哪种金属化技术最利于异质结电池HJT降本?

作者: | 发布日期: 2018 年 08 月 10 日 17:35 | 分类: 新能源知识

摘要:以高效异质结电池为出发点,阐述了异质结电池技术发展现状,介绍了丝网印刷技术、电镀技术、喷墨打印技术三种不同的电池金属化技术,分析了不同方法在异质结电极制备中存在的优缺点,并对未来低成本、高效率异质结电池电极金属化技术进行了展望。

0引言

能源和环境的可持续发展已成为全球关注的热点问题,光伏发电拥有传统能源无法比拟的优点,实现了将太阳能直接转换为电能[1],是最理想的、持续发展的绿色能源。那么如何充分利用太阳能,提高太阳能电池光电转换效率,降低太阳能电池度电成本,已经成为科研人员奋斗的终极目标[1]。在高效太阳能电池技术革新的进程中,异质结电池被誉为未来最可能实现大规模工业化应用的高效N型电池,预计会在2020年前后实现平价上网[2-5]。然而目前其居高不下的成本也让很多企业一直处于观望的态势。如何在保证高效率的同时降低太阳电池制造成本已成为业内研究机构和企业重点开展的研究课题。

在异质结电池制备的工艺过程中,电池金属化工艺是决定电池效率和电池成本高低的关键步骤之一,金属电极既要与硅界面有高的粘结强度和低的接触电阻,又要为电流输出提供高导通路[2-3]。目前商用晶硅电池金属电极的制备大多采用丝网印刷技术[3],然而丝网印刷技术能否满足未来异质结电池高效率、低成本发展的市场需求颇受质疑。探究与异质结电池匹配的金属化技术是降低电池成本、提高电池光电转换效率的有效途径之一。目前很多研究机构和企业已经开展了相关的研究和实践,为高效异质结电池产业化应用推广奠定了技术基础。

1异质结电池技术发展现状

国内外光伏市场发展迅速,高效率、低成本的太阳能电池成为光伏市场需求的必然方向,在市场大环境的导向下异质结太阳能电池应运而生[6]。异质结电池的发展是从20世纪60年代开始的,1968年实现晶硅与非晶硅结合的异质结器件,1974年首次实现氢化非晶硅,减少非晶硅的缺陷,1983年异质结电池第一次制备成功,效率为12.3%,面积仅0.25%[6-7]。1991年日本三洋公司首次将本征非晶硅引入异质结电池结构,实现了优良的界面钝化,制备出效率为18.1%的电池,并将该结构的电池命名为异质结电池[8]。异质结电池技术经过几十年的发展,电池转换效率得到很大提升。松下公司2013年收购三洋公司后,公布的实验室效率达到24.7%,后又结合背接触技术电池效率达到25.6%。2016年最新报道,日本NEDO研发机构与日本KANEKO公司联手,利用异质结与背接触耦合技术,将电池的转换效率提高至26.33%,刷新了世界新高纪录。

目前市面上90%的商用晶硅电池的金属电极制备都采用丝网印刷工艺[8-9],然而高效异质结电池的制备工艺比较特殊,全程采用低温工艺[8],决定了其电极的制备工艺与传统有所不同。探究与异质结电池匹配的金属化技术及工艺设计参数,获得高“高宽比”、低接触电阻的金属栅极是发挥高效异质结电池光电转换效率的重要途径[10-14]。另外,在单面电池片成本构成中,银浆占整个电池成本的10%~15%[11],而异质结电池为双面电池,银浆消耗量几乎是传统单面电池的2倍,因此,寻找价格低廉、与异质结电池匹配的金属化替代材料,探究易于操作的金属化技术成为降低高效异质结电池成本的又一条重要途径。

2异质结电池金属化方法

异质结电池的生产工艺主要包括非晶硅层沉积、导电膜沉积、表面金属化、低温烧结等过程。表面金属化则是异质结电池制备过程中最为关键的环节之一,不但要保证与硅界面有高的粘结强度和低的接触电阻,同时要为电流输出提供高导通路,这一环节是电池光电转化效率和电池成本高低的主要影响因素之一[13]。

