電池工藝

光伏發(fā)電原理：

（來(lái)源：公開(kāi)資料）

在解釋原理之前，先解釋下兩個(gè)名詞，“電子”和“空穴”

“電子”和“空穴”：

在熱力學(xué)溫度零度和沒(méi)有外界能量激發(fā)時(shí)，價(jià)電子受共價(jià)鍵的束縛，晶體中不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子，半導(dǎo)體是不能導(dǎo)電的。

但是，當(dāng)半導(dǎo)體（如硅）收到外界因素（如光照）使溫度升高，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得了足夠的能量，足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下相同數(shù)量的空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

原理：

太陽(yáng)光照射到光伏電池表面，其吸收具有一定能量的光子，在內(nèi)部產(chǎn)生處于非平衡狀態(tài)的“電子-空穴”對(duì)。

在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分別被驅(qū)先N、P區(qū)，從而在P-N結(jié)附近形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。

光生電場(chǎng)抵消P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)后多余的部分使P、N分區(qū)分別帶正、負(fù)電，于是就產(chǎn)生N區(qū)指向P區(qū)的光生電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)外界負(fù)載后，則有電流從P區(qū)流出，經(jīng)負(fù)載從N區(qū)流入光伏電池。

而電池片環(huán)節(jié)的主要核心是提升光電轉(zhuǎn)換效率。

總的來(lái)說(shuō)，晶硅電池經(jīng)歷了三次技術(shù)發(fā)展。

1）鋁背場(chǎng) BSF 電池，在 2015 年之前，它是最主流的電池，市占率超過(guò)了 90%。

2）PERC 電池：改進(jìn)BSF電池，形成了PERC電池。與鋁背場(chǎng)BSF電池相比，其只新增了背面沉積鈍化膜和背面開(kāi)槽兩道工序。非常便于BSF電池生產(chǎn)線直接升級(jí)。

（BSF電池和PERC電池都是基于P型硅的電池）

3）當(dāng)前（2021年），基于N型硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展（N-PERT，TOPCon，HJT），晶硅電池迎來(lái)第三次技術(shù)革命。

1、BSF電池

鋁背場(chǎng)電池BSF是指在PN結(jié)制備完成后，在硅片的背光面沉積一層鋁膜，提高光的反射率從而提高轉(zhuǎn)換效率。

生產(chǎn)流程包括：清洗制絨（又稱“前清洗”）、擴(kuò)散制結(jié)（又稱“擴(kuò)散”）、刻蝕/去PSG（Phospho Silicate Glass，磷硅玻璃）（又稱“拋光”）、正面沉積減反膜、背面印刷鋁膜、絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)。

清洗制絨（前清洗）：

由于硅片在切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損傷，且會(huì)引入一些金屬雜質(zhì)和油污。如果損傷和雜質(zhì)油污清洗不徹底，在后續(xù)處理過(guò)程中會(huì)向硅片內(nèi)部延伸，影響電池的性能。

因此，清洗制絨的目標(biāo)有3點(diǎn)：一是用酸液或堿液去除硅片表面的機(jī)械損傷層；二是清除表面油污和金屬雜質(zhì)；三十形成起伏不平的絨面，減小太陽(yáng)光的反射。

清洗和制絨是一道工序。單晶硅片采用的是堿液腐蝕技術(shù)，能夠與硅反應(yīng)，清洗損傷和雜質(zhì)的同時(shí)能夠在表明形成金字塔絨面結(jié)構(gòu)。

多晶硅片則采用酸液腐蝕，清洗的同時(shí)形成蟲(chóng)孔狀絨面結(jié)構(gòu)。

由于絨面結(jié)構(gòu)的存在，入射光線會(huì)經(jīng)過(guò)絨面的多次反射才入射到空氣中，這樣能夠多次利用入射光線，從而減少反射率，增加了光的利用率。

擴(kuò)散制結(jié)（擴(kuò)散）：

即制備太陽(yáng)電池的 PN 結(jié)。（從上面電池的工作原理，我們知道這個(gè)非常重要）

對(duì)于P型硅片，是要在其表面制備N層，對(duì)于N型硅，則要在其表妹制備P層。

P和N硅片的區(qū)別主要在于雜質(zhì)。

N型硅施主雜質(zhì)主要是如磷、砷、銻等。

P型硅施主雜質(zhì)主要是如硼、鋁、鎵等。

那么在P型硅表面制備N層，則可以通過(guò)在其表妹擴(kuò)散磷元素來(lái)制備。

制備過(guò)程簡(jiǎn)單描述：

P型硅片放入石英容器，加熱并通入含磷氣體，使容器類充滿含磷的蒸氣。

含磷整齊附著到硅片上可產(chǎn)生磷原子。

由于硅片的原子之間存在空隙，這些磷原子可以從空隙中進(jìn)入硅片的表面層，并先內(nèi)部滲透擴(kuò)散。

若是擴(kuò)散進(jìn)去的磷原子濃度，高于P型硅的雜質(zhì)（比如硼）濃度，則P型硅的表面薄層就轉(zhuǎn)變成了N型硅。

N型硅和P型硅的交界處就形成了PN結(jié)

