后PERC时代,TOPCon还是HJT?

作者: | 发布日期: 2020 年 04 月 08 日 12:35 | 分类: 产业资讯

根据晶硅太阳能电池的工作原理,要实现高转换效率(η=FF*Voc*Jsc/Pin)需要高的填充 因子(FF)、开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)。目前产业化主要是通过增大光生电流如 IBC、HBC 电池(增加光照面积,提高 Jsc) ,以及提高少子寿命如异质结、TOPCon(优化钝 化性能,提高 Voc)实现。

(一)主要新型高效电池介绍

异质结电池(Heterojunction,HJT):由两种不同的材料组成,即在晶硅和非晶硅薄膜之 间形成 PN 结,因此它兼具晶硅电池优异的光吸收性能和薄膜电池的钝化性能。具体是在 N 型晶 体硅片正反两面依次沉积厚度为 5-10nm 的本征和掺杂的非晶硅薄膜,以及透明导电氧化物 (Transparent Conductive Oxide,TCO) 薄膜,从上到下依次形成了 TCO-N-i-N-i-P-TCO 的对称结构。

隧穿氧化钝化接触电池(Tunnel Oxide Passivated Contact,TOPCon):前表面与 N-PERT 电池没有本质区别,主要区别在于采用超薄二氧化硅(SiO2)隧道层和掺杂非晶硅钝化背面。其 中 SiO2 厚度 1-2nm,可使多子隧穿通过同时阻挡少子复合;掺杂的非晶硅厚度 20-200nm,经 过退火工艺使非晶硅重新结晶为多晶硅,可同时加强钝化效果,避免了在钝化膜上激光开槽,能有效减少少子复合,提高电池的开路电压和填充因子,进而提高电池效率。

交叉背接触或全背电极接触电池(Interdigitated Back Contact,IBC):前表面是 N+的前场 区 FSF 和 SiNx 减反层,背表面为交叉排列的 P 区和 N 区,正面无金属栅线电极遮挡,因此可 以更高的短路电流。IBC 电池工艺的难点是背面交叉分布的 P 区和 N 区,以及背部金属电极的 制作。

异质结背接触电池(Heterojunction Back Contact,HBC):将 HJT 非晶硅薄膜技术应用 于 IBC 电池结构,可同时获得高的短路电流和开路电压。2016 年、2017 年日本 Kaneka 公司研 发的 HBC 电池分别创下 26.33%和 26.63%的转化效率世界纪录。该电池正面无金属电极遮挡, 背部 P、N 区呈现交叉排列,本征非晶硅薄膜(i:a-Si)作为双面钝化层,具有优异的钝化效果。

双/多结叠层电池(Tandem / Multi-junction):将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起. 当太阳光入射时, 高能量光子先被带隙大的子电池吸收, 随后低能量光子再被 带隙较窄的子电池吸收,既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失, 可以显著提高电池效率。PERC、HJT 等均为单结电池,理论极限效率仅为 29.43%,而由钙钛 矿(Perovskite)和晶体硅构成的双结叠层电池理论效率最高可提高到 43%,是未来太阳能电池 效率大幅提升的重要技术路线。

根据ISFH的测算,PERC、HJT、TOPCon电池的理论极限效率分别为24.5%、27.5%、28.7%,其中TOPCon十分接近单结电池的极限效率29.43%。目前PERC、HJT、TOPCon电池的最高效率纪录依次为24.06%(隆基)、25.11%(汉能)、25.70%(Fraunhofor), 平均量产效率依次为22.5%、23.7%、23.5%左右,其中HJT和TOPCon效率均处于起步阶段,未来具有非常大的提升空间。

(二)新型高效电池量产工艺比较

目前实现小规模量产(>1GW)的新型高效电池主要包括TOPCon、HJT和IBC三种,HBC、叠层电池暂时还处于实验室研发阶段。从生产工艺来看,IBC电池工艺最难最复杂,TOPCon次之,HJT电池工艺最简单、步骤最少(核心工艺仅4步)。从生产设备来看,TOPCon电池兼容 性最高,可从PERC/PERT产线升级,IBC次之,HJT电池完全不兼容现有设备,需要新建产线。

1)TOPCon电池采用N型硅片,需要在PERC产线上增加硼扩设备,背面的SiO2隧穿层 和掺杂多晶硅层,分别采用原位热氧和原位掺杂的方式在 LPCVD(低压化学气相沉积) 中沉积,因此还需要在 PERC 产线上增加 LPCVD 和湿法刻蚀设备。

2)HJT电池由于采用晶硅/非晶硅异质结结构(PN结由不同材料构成),最高工艺温度不 能超过非晶硅薄膜形成温度(<200℃),因此在后续采用低温固化工艺替代高温烧结。低温工艺对设备、工艺、材料和洁净度提出更高的要求(高温工艺可吸除杂质),因此 需要重新新建产线,且相关设备投资成本较高,是PERC的2~4倍。但是HJT电池天 然的对称结构有利于自动化生产,减少生产步骤,更适合大规模生产。

3)IBC电池需要在背面制成交叉分布的P区和N区,增加了制作掩膜和激光开槽两道工序,同时由于掺杂区面积较小,采用 PERC 工艺中的热扩散炉不易控制精度,需要使用半导 体生产中的离子注入工艺,提高了生产的技术门槛和成本。

(三)新型高效电池经济性分析

在目前可量产的新型高效电池中,HJT电池的设备投资成本最高,约为5~10亿元/GW,而PERC仅需2.5~3亿元/GW,HJT电池设备成本为PERC投资成本的2~4倍。

TOPCon电池与PERC产线兼容度高,可从PERC产线改造升级,改造成本为0.5~1 亿元/GW左右,新建产线设备投资成本约3~3.2亿元/GW,较PERC 高 20%~30%左右,是目前初 始投资成本最低的 N 型高效电池之一。

(四)新型高效电池量产情况

目前各大电池厂商均有布局TOPCon、HJT、IBC电池,不过产线规模大部分都为MW级别,以中试线居多,形成量产稳定供货的企业比较少。

1)TOPCon 电池产能主要以原有 PERC/PERT 电池厂商布局为主,2019年新扩产PERC产线大都预留了升级空间。国内目前中来股份已具有2.4GW的量产产能,2019年天合光能发布TOPCon组件新产品,未来产能有望进一步提升;海外方面,LG和REC在TOPCon技术均有量产产能(>1GW) 。

2)HJT电池早期产能主要以松下、汉能、晋能、钧石、中智为主,但产能规模都在100MW左右,近两年随着异质结投资受到关注,通威、爱康、彩虹、山煤国际等新入企业纷纷宣布了GW级别的产能规划。截止到2019年底,HJT已规划产能已超过30GW,但实 际落地产能仅合计2GW左右。

3)IBC电池目前仅有Sunpower(>1GW)和黄河水电(>200MW)实现量产供货,其他 厂商目前仍处于研发阶段。

文章摘选自华金证券报告《回顾光伏行业变革,展望未来高效之路》

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