光伏摻鎵硅片 PERC路線的又一次跨越

:1 前言：摻鎵硅片成為行業(yè)新風(fēng)向

近期，關(guān)于光伏摻鎵硅片有兩條頭條新聞（分別來源于晶澳太陽能和隆基股份的官網(wǎng)）：

第一是晶澳太陽能宣布，自產(chǎn)高效多柵電池和組件產(chǎn)線全部具備切換摻鎵硅片能力。早在2019年晶澳太陽能就已獲得日本信越集團(tuán)數(shù)項(xiàng)晶硅摻鎵技術(shù)及P型摻鎵硅片在電池片生產(chǎn)中的專利授權(quán)，并擁有了這些專利在多個(gè)國家和地區(qū)的使用權(quán)。

第二是隆基與日本信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社正式簽署全球、非排他性、包含交叉許可模式的專利許可協(xié)議，使用摻鎵技術(shù)相關(guān)專利的隆基產(chǎn)品將在全球范圍內(nèi)受到保護(hù)，免于被訴。

那么為什么兩家業(yè)內(nèi)的一線企業(yè)幾乎同時(shí)宣布大規(guī)模切換摻鎵硅片呢？

2 背景原因：信越化學(xué)專利到期，國內(nèi)光伏企業(yè)掌握制造能力

摻鎵硅片技術(shù)源自日本信越化學(xué)，該公司在半導(dǎo)體硅片領(lǐng)域有接近30%的市占率。我們通過Google patent檢索到了該專利，有歐洲和美國兩個(gè)版本，都是在2000年獲得專利授權(quán)的。

從有效期來看，歐洲版的專利已經(jīng)失效，但美國版的專利仍在有效期之內(nèi)，Google Patent顯示美國版專利預(yù)計(jì)于今年6月15日到期。

一方面是信越化學(xué)的摻鎵專利即將到期，另一方面，經(jīng)過近幾年的積累，國內(nèi)的廠商也已經(jīng)掌握了摻鎵硅片的生產(chǎn)技術(shù)。

經(jīng)整理可以看出，2018年在審和授權(quán)的摻鎵硅片相關(guān)專利達(dá)18項(xiàng)，為近年來的高峰，大部分是隆基股份申請的。其他的企業(yè)如中環(huán)、晶科、晶澳、阿特斯也均有相關(guān)專利，可以認(rèn)為一線的硅片企業(yè)都擁有相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)。

3進(jìn)一步解決單晶Perc電池的衰減問題，Perc電池競爭力的又一次提升

根據(jù)隆基股份披露的資料可知，光照引起的晶體硅電池光衰，一般主要有三類，一是硼氧復(fù)合體光衰BO-LID，二是高溫引起的輔助衰減LeTID，三是紫外光引起的表面鈍化衰減UVID。在溫度較低時(shí)，硼氧復(fù)合體的光衰是摻硼p型PERC電池的主要初始光衰機(jī)制，即p型單晶電池如果使用摻硼硅片制作，BO-LID被認(rèn)為是單晶電池初始光衰的最主要原因。因?yàn)閱尉Ч杵褂檬③釄逯谱鳎瑔尉Юб话阈枰褂萌酃に?，坩堝?nèi)部的涂層不能很好的阻擋來自于石英坩堝的氧元素，在拉晶并冷卻的過程中氧留在硅片中，使單晶硅片中的氧濃度一般有10ppma以上。相比之下，多晶硅片使用半熔工藝，鑄錠多晶有效的涂層技術(shù)、更大的揮發(fā)面積以及較小的坩堝接觸面積可以有效減少氧的擴(kuò)散。因此，一般情況下，多晶硅片只有靠近坩堝的部分有接近10ppma的氧，硅片內(nèi)部的氧含量一般是單晶硅片的十分之一左右，約1ppma。因此在BO-LID上，單晶長期占劣勢。在單晶PERC電池量產(chǎn)之前，普遍的認(rèn)識(shí)是單晶產(chǎn)品光衰比多晶大。晶體硅組件的首年質(zhì)保，常規(guī)單晶組件的首年光衰質(zhì)保一般為3%，而多晶為2.5%，差異就來自于單多晶BO-LID的初始光衰不同。

