PERC電池的過去、現(xiàn)在和未來

:PERC電池發(fā)展歷程

PERC電池（Passivated Emitterand Rear Cell）最早起源于上世紀(jì)八十年代，1989年由澳洲新南威爾士大學(xué)的MartinGreen研究組在AppliedPhysicsLetter首次正式報道了PERC電池結(jié)構(gòu)，當(dāng)時達(dá)到22.8%的實驗室電池效率。到了1999年其實驗室研究的PERL電池創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換效率25%的世界紀(jì)錄。PERC電池的實驗室制備，采用了光刻、蒸鍍、熱氧鈍化、電鍍等技術(shù)。PERC電池與常規(guī)電池最大的區(qū)別在背表面介質(zhì)膜鈍化，采用局域金屬接觸，大大降低被表面復(fù)合速度，同時提升了背表面的光反射。

2006年用于對P型PERC電池的背面的鈍化的AlOx介質(zhì)膜的鈍化作用引起大家重視，使得PERC電池的產(chǎn)業(yè)化成為可能。隨后隨著沉積AlOx產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)和設(shè)備的成熟，加上激光技術(shù)的引入，PERC技術(shù)開始逐步走向產(chǎn)業(yè)化。2013年前后，開始有廠家導(dǎo)入PERC電池生產(chǎn)線，近幾年P(guān)ERC電池越來越引起行業(yè)重視，產(chǎn)能獲得快速擴(kuò)張。2017年全球預(yù)計新增產(chǎn)能6.5GW，從現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電池線升級2.5GW，預(yù)計至2017年底，全球PERC電池產(chǎn)能將達(dá)到20GW。

值得一提的是，2017年將可能是PERC電池與常規(guī)電池的市場份額的轉(zhuǎn)折性的一年。隨著PERC電池產(chǎn)能的擴(kuò)張，常規(guī)電池的市場份額將逐步下降。

PERC電池效率

在短短幾年中，PERC電池大面積可量產(chǎn)效率持續(xù)攀升，單晶PERC電池產(chǎn)線效率普遍達(dá)到21-21.5%，多晶達(dá)到20-20.5%左右。工業(yè)化大面積單晶PERC和多晶PERC電池的最高轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到22.6%（我國常州天合）和21.63%（我國晶科）。

圖1全球電池產(chǎn)能預(yù)測

PERC電池的技術(shù)競爭力吸引了整個產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，產(chǎn)業(yè)化設(shè)備、關(guān)鍵材料都在加速開發(fā)中。MeyerBurger公司采用PECVD法制備AlOx膜的沉積設(shè)備，報道了一種新的正表面氮化硅膜與背面氮化硅與AlOx膜集成在一起的3in1設(shè)備，AlOx工藝腔4對微波源，2對朝上鍍膜，2對朝下鍍膜，SiN工藝腔1，6對微波源，朝下鍍膜；SiN工藝腔2，6對微波源，朝上鍍SIN工藝腔1、2之間無隔離緩沖腔體，可一次完成正面朝上或正面朝下PERC電池3層鍍膜。新設(shè)備減少了硅片上下片次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。理想能源開發(fā)出原子層沉積（ALD）法的AlOx膜沉積設(shè)備，采用托盤方式傳輸電池硅片，與其他供應(yīng)商采用的硅片直接傳輸方式相比，可以將碎片率降到最低；同時最大程度減少由于碎片造成的停機(jī)時間。杜邦等公司開發(fā)出針對高效PERC電池的整合金屬化解決方案將促進(jìn)PERC市場快速發(fā)展，包括新一代PERC正面銀漿PV20X、PV56x系列背面銀漿、PV36x系列背面鋁漿等，可滿足PERC電池低溫?zé)Y(jié)的需要。武漢帝爾公司積極開發(fā)激光在PERC電池中的應(yīng)用設(shè)備，包括激光消融、激光摻雜、激光退火等，如激光摻雜磷技術(shù)，以擴(kuò)散后的PSG層為磷源，利用激光可選擇性加熱的特性，在電池正表面電極位置進(jìn)行磷的二次摻雜，形成選擇性重?fù)降膎++層。