随着光伏行业电池制造技术、浆料制备技术的不断改进创新,电池金属化工艺也不断取得新的进展,常见的晶硅电池金属化技术包括丝网印刷、电镀、喷墨打印等。在传统丝网印刷技术及浆料性能提升和应用过程中,其他的金属化技术都得到了不同程度的改进和发展[11]。

2.1丝网印刷技术

丝网印刷是通过丝网印刷设备将浆料印刷至电池表面,浆料中的金属颗粒在高温条件下,表面熔融相互连接并刻蚀硅板,形成可靠地黏结和电学接触。目前,工业界普遍采用丝网印刷技术在电池基底材料上印刷电池栅线即金属电极。丝网印刷技术相对其他技术而言,首先其设备结构相对简单、价廉、易于操作;其次印刷工艺成熟,生产效率高,容易实现大规模的自动化生产,在一定程度上可以节约时间和成本。但丝网印刷也存在几点不足:一是印刷过程中丝网与基底(硅片)接触,易造成硅片的破损及二次污染;二是丝网印刷往往造成浆料的浪费;三是目前印刷精度和印刷细栅的高宽比很难再提高[15],但高高宽比金属栅极却是提高电池光电转换效率的关键环节。在印刷技术不断发展中,丝网印刷工艺历经了一次印刷到多次印刷的转变,栅线的高宽比虽有提高,但在效率提升上与其带来的印刷精度难控制和栅极延展等质量问题相比贡献甚小。

在丝网印刷过程中,银浆是金属化工艺所采用的关键材料。传统晶硅电池通常采用高温烧结将银浆有机相烧除,银粉表面熔融并互相烧结在一起,形成非常良好的导电通路。然而异质结电池金属化工艺过程采用低温工艺,工艺温度一般低于250℃,须使用低温导电银浆,其中银粉表面包覆保护剂,保护剂外层连接树脂,电子依靠量子隧穿效应从一个银粉单位转移到另一个银粉单位,这正是低温固化银浆电导率通常低于烧结型银浆的一个重要原因。目前异质结电池生产用低温浆料完全依赖进口,如杜邦、汉高、贺利氏等公司生产的银浆,国内对低温浆料的研究工作基本还停留在实验探索阶段,低温浆料技术被国外垄断,价格较高,导致异质结生产成本难以降低。一方面异质结电池正反两面都有银电极,增加了贵金属银的用量,成本高昂;另一方面采用丝网印刷和烧结工艺限制了异质结电池选用更薄的硅片基材和更高效率电池的设计应用;其次,串联电阻损耗大是限制异质结电池光电转化效率提升的重要因素。因此,不断改进丝网印刷技术,加快国内低温浆料的开发及应用,提高银浆的流变性成为未来一段时间丝网印刷栅线技术创新的方向,也是提升异质结电池产品质量及光电转换效率的有效途径。

2.2电镀技术

电镀技术是利用电化学方法在导电固体表面沉积一层薄金属、合金或复合材料的过程,是一种特殊的电解过程。电镀溶液在通电后金属阳离子受电位差作用而移动到电池表面,沉积形成金属镀层,这层金属镀层即电极。为了保证低的遮光面积和低的传导电阻,要求制备窄而厚的金属电极。一些研究专家提出双层电极技术,即先制备一层窄而薄的种子层栅线,再用电镀、光诱导镀等方法对种子层加厚而制备传导层。这种采用种子层加光诱导电镀可以制备出高质量的传导层,不仅可以增大细栅线高宽比、减少细栅线电阻率、降低细栅宽度,提高电池受光面积,还可以降低银浆的使用量,从而达到降低电池成本的目的[13]。

