié)(HJT)電池、TOPCon電池、IBC電池等。

1、鋁背場(BSF)電池片

鋁背場(BSF)電池片是一種常見的太陽能電池片結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，鋁是作為背電極使用的材料。鋁背電極涂覆在電池片的背面，并提供背部的電場。有助于一些從光伏材料中產(chǎn)生的電子激發(fā)到背部電極，從而增強(qiáng)了光電轉(zhuǎn)換效率。

鋁背場電池片的制造過程是先在硅表面進(jìn)行磷摻雜形成N型區(qū)域，再在N型區(qū)域上使用背場的化學(xué)蝕刻或物理蝕刻技術(shù)來形成鋁背電極。

通過在正面應(yīng)用適當(dāng)?shù)谋∧せ蛲繉觼硇纬蒔型區(qū)域，從而形成p-n結(jié)。最后，在電池片的正面和背面的電極上涂覆金屬網(wǎng)格，以便收集電流。

鋁背場電池片是最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的晶硅電池結(jié)構(gòu)，于1973年被首次提出，2016年時市占率超過90%，具有工藝流程簡單、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

2、PERC電池片

PERC電池片也稱為發(fā)射極背面鈍化電池(Passivated Emitter and Rear Cell)

PERC電池在傳統(tǒng)BSF電池的基礎(chǔ)上增加背面鈍化以及激光開工兩道工藝來提高轉(zhuǎn)換效率，性能實(shí)現(xiàn)明顯提升。

PERC電池片的主要工藝流程為硅片的清洗制絨、擴(kuò)散制PN結(jié)、激光摻雜制備SE、背面鈍化、激光開孔/開槽、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、測試等。具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程短、設(shè)備成熟度高等優(yōu)點(diǎn)。

3、TOPCon電池

TOPCon是一種基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸的太陽能電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為良好的鈍化效果。

TOPCon電池結(jié)構(gòu)為N型硅襯底電池，在電池背面制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合，為N-PERT電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升提供了更大的空間。

TOPCon電池最大程度保留和利用現(xiàn)有傳統(tǒng)P型電池設(shè)備制程，只需增加硼擴(kuò)和薄膜沉積設(shè)備，無須背面開孔和對準(zhǔn)，極大的簡化了電池生產(chǎn)工藝，量產(chǎn)化難度低。工藝設(shè)備產(chǎn)線兼容性高，可與PERC、N-PERT雙面電池的高溫制備工藝產(chǎn)線相兼容。TOPCon電池?fù)碛械退p、高雙面率、低溫度系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在終端電站的發(fā)電增益效果明顯。

4、異質(zhì)結(jié)(HJT)電池

異質(zhì)結(jié)電池，簡稱為HJT電池。HJT電池是一種利用晶體硅基板和非晶體硅薄膜制成的混合型太陽能電池。

由不同的半導(dǎo)體材料或同種材料不同結(jié)晶狀態(tài)的PN結(jié)制備而來，通過在異質(zhì)結(jié)界面插入本征非晶硅薄層來鈍化電池的正、背表面，實(shí)現(xiàn)更為良好的鈍化效果。

HJT電池的結(jié)構(gòu)由N型單晶襯底、光照側(cè)P-i型氫化非晶硅層(膜厚5～10nm) 、背面?zhèn)萯-N型氫化非晶硅層(膜厚5～10nm)以及兩側(cè)透明電極和集電極構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)，是一種雙面電池。

HJT電池具有效率高、低衰減、溫度系數(shù)低、雙面率高、工藝簡單、薄片化等優(yōu)勢。

5、IBC電池

IBC電池，也稱為交叉背接觸電池，是將電池正面的電極柵線全部轉(zhuǎn)移到電池背面，PN結(jié)和金屬接觸都處于電池背部，呈叉指狀方式排列，從而減少電池柵線對陽光的遮擋，提高電池轉(zhuǎn)換效率。

IBC電池是一種較為純粹的單面電池，主要通過結(jié)構(gòu)的改變來提高轉(zhuǎn)換效率，IBC電池沒有遮蔽電池的正面金屬觸點(diǎn)，因此具有更高的光子撞擊轉(zhuǎn)換面積。

IBC電池結(jié)構(gòu)可以與PERC、TOPCon、HJT、鈣鈦礦等多種技術(shù)疊加，因此有望成為新一代的平臺型技術(shù)。IBC與TOPCon技術(shù)的疊加被稱為“TBC”電池，與HJT技術(shù)的疊加則被稱為“HBC”電池。

IBC電池外形美觀，尤其適用于光伏建筑一體化，具有較好的商業(yè)化前景。

光伏電池片生產(chǎn)工藝流程

工序一：硅片清洗制絨

單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅表面形成幾百萬個四面方錐體即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。

硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價、濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面硅，腐蝕溫度為70-85℃。

為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑，以加快硅的腐蝕。制備絨面前，硅片須先進(jìn)行初步表面腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20～25μm，在腐蝕絨面后，進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。

工序二：擴(kuò)散制結(jié)

硅片的單/雙面液態(tài)源磷擴(kuò)散，制作N型發(fā)射極區(qū)，以形成光電轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)：PN結(jié)。POCl3液態(tài)分子在N2載氣的攜帶下進(jìn)入爐管，在高溫下經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)磷原子被置換，并擴(kuò)散進(jìn)入硅片表面，激活形成N型摻雜，與P型襯底形成PN結(jié)。主要的化學(xué)反應(yīng)式如下：POCl3+ O2 → P2O5 + Cl2；P2O5+ Si → SiO2 + P

工序三：等離子刻蝕

由于在擴(kuò)散過程中，即使采用背靠背擴(kuò)散，硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地擴(kuò)散。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面，而造成短路。