雙面PERC技術(shù)

圖2單面PERC電池結(jié)構(gòu)

圖3雙面PERC電池結(jié)構(gòu)

通過少量技術(shù)改變，在基本不增加成本的基礎(chǔ)上，PERC電池可實現(xiàn)雙面發(fā)電。雙面PERC成為行業(yè)新熱點(diǎn)。其優(yōu)勢包括：可雙面發(fā)電、雙玻封裝高可靠性、降低鋁漿用量、彎折率降低、與現(xiàn)有PERC生產(chǎn)線兼容、可采用單晶硅或多晶硅作為基體，成本優(yōu)勢顯著。缺點(diǎn)是工藝要求特殊、背面印刷精度較單面PERC電池的要求略高、對鋁漿有更高的要求。

天合報道了量產(chǎn)正面21.15%、背面12.27%的雙面效率。樂葉報道了正面300W背面225W的組件功率。雙面PERC發(fā)電還可帶來額外增益。大量PERC雙面組件發(fā)電項目的發(fā)電量被收集與對比，在不同發(fā)電季節(jié)、不同氣候區(qū)下，不同背墊面的情況下，報道了5—46%（含跟蹤）的發(fā)電增益。

表1隆基樂葉雙面PERC電池效率及功率

PERC電池發(fā)電性能

PERC電池的發(fā)電性能是表征PERC電池競爭力的另一重要因素。在青海、海南、吐魯番等不同的實證基地進(jìn)行不同電池戶外發(fā)電性能的對比分析，選用的組件類型包含常規(guī)單晶硅、常規(guī)多晶硅、單晶PERC、多晶PERC等，發(fā)現(xiàn)單晶PERC技術(shù)更高的單位發(fā)電特性（kwh/kw），大同基地報道了PERC單晶多發(fā)電2.61%的發(fā)電增益，青海實證基地在一個月的采集數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)單晶PERC發(fā)電量最高（22.69kwh/kw），單晶常規(guī)電池次之（22.26kwh/kw），多晶常規(guī)電池再次之（22.20kwh/kw），多晶PERC電池與多晶常規(guī)電池接近，似乎更低（21.97kwh/kw）。需要指出的是，目前戶外實測數(shù)據(jù)收集時間較短，更深入的研究還需要更長時間的發(fā)電性能數(shù)據(jù)收集與對比分析。

PERC電池的光致衰減

雖然P型晶體硅電池普遍有光致衰減作用，但PERC電池相較其他晶體硅電池更高的衰減，尤其是多晶PERC電池，較多晶常規(guī)電池的光致衰減高6~10%。單晶PERC電池的衰減主要與B-O缺陷對有關(guān)，通過降低硅片中的氧含量，采用摻Ga代替摻B可有效控制光致衰減。而多晶PERC的光致衰減還未研究清楚。目前的研究認(rèn)為多晶PERC電池的衰減與表面鈍化無關(guān)，與注入濃度有關(guān)，與熱歷史有關(guān)，經(jīng)長期輻照可恢復(fù)。Q-Cell和SolarWorld分別宣稱有未公開的多晶硅PERC電池的衰減解決方案。我國的光伏企業(yè)也相繼推出了針對單多晶PERC電池的抑制衰減的工藝和設(shè)備。研究認(rèn)為使用低溫漿料，采用吸雜、高溫退火及激光快速退火等手段可以抑制衰減。導(dǎo)致衰減的因素仍在研究中，除常規(guī)B-O對原因外，還有仍在研究中的未知因素，可能與多晶硅中更高的金屬雜質(zhì)含量有關(guān)。