电池成本中银电极成本占很大一部分,且容易随着贵金属价格不断波动,用铜电极代替银电极可以大幅度降低电池成本[16]。选用电镀技术制备金属栅线电极,只用含银的电镀液,选择镍/铜/银三镀层,或者用镍/铜镀层,通过降低银含量使得电池成本具有竞争力。电镀铜电极具有导电率与银相当、接触电阻优于银胶的优点,并且采用低温制程技术,进一步缩小了电极线宽、增加了光照面积,有望提升0.2%以上的电池绝对效率。早在2009年,无锡尚德利用Pluto技术,采用真空蒸镀栅线后再加以电镀,提升栅线镀层的均匀性及高宽比,实现了19%的电池光电转换效率,并进行了量产。与传统的丝网印刷技术相比,采用Pluto技术的电池正面电极更窄,可以减少光照遮挡并减少与硅片的接触面积,降低金属电极与硅结合界面的电子复合速率,提高约12%的电池输出功率。2013年,IMEC通过使用Meco的镍/铜镀层工艺,使得PERC电池转换效率达到20.7%。2014年7月,IMEC在N型PERT电池上运用Meco的镍/铜/银镀层(三根主栅线)技术,使得电池转换效率创纪录达21.5%。2015年3月,MacDermid公司通过激光刻蚀、镀膜、热退火等工艺制作窄铜网导体替代银浆,其中镀层为1μm镍层、10~15μm铜层和0.2μm银层。该工艺可实现30μm的栅线宽度和4N的拉力,从而可将单个电池的成本降低6美分。此外,低温操作使得这一工艺可应用于高效电池的开发,如PERC、硅基异质结和双面电池等。2015年9月,RENA公司推出InCellPlateCu平台,可在硅基上进行镍/铜/银直接电镀,替代电池前表面的传统丝网印刷流程,从而将电池生产的单位成本降低6美分。RENA公司已经成功地实现了该技术的应用,在Cz-PERC电池上实现了20.8%的转换率。

2015年11月,日本Kaneka公司宣布采用铜接触金属化的双面异质结晶硅太阳能电池效率创纪录达25.1%,得到了德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(FraunhoferISE)的验证,并计划利用该技术建立一条试生产线。电镀铜技术具有装置简单、生产成本低、镀层均匀致密、导电性好[17]等优良特性。在电池电极制备过程中,栅线宽度、高度可控,可以有效提高栅线的高宽比,减小栅线遮挡的阴影损耗[18],同时有效减小电极与PN结的接触电阻、电极本身的体电阻以及电池的串联电阻,提高电池光电转换效率[19]。电镀技术工艺温度低,不仅可以用于传统电池电极的制作,也可用于异质结电池、N型双面电池、PERC电池、IBC电池电极制作。其中异质结电池的制备过程中要求全程低温,在电池电极金属化制备过程采用电镀技术不仅可以提高电池光电转换效率,还可以克服异质结电池成本高的缺点。

目前国内已建成电镀铜电极太阳电池技术平台,并已经开始试量产。茂迪、元晶、昱晶等企业也已开始小规模生产,但稳定性、可靠性未达到量产标准,并且电镀金属电极工艺过程较为复杂,附着力不良,存在废液对环境污染的风险,因此当前市场份额还很小。但是根据ITRPV2016年光伏发展,未来电镀技术的需求将增加,到2025年电镀技术的市场份额将达到30%,市场需求可观。

2.3喷墨打印技术

喷墨打印技术是一种有着高栅线分辨率、非接触的沉积技术,通过喷墨打印机将金属纳米颗粒或者复合金属颗粒浆料打印在电池基材表面,形成图形化栅线形状,实现电池栅线的金属化。其原理是金属液体从喷枪里喷出后经过一个充电电极板中给金属离子充电,使金属离子带上一定量的电荷,之后金属离子经过高压偏转板后,带电的金属离子发生偏转后打印到电池片衬底上,形成晶硅太阳能电池电极,而反方向偏转的离子则会被收集起来重新利用。

1988年喷墨打印技术首次应用到晶硅太阳能电池电极制作,经过多年的技术发展,采用喷墨打印技术制备晶硅太阳能电池前栅线电极,电池光电转换效率达到18.2%[20]。喷墨打印栅线技术能够最大限度地节约电极材料成本、控制金属栅线的宽度、减小阴影损耗等优点而深受世界各国研究者欢迎。刘金宁等[21]研究发现采用喷墨技术印刷的电极结构相比传统丝网印刷的电极更精细、高宽比更优越。EbongA等[22]研究发现,喷墨印刷能够控制好栅线所需墨量,从而能够降低太阳能电池栅极金属化的成本。然而喷墨打印技术在实际的应用中也存在栅线扩展的问题。GizachewYT等[23]采用多次等墨体积喷墨印刷方法来提高硅太阳能电池栅线高宽比,然而5次以内的喷墨印刷每次都会产生栅线扩展,甚至最终栅线宽度达到单次喷墨印刷宽度的2倍,栅线扩展问题突出。