在晶體硅電池進(jìn)入PERC時(shí)代之后，BO-LID的影響程度進(jìn)一步顯現(xiàn)。PERC電池使用背鈍化技術(shù)，增加了長波段入射光子的有效吸收，將電池效率在鋁背場電池結(jié)構(gòu)上提升約1%。然而電池背面產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子（電子）需要經(jīng)歷較遠(yuǎn)的路徑才可以被正面的pn結(jié)有效分離并被電極收集。因此，雖然背鈍化使PERC的效率大幅提升，卻由于硅片本身的BO-LID，使電池的初始光衰增大到了5%以上。

多種技術(shù)方案均被嘗試應(yīng)用到BO-LID的降低上。顯然，降低硼含量會(huì)降低PERC電池的效率，而降低氧含量的技術(shù)會(huì)使硅片成本增加。目前產(chǎn)業(yè)界最常用的方法是光注入或者電注入，2006年，Konstanz University的Alex Herguth發(fā)現(xiàn)在較高溫度的光照（光注入）或者使用正向電流（電注入），可以使BO-LID經(jīng)歷衰減-再生的過程，且后續(xù)持續(xù)的光照或者電注入不會(huì)使電池的開路電壓下降，這就是LIR（光致再生）現(xiàn)象。

光注入可以使用鹵素?zé)?、LED、激光等光源。2017年，隆基聯(lián)合澳大利亞新南威爾士大學(xué)、武漢帝爾激光公開了聯(lián)合研發(fā)的LIR技術(shù)。

而另一解決LID的有效方法即是使用摻鎵硅片，摻鎵替代摻硼之后，徹底的解決了硼氧復(fù)合對的問題，能夠幾乎完全抑制光衰減，在高效電池上具備很大的潛力。早先由于信越化學(xué)專利限制的問題一直未能推廣，今年信越化學(xué)專利到期后摻鎵硅片也就迎來了批量推廣的機(jī)會(huì)。

另外，除了BO-LID以外，摻鎵硅片對高溫之下的LeTID也有一定的抑制作用。德國Konstanz大學(xué)做了實(shí)驗(yàn)對比，分別測試了摻硼并進(jìn)行磷（P）吸雜的電池、摻鎵（Ga）并進(jìn)行磷吸雜的電池在不同溫度下的少子壽命（少子壽命降低說明存在光衰現(xiàn)象），發(fā)現(xiàn)摻硼和摻鎵的PERC電池都存在LeTID光衰，但摻鎵電池的LeTID仍然是小于摻硼電池的。

4 鎵的分凝系數(shù)導(dǎo)致?lián)芥壒杵娮杪瘦^難控制，成品率略下降

我們認(rèn)為摻鎵硅片的推廣將是P型路線競爭力的又一次提升，P型一直被詬病的缺點(diǎn)就是硼氧復(fù)合對導(dǎo)致的光致衰減，N型摻磷不摻硼幾乎沒有光致衰減。而在摻鎵P型硅片推廣后，徹底解決了硼氧復(fù)合對的問題，N型的優(yōu)勢會(huì)有所減弱。

在生產(chǎn)中，由于鎵在硅中的分凝系數(shù)極低，僅為0.008，與常規(guī)的硼元素0.8的分凝系數(shù)相比，差了100倍。因?yàn)榉帜禂?shù)太小，作為摻雜劑在摻雜時(shí)就難以控制濃度，也不容易準(zhǔn)確控制晶體的電阻率，拉制目標(biāo)電阻率的合格單晶晶體存在一定的難度，實(shí)際生產(chǎn)中摻鎵硅棒的電阻率分布范圍比較大，合格部分比例比普通的摻硼硅片低比較多。

目前晶澳和隆基已經(jīng)基本解決了摻鎵硅片電阻率范圍過大的問題，但鎵分凝系數(shù)低的問題仍然存在，因此成品率、單爐產(chǎn)出會(huì)略低于摻硼硅片，成本也會(huì)略高于摻硼硅片。但由于隆基對摻硼和摻鎵硅片的報(bào)價(jià)是相同的，我們判斷總的成本升高應(yīng)不超過5%，折合到每瓦硅片的成本上升不超過2分錢，考慮到其在降低衰減、提高效率上的優(yōu)異效果，仍然是Perc路線一次巨大的競爭力提升。