更新于:2018-07-20

PERC(Passivated Emitter and Rear Cell),即钝化发射极和背面电池技术,最早在1983年由澳大利亚科学家Martin Green提出,目前正在成为太阳电池新一代的常规技术。PERC近年来效率记录不断被刷新,将成为未来三年内最具性价比的技术。

PERC技术通过在电池的后侧上添加一个电介质钝化层来提高转换效率。标准电池结构中更好的效率水平受限于光生电子重组的趋势。PERC电池最大化跨越了P-N结的电势梯度,这使得电子更稳定的流动,减少电子重组,以及更高的效率水平。

PERC技术的优势还体现在与其他高效电池和组件技术兼容,持续提升效率和发电能力的潜力。通过与多主栅、选择性发射极和TOPCon等技术的叠加,PERC电池效率可以进一步提升;组合金刚线切割和黑硅技术,可以提高多晶电池性价比。而双面PERC电池在几乎不增加成本的情况下实现双面发电,在系统端实现10%-25%的发电增益,极大地增强了PERC技术的竞争力与未来发展潜力。

  • 概述流程
  • 钝化膜
  • 背钝化材料
  • 电池工艺

PERC 电池的生产流程包括:沉积背面钝化层,然后开口以形成背面接触。这是比常规光伏电池生产流程多出来的两个重要步骤。此外,基于化学湿台的边缘隔离步骤需要针对背部抛光稍做调整。也就是说,硅片背部绒面金字塔型结构需要被溶蚀掉。抛光的程度基于选用技术的不同而异。因此,钝化膜沉积设备和膜开口设备(既可以使用激光也可以运用化学蚀刻)都需要在传统的电池生产线上额外增加加工设备。对于较少应用的激光边缘隔绝处理工艺生产线,需要增加一个化学湿式工作台进行背面抛光。

硅片内部和硅片表面的杂质及缺陷会对光伏电池的性能造成负面影响,钝化工序就是通过降低表面载流子的复合来减小缺陷带来的影响,从而保证电池的效率。

晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。从早期的仅有背电场钝化,到正面氮化硅钝化,再到背面引入诸如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化局部开孔接触的PERC设计。PERC概念的核心就在于为常规光伏电池增加全覆盖的背面钝化膜。

钝化主要通过以下两种方式来减小复合速率,提高少数载流子寿命:一是化学钝化,即使界面的各种缺陷态饱和,降低界面缺陷浓度,从而减少禁带内的复合中心;二是场效应钝化,即通过电荷积累,在界面处形成静电场,从而降低少数载流子浓度。

在钝化膜材料的选择上。氧化铝(Al2O3)由于具备较高的电荷密度,可以对P型表面提供良好的钝化,目前被广泛应用于PERC电池量产的背面钝化材料。除氧化铝外,氧化硅(SiO2)、氮氧化硅等也可作为背面钝化材料。

此外,为了完全满足背面钝化条件,还需要在氧化铝表面覆一层氮化硅(SiNx),以保护背部钝化膜,并保证电池背面的光学性能。故PERC电池背面钝化多采用Al2O3/SiNx双层结构。

图:晶硅光伏电池钝化

目前业内 PERC电池技术路线基本上经历了三个阶段,第一阶段是在常规产线上直接进行升 级,效率可提升1% ;第二阶段是加入热氧化工艺,并优化刻蚀、扩散匹配,效率提升至 21.7%;第三阶段,即将规模推广的 SE 技术效率将提升至量产 22% 。

无论处于何种工艺阶段,核心的背钝化膜层的生长设备选型十分重要,涉及到了厂房布局、自动化匹配、整体工艺优化重点。

表:PERC电池工艺路线发展
  • PERC电池技术与常规电池效率比较
  • PERC电池技术效率发展

光电转换效率是晶体硅太阳能电池最重要的参数。2017年,我国产业化生产的常规多晶硅电池转换效率达到18.8%,单晶硅电池转换效率达到20.2%。

与常规电池相比,PERC电池的优势主要有两个方面:
(1)内板反射增强,降低长波的光学损失;
(2)高质量的背面钝化,这使得PERC电池的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)较之常规电池邮大幅提升,从而电池转化效率更高。

目前,PERC技术成为P型电池效率继续提升的主要方法,但PERC技术应用在多晶及单晶电池片上的效率表现有所差异。单晶电池产线在导入PERC技术后,可使转换效率绝对值提升1%以上,即单晶PERC电池产业化效率可达到21%以上,部分领先企业可将效率提升至21.5%;应用在多晶电池上有绝对值0.6%以上的效率提升,PERC多晶电池产业化效率可达到19.5%。此外,若在多晶PERC电池上叠加黑硅技术,产业化效率可达到20%以上。目前市场主流太阳能电池效率水平及组件功率如下图所示。

硅片下游,行业龙头纷纷上马高效电池片/组件扩产计划,单晶电池扩产以单晶 PERC 为主。17 年底全球单晶 PERC 电池产能超 30GW,根据现有扩产计划估算,预计 18 年底将达到 60GW。

根据ITRPV-2018版发布的报告,PERC组件在全部应用产品中的市场份额将大幅增加。

随着PERC技术成熟度的不断提升,常规单晶与单晶PERC的成本差距在逐步缩小,预计2018年起,PERC将逐步替代常规单晶,成为单晶产线的标配。多晶方面,在金刚线切多晶硅片搭配黑硅技术大幅降本提效的基础上,再叠加PERC技术,可以实现“1+1>2”的效果,预计2018年起,电池厂商将陆续开始做多晶黑硅+PERC技术的升级。据PV infolink预估,2018-2021年,PERC年产能将逐步增加,分别达到55GW、77GW、91W和96GW,如下图所示。单晶PERC仍将占据PERC市场的主要份额。