喷墨打印技术可以通过电脑程序控制印刷电池电极的图案,实现非接触式印刷,具有印刷效率高、成本低的特点,适用于柔性基底的沉积。喷墨打印具有较高的栅线分辨率,与传统的丝网印刷工艺相比较,形成的栅极宽度小于等于40μm,高宽比小于等于0.6,印刷精度误差小于5μm,在保证良好电导率的同时,具有较低的接触电阻,可以形成比传统丝网印刷技术更精细的电极结构和更高的高宽比,在节省原材料成本的同时,可以进一步减小电池内部少数载流子的复合损失,提高方块电阻,这也是提高电池光电转换效率的有效途径。喷墨打印属于非接触印刷,硅片破碎率小于0.1%,对基底材料的选择范围较大,非常适用于薄片化异质结电池

栅线的制备,可以降低异质结电池印刷过程中的碎片率,并且相比传统的丝网印刷技术,可按需喷墨、精确控制墨量,节省了银浆料的消耗,解决了异质结电池双面电极的银耗量增倍导致电池材料消耗成本过高的问题。因此,喷墨打印制备异质结电池栅极的金属化工艺具有良好的产业化推广前景。目前,喷墨打印技术印刷电极栅线都还处于实验室研究阶段,国内外光伏领域采用喷墨打印工艺实现光伏电池金属化的研究较少,对于传统电池未见产业化应用,在异质结电池的电极制备上梅耶博格公司正在做相应研究和开发。

3高效N型异质结电池金属化技术应用趋势

目前业内很多大型企业和研究机构认为异质结电池是未来几年最可能产业化的高效N型电池,其具有生产工艺简单、制程温度低、稳定性好、电池效率高、弱光响应好,选用的硅片衬底薄等优良特征。然而相对传统的P型晶硅电池,异质结电池成本相对较高,目前日本的松下公司已经开始量产异质结电池,国内的一些企业也已经具备了量产异质结电池的能力,甚至有一些企业正在筹备建设1GW的异质结电池量产线。高效异质结电池产业化势头明显,然而其较高的设备投入及材料成本让很多企业徘徊观望。如何在进一步降低异质结电池成本的同时,提高电池光电转换效率,值得企业和研究机构去探究。

异质结电池为双面对称电池,银浆的消耗为单面电池的2倍。寻找价格低廉的金属栅线材料,成为降低异质结电池成本的一条有效途径。金属铜导电性能好、价格低廉,是异质结电池栅线金属化的理想材料。采用电镀技术,将金属材料通过光诱导电镀方法将银栅线代替,实现异质结电池栅线金属化制备,保持高效率的同时,降低电池材料消耗成本,该技术已成为未来几年高效异质结电池金属化技术的主流技术之一[24]。同时对于异质结电池,喷墨打印金属电极技术也具有明显的优势,被认为是代替传统丝网印刷的新技术之一[25-26]:首先其生产设备简单、掩模较少,分辨率高,具有低成本、高产量的特点[12];其次,喷墨打印技术可以做到对金属电极材料选择性沉积而减少了材料的浪费,并且电池金属化过程在低温工艺下烧制,防止p-n结退化的同时满足了异质结电池低温制备工艺的要求[27-29],适用于大面积生产。加之喷墨印刷属于无接触印刷,电脑控制,印刷精确,可以将栅线控制的更细、栅线高宽比更优越,因此适合在易碎的薄性衬底上实现栅线金属化制备[28-29]。随着异质结电池效率的提升,其衬底逐步向薄性化发展,非常适宜采用此技术完成栅线金属化制备,在保证高转换效率、低电阻率的同时可以降低生产碎片率。另外喷印的墨汁可以是银墨汁也可以是价格低廉的铜墨汁,可以有效降低异质结双面电池金属电极的材料成本,进一步降低异质结电池成品价格,使异质结在未来几年的大规模量产中更具市场竞争力。

文章来源:摩尔光伏

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