圖4 吸雜對多晶PERC衰減的作用

圖5退火對PERC電池光衰的作用

總體來說：單晶PERC電池的衰減高于單晶常規(guī)電池，其原因主要是由于B-O對導(dǎo)致的，目前已經(jīng)通過光照退火成功抑制。多晶PERC電池的衰減表現(xiàn)的與溫度相關(guān)，其原因仍不明朗，但是似乎與多晶硅中過多的金屬離子有關(guān)。目前已經(jīng)找到抑制LeTID的途徑，包括高溫、高光強(qiáng)輻照，以及電注入等技術(shù)工藝。但是其大規(guī)模應(yīng)用還具有挑戰(zhàn)性。PERC電池對硅片質(zhì)量提出了更高的要求，多晶硅在這種電池中目前處于劣勢狀態(tài)。

PERC電池潛力分析

PERC電池還有很大的效率提升空間。今后發(fā)射極、背面鋁背場、主柵、硅片質(zhì)量等還有優(yōu)化空間。預(yù)計即使沒有重要的突破性技術(shù)，2025年左右，單晶PERC電池可實現(xiàn)高達(dá)24%的轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)線達(dá)到23%，意味著從現(xiàn)在到2025年，每年將有0.4%左右個絕對值的效率提升，同時隨著PERC電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)優(yōu)化，預(yù)計至2025年成本也將降低至目前的一半。

結(jié)語

1）PERC技術(shù)的發(fā)展超過了預(yù)期，給其他種類晶硅電池技術(shù)帶來很大沖擊。單晶電池產(chǎn)業(yè)化效率達(dá)到21.5%，多晶PERC電池產(chǎn)業(yè)化效率在疊加黑硅技術(shù)后已經(jīng)達(dá)到20%以上，有望在明年實現(xiàn)21%的多晶PERC電池效率。同時PERC電池具有成本優(yōu)勢，其成本和常規(guī)電池成本接近。

和常規(guī)電池比較，PERC電池表現(xiàn)出了良好的效率優(yōu)勢，比常規(guī)電池產(chǎn)業(yè)化效率可提高1-1.5%個效率絕對值。

和高效PERT、HJT等技術(shù)相比，PERC電池產(chǎn)業(yè)化效率接近，但具有更好的成本優(yōu)勢。

2）PERC電池的單晶多晶之分，更大程度上是高質(zhì)量硅片和低質(zhì)量硅片之爭。為提高電池轉(zhuǎn)換效率，無論是PERC、PERT、PERL還是HJT、IBC電池技術(shù)，都越來越重視電池表面的鈍化。隨著鈍化質(zhì)量的不斷改進(jìn)，硅片體內(nèi)的復(fù)合缺陷的影響將愈加明顯，硅片質(zhì)量對電池效率的影響也就愈大。無論單晶硅還是多晶硅，未來不斷改善拉晶/鑄錠工藝，提高硅片質(zhì)量，制造出高質(zhì)量單晶硅片及高質(zhì)量多晶硅片，將是PERC及其他高效電池的發(fā)展方向。

3）青海、大同等實證基地中的戶外測試結(jié)果表明單晶PERC電池具有一定的發(fā)電優(yōu)勢，具有更好的單位發(fā)電量（kwh/kw）。陽光輻照度、入射角、溫度、風(fēng)速是組件發(fā)電量測試的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。不同電池的戶外發(fā)電性能比較與分析仍在進(jìn)行中。

4）PERC雙面電池的出現(xiàn)再次提升了PERC電池的競爭力。目前雙面PERC電池的雙面率在75%左右，且制造成本較低，雙面PERC電池不僅拓寬了PERC電池的應(yīng)用場景，而且可獲得更高的發(fā)電增益。大量PERC雙面組件發(fā)電項目的發(fā)電量被收集與對比，在不同發(fā)電季節(jié)、不同氣候區(qū)下，不同背墊面的情況下，報道了5—46%（含跟蹤）的發(fā)電增益。

原標(biāo)題:【光伏微講堂】PERC電池的過去、現(xiàn)在和未來——中國可再生能源學(xué)會光伏專委會第十期微講堂“PERC電池到底是什么Gui”