PERC组件多发电的原理在于其优秀的低辐照性能,更好的功率温度系数以及首年光衰问题的解决。电站端的实际测试中,PERC组件比常规组件每瓦发电量高出3%左右。

BOS成本中,有很多项目是与光伏项目的面积相关的,如支架、汇流箱、电缆等。相同数量的组件(面积相同),无论使用270W还是300W,支架、基础、电缆等投资总量都是相同的,但显然高效组件均摊的单瓦投资会明显低于低效组件。

除了BOS成本以外,高效组件还可以降低土地成本(屋顶组件)。在不同的条件下,高效组件节省的BOS成本和土地成本是不相同的。可见,在合理的价格差异之下,当(高效组件价格-低效组价价格)<BOS成本差值,高效PERC组件能够降低光伏项目的初始投资。

图:隆基乐叶蒲城实验电站双面发电组件发电初步验证(2017.4-5)
图:隆基乐叶库布奇项目2017年各月日均发电对比(KWh/MWp)
图:晶澳三亚实证基地16年12月交流发电统计
图:晶澳吐鲁番实证基地17年1月交流发电统计

晶澳太阳能单晶PERC组件在大型电站方面的发电表现,其领跑者50MW项目分别使用了单晶PERC 295W与常规多晶270W组件,PERC单晶组件在近6个月的运行中平均多发电3.4%。

P型晶硅电池普遍存在光致衰减的问题,而叠加PERC技术后衰减问题更甚,尤其是多晶PERC,目前导致光致衰减的机理尚不清楚。

单晶PERC光衰要高于单晶BSF电池,单晶PERC的光衰主要与电池中B-O对有关,此类衰减可通过降低硅片中氧含量、掺Ga、光照+退火等工艺消除。

多晶PERC的光衰机理更为复杂。目前认为,多晶PERC的光衰与电池的热过程密切相关,因此也称为光照热衰减(Light elevated Temperature Induce Degradation,LeTID)。多晶PERC的LeTID比多晶Al-BSF电池高6%~10%左右。多晶PERC电池的LeTID与B-O对无关,表现为掺Ga不起作用;与体内的复合有关,而与表面钝化特性关系不大;与少数载流子注入浓度有关;与电池热历史有关。

最新研究显示,吸杂可以抑制衰减(P吸杂比Al吸杂更有效);高温退火及激光快速退火也可以抑制多晶PERC光衰。

在多晶黑硅+PERC电池技术上,目前主要有直接制绒、湿法黑硅(MACE)与干法黑硅三种方案。与目前的工业水平相比较,湿法黑硅方案具有较强的竞争力。

图:湿法黑硅方案(MACE)
图:P型多晶湿法黑硅PERC电池效率分布
图:多晶湿法黑硅PERC组件投产情况

单晶PERC电池和多晶PERC电池都面临不断降低成本的挑战。如第五章所述,当价差在0.38元/W以内时,300WPERC高效组件对比270W常规组件的度电成本更低,在地面光伏项目上更具有性价比优势。也就是说,PERC电池必须控制好成本,才能为光伏电站带来更好的投资回报。

因为对标的主要竞争对手是单晶常规电池,多晶P ERC电池控制成本的任务更为紧迫。现阶段主流光伏电池企业量产的高效单晶常规电池效率约为20%,所封装的60片规格组件功率可达285瓦。而行业领先多晶电池企业,采用多晶硅片叠加湿法黑硅和PERC工艺,量产多晶PERC电池效率近20%,所封装的60片规格组件功率也在285瓦级别。

多晶硅片用湿法黑硅技术成本增加0.2元/片(考虑到线上威尼斯人官网趋于严格的环保要求,为实现完全达标排放,可能还需增加废液处理成本),再使用PERC技术成本增加0.5元/片,也就是说,当单晶和多晶硅片价差(含增值税)在0.82元/片之内的时候,高效单晶常规电池更具性价比。因此,多晶硅片迫切需要降低成本和市场价格,拉开与单晶硅片的价格差距,以维持市场竞争力。多晶硅片行业正在推进普及金刚线切割取代砂浆切割工艺,可以有效降低多晶硅片成本。

PERC电池还有很大的效率提升空间,发射极、背面铝背场、主栅、硅片质量等还有优化空间。预计2025年,单晶PERC电池可实现高达24%的转换效率,市场占有率将进一步提高。

随着技术的进步,双面PERC工艺的成熟不仅能拓宽PERC电池的应用场景,而且可获得更高的发电增益。

图:PERC电池效率提升的不同路线(来源:ISFH)

(注:SelEm1-前电极SE,SelEm2-前表面SE+BSG烧结n++,BSF-seg-局域背场,advEm-新型的发射极结构,Al-B-BSF-掺硼铝背场,base1ms-1msP型硅片,4BB-4主栅,Multi wire-多主栅,finger10μm-10μm栅线)

目前,领先厂商的单晶PERC电池的量产效率可以达21.5%左右,多晶PERC的量产效率可达19.7%左右。而截至目前,单晶PERC和多晶PERC的世界最高效率分别已达23.6%和22.04%,分别由隆基乐叶和晶科能源创造。可以看出,PERC电池仍有很大的效率提升空间。

PERC电池效率进一步提升的方向有:(1)细栅金属化技术,减少正面遮挡,如应用5BB或MBB技术;

(2)正面采用选择性发射极,降低表面复合损失;(3)先进的陷光技术,如采用多层减反膜技术;(4)降低背面金属接触区域的复合,如采用局部B掺杂;(5)采用高质量硅片,如提高硅片的少子寿命;(6)双面PERC电池。

图:协鑫集成多晶PERC组件技术路线2017 to 2020
图:隆基乐叶高效PERC技术路线图
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