因此，必須對太陽能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結(jié)。通常采用等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下，反應(yīng)氣體CF4的母體分子在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。

等離子體是由帶電的電子和離子組成，反應(yīng)腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑磻?yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場作用下到達(dá)SiO2表面，在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，被真空系統(tǒng)抽出腔體。

工序四：去除磷硅玻璃

該工藝用于太陽能電池片生產(chǎn)制造過程中，通過化學(xué)腐蝕法即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。

在擴(kuò)散過程中，POCL3與O2反應(yīng)生成P2O5淀積在硅片表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成SiO2和磷原子，這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱之為磷硅玻璃。

去磷硅玻璃的設(shè)備一般由本體、清洗槽、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械臂、電氣控制系統(tǒng)和自動配酸系統(tǒng)等部分組成，主要動力源有氫氟酸、氮?dú)狻嚎s空氣、純水，熱排風(fēng)和廢水。

氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。若氫氟酸過量，反應(yīng)生成的四氟化硅會進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸。

工序五：減反射膜制備

適合作為抗反射層的材料，包括氧化鈦(TiO2)、氮化硅(SiNx)、一氧化硅(SiO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化銫(CeO2)等。抗反射層的涂布技術(shù)，以化學(xué)蒸鍍法(簡稱CVD)最普遍被工業(yè)界采用。CVD法又可分為APCVD (Atomspheric Pressure CVD)、PECVD(Plasma Enhanced)及RPCVD(Reduced Pressure CVD)。

在工業(yè)界上，APCVD和PECVD被普遍采用。物理蒸鍍法雖也可被用來制造抗反射層，但普及率不高。

PECVD法一般是被用來產(chǎn)生氮化硅(SiNx)的抗反射層，在做法上，是在反應(yīng)爐內(nèi)通入SiH4及NH3(或N2)氣體，使它在硅晶表面產(chǎn)生一層非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化硅( SiNx )抗反射層。在這抗反射層里，會含有將近40%原子比例的氫原子，所以雖然我們把非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化硅化學(xué)式寫成SiNx，但它實(shí)際上應(yīng)該是a-SiNx:H。

PECVD法示意圖

工序六：絲網(wǎng)印刷

用絲網(wǎng)印刷的方法，完成背場、背電極、正柵線電極的制作，以便引出產(chǎn)生的光生電流。工藝原理：給硅片表面印刷一定圖形的銀漿或鋁漿，通過燒結(jié)后形成歐姆接觸，使電流有效輸出；

正面電極用Ag金屬漿料，通常印成柵線狀，在實(shí)現(xiàn)良好接觸的同時使光線有較高的透過率；背面通常用Al金屬漿料印滿整個背面，一是為了克服由于電池串聯(lián)而引起的電阻，二是減少背面的復(fù)合；

背電極印刷及烘干(銀漿或鋁漿)；背電場印刷及烘干(鋁漿)；正面電極印刷(銀漿)

工序七：燒結(jié)

完成網(wǎng)印的晶片，要置于高溫爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的過程，這目的在于燒掉金屬膏里的有機(jī)化合物，并使得金屬顆粒燒結(jié)在一起，形成好的導(dǎo)體，同時也要借著高溫與晶片表面形成很好的接合，正面的金屬膏是涂在ARC層上面，而背面的金屬膏是涂在N型硅上面。

在燒結(jié)過程，金屬膏內(nèi)的活性物質(zhì)必須要穿透ARC層，而與N+發(fā)射極接觸。所以燒結(jié)的溫度與時間是很重要的，過度的燒結(jié)會使得銀原子穿透N+發(fā)射極而進(jìn)入底部的P型基板。反之，不足的燒結(jié)程度，則會導(dǎo)致過高的接觸電阻。

工序八：檢驗(yàn)和分級

通過模擬太陽光脈沖照射PV電池表面產(chǎn)生光電流，光電流流過模擬負(fù)載，在負(fù)載兩端產(chǎn)生電壓，負(fù)載裝置將采樣到的電流、電壓傳送給SCLoad計算,得到IV曲線及其它指標(biāo)。SCLoad根據(jù)測試結(jié)果，按照給定的分類規(guī)則分類。

哪些企業(yè)在做電池片？

根據(jù)Infolink Consulting數(shù)據(jù)，2024年上半年中潤光能、捷泰科技、通威股份、愛旭股份與英發(fā)睿能拿下全球電池出貨量Top5，總出貨量為77.96GW。

此外，晶科能源、晶澳科技、天合光能在電池片方面也有布局。

數(shù)據(jù)來源：各企業(yè)財報

光伏電池片未來發(fā)展趨勢

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，截至2023年底，全球電池片總產(chǎn)能達(dá)到1032GW，突破TW大關(guān)；全球電池片總產(chǎn)量達(dá)643.6GW。

光伏電池作為光伏產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，主導(dǎo)著整個行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，企業(yè)紛紛尋求降低成本的新途徑。2023年，大尺寸產(chǎn)品已成為市場主流，矩形片產(chǎn)能或?qū)㈥懤m(xù)釋放。

2023-2030年不同電池技術(shù)路線市場占比變化

趨勢來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會

展望未來，2024年主流廠商將繼續(xù)聚焦于矩形片的降本增效，通過提升組件功率來進(jìn)一步增強(qiáng)市場競爭力。隨著TOPCon電池片生產(chǎn)設(shè)備成本的不斷降低和生產(chǎn)效率的持續(xù)提升，預(yù)計到2024年，TOPCon電池片和PERC電池片的市場占有率將發(fā)生顯著變化。

內(nèi)容資料參考來源：能課堂、中國光伏行業(yè)協(xié)會CPIA、常州君合科技、碳排放與碳中和等