對(duì)于N型硅片，則與之相反，通入喊硼氣體即可。

刻蝕/去PSG（拋光）：

在上一步的擴(kuò)散制結(jié)工藝中，硅片的側(cè)邊和背面邊緣將不可避免地存在擴(kuò)散的磷原子，，形成磷硅玻璃PSG。

當(dāng)電池片受到光源照射，PN結(jié)的正面收集到的光生電子將沿著邊緣擴(kuò)散到有磷的區(qū)域，再流到PN結(jié)的背面，從而造成短路。

刻蝕工序可去除硅片邊緣帶有磷的部分，避免了PN結(jié)短路。

同時(shí)可以祛除硅片背面的絨面。

刻蝕工可以分成濕法刻蝕工藝和干法刻蝕工藝。

背面鈍化（PERC 電池工藝）：

沉積背鈍化介質(zhì)膜，分別對(duì)硅片背面起鈍化及保護(hù)作用，可以增強(qiáng)背面鈍化反射能力。

制備減反射膜（前表面減反膜 ）：

在硅片的表面，利用增強(qiáng)型等離子化學(xué)氣相沉積法沉積摻氫氮化硅薄膜，以獲得合適的厚度以及折射率，降低表面光反射，同時(shí)能夠起到鈍化作用，增加抗腐蝕性。

激光開(kāi)槽（PERC 電池工藝）：

用激光打開(kāi)硅片背表面鈍化層，從而提取電荷載流子，打通鈍化疊層形成電學(xué)通路（用于PERC 電池工藝）

絲網(wǎng)印刷：

將導(dǎo)電銀漿印刷在電池的正背面，形成電極，用于收集和傳輸電流。

正面印刷銀漿正極細(xì)柵與主柵，背面印刷電極主柵和鋁背場(chǎng)，其目的是用于電池的電極成形。

高溫?zé)Y(jié)：

排出漿料的有機(jī)成分，使電極和硅片形成良好的歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)較小的串聯(lián)電阻、較大的并聯(lián)電阻和理想的背表面鈍化。

硅片經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)印刷機(jī)后，會(huì)傳送到燒結(jié)爐中，經(jīng)過(guò)烘干排焦、燒結(jié)和冷卻過(guò)程來(lái)完成燒結(jié)工藝，最終達(dá)到上下電極和電池片的歐姆接觸。

高溫?zé)Y(jié)的核心過(guò)程是：

當(dāng)電極力的金屬和硅片達(dá)到一定溫度時(shí)，硅原子會(huì)融入到電極材料中。

當(dāng)融入到電擊材料中的硅原子里含有足量多的與原硅片材料中導(dǎo)電類型相同的雜質(zhì)成分，就形成了歐姆接觸。

從而可以提高電池片的開(kāi)路電壓和填充因子，使電極的接觸具有電阻特性，并因此達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。

若存在的是導(dǎo)電類型不同的雜質(zhì)成分，則獲得了用合金法工藝形成的 PN 結(jié)。

測(cè)試分選：

對(duì)電池進(jìn)行 I-V 測(cè)試，并按電池的實(shí)際效率和電流進(jìn)行分檔。

總結(jié)電池工藝如下：

（來(lái)源：天合光能招股說(shuō)明書(shū)）

一個(gè)光伏電池看起來(lái)是這樣（3主柵：縱向白色線；細(xì)柵：橫向白色線）：

2、PERC電池

PERC電池全稱：鈍化發(fā)射極與背面接觸電池。

原理是在BSF電池背面附上介質(zhì)鈍化疊層（ Al2O3+SiNx），通過(guò)產(chǎn)生更多反射光以增加額外電流，從而較大程度減少光電損失。

該技術(shù)路線的生產(chǎn)流程主要在常規(guī)BSF電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中增加兩道額外工序。

一是背面沉積鈍化膜（增強(qiáng)背面鈍化反射能力）。

二是背面開(kāi)槽（打通鈍化疊層形成電學(xué)通路）。

無(wú)需另開(kāi)生產(chǎn)線。需要增加的設(shè)備是背部鈍化設(shè)備和激光開(kāi)槽設(shè)備。

工藝流程在BSF電池上有介紹。

PERC 技術(shù)日趨成熟，“PERC+”成為 PERC 工藝升級(jí)，提升光電轉(zhuǎn)換效率的重要方向，PERC 工藝升級(jí)路線主要包括 PERC+SE、 PERC+MWT、雙面 PERC 等。

3、TOPCon電池

TOPCon電池，即隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)能電池。

N型硅襯底電池背面制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有傳統(tǒng)的 P 型電池設(shè)備制程相比， TOPCon 電池的生產(chǎn)流程只需將擴(kuò)磷改為擴(kuò)硼，并增加薄膜沉積設(shè)備，無(wú)須背面開(kāi)孔和對(duì)準(zhǔn)，便可與當(dāng)前的量產(chǎn)工藝兼容。

4、HJT電池

具有本征非晶層的異質(zhì)結(jié)（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）——在電池片里同時(shí)存在晶體和非晶體級(jí)別的硅，非晶硅的出現(xiàn)能更好地實(shí)現(xiàn)鈍化效果。

是晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)和薄膜光伏技術(shù)的融合體并且兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)

HJT工藝主要分為制絨清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO薄膜制備、電極制備，步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，但是工藝難度大，產(chǎn)線與傳統(tǒng)電池不兼容，新增設(shè)備投資較大。

5、ICB電池

交指式背接觸（Interdigitated Back Contact）——把正負(fù)電極都置于電池背面，減少置于正面的電極反射一部分入射光帶來(lái)的陰影損失。

6、PERT

發(fā)射極鈍化和全背面擴(kuò)散（Passivated Emitter Rear Totally-diffused ）——PERC 技術(shù)的改進(jìn)型，在形成鈍化層基礎(chǔ)上進(jìn)行全面的擴(kuò)散，加強(qiáng)鈍化層效果。

相比于 P-PERC，N-PERT 需要增加硼擴(kuò)散和清洗步驟，且由于在效率提升方面不及 PERC，已被被證明為不經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線。

7、各種電池總結(jié)如下

（資料來(lái)源：CPIA）

8、各種電池技術(shù)平均轉(zhuǎn)換效率

2020 年，規(guī)?；a(chǎn)的 P 型單晶電池均采用 PERC 技術(shù)，平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 22.8%，較 2019年提高 0.5 個(gè)百分點(diǎn)；

采用 PERC 技術(shù)的多晶黑硅電池片轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 20.8%，較 2019 年提高0.3 個(gè)百分點(diǎn)；常規(guī)多晶黑硅電池則效率提升動(dòng)力不強(qiáng)，2020 年轉(zhuǎn)換效率約 19.4%，僅提升 0.1個(gè)百分點(diǎn)，未來(lái)效率提升空間有限；

鑄錠單晶 PERC 電池平均轉(zhuǎn)換效率為 22.3%，較單晶 PERC電池低 0.5 個(gè)百分點(diǎn)；

N 型 TOPCon 電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 23.5%，異質(zhì)結(jié)電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 23.8%，兩者較 2019 年均有較大提升。

未來(lái)隨著生產(chǎn)成本的降低及良率的提升，N 型電池將會(huì)是電池技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

（資料來(lái)源：CPIA）

9、各種電池技術(shù)市場(chǎng)占比

2020 年，新建量產(chǎn)產(chǎn)線仍以 PERC 電池產(chǎn)線為主。隨著 PERC 電池片新產(chǎn)能持續(xù)釋放，PERC電池片市場(chǎng)占比進(jìn)一步提升至 86.4%。

隨著國(guó)內(nèi)戶用項(xiàng)目的產(chǎn)品需求開(kāi)始轉(zhuǎn)向高效產(chǎn)品，原本對(duì)常規(guī)多晶產(chǎn)品需求較高的印度、巴西等海外市場(chǎng)也因疫情導(dǎo)致需求量減弱，2020 年常規(guī)電池片（BSF 電池）市場(chǎng)占比下降至 8.8%，較 2019 年下降 22.7 個(gè)百分點(diǎn)。

N 型電池（主要包括異質(zhì)結(jié)電池和 TOPCon 電池）相對(duì)成本較高，量產(chǎn)規(guī)模仍較少，目前市場(chǎng)占比約為 3.5%，較 2019 年小幅提升。

（資料來(lái)源：CPIA）

隨著成本的主鍵降低，未來(lái)N型電池（主要是TOPCon電池，HJT電池（異質(zhì)電池））將是主要發(fā)展方向。

上圖中很明顯。

BSF電池將逐漸被淘汰。

PERC電池在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)還是主流。

TOPCon電池和異質(zhì)結(jié)電池（主要指HJT電池）未來(lái)將是主要發(fā)展方向。

10、電池片金屬化及銀漿技術(shù)

（要了解詳細(xì)情況請(qǐng)搜索：《深度分析光伏電池片金屬化及銀漿技術(shù)》 ）

10.1 銀漿成本

金屬化是光伏電池片關(guān)鍵工藝之一，主要用于制作光伏電池電極，將PN結(jié)兩端形成歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)電流輸出。金屬化工藝對(duì)于電池的可靠性、成本、轉(zhuǎn)化效率、工藝路線均有較大影響，目前絲網(wǎng)印刷是最成熟且普遍金屬化工藝。

對(duì)于各種電池片來(lái)說(shuō)，銀漿成本是僅次于硅片的第二大成本占比。尤其對(duì)于TOPCON、HJT技術(shù)來(lái)說(shuō)，銀漿成本從PERC的10-11%顯著提升至16%-24%以上，成為限制產(chǎn)業(yè)化推廣的重要因素，傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷工藝無(wú)法滿足新型高效電池需求，因此探索金屬化的升級(jí)優(yōu)化意義重大。

經(jīng)分析，金屬化技術(shù)升級(jí)主要通過(guò)兩大途徑：1）采用新型金屬化工藝降低銀漿耗量（可用于PERC、TOPCON、HJT等各技術(shù)路線）；2）采用國(guó)產(chǎn)化、新型漿料材料降低銀漿耗量（銀包銅僅可用于HJT技術(shù)）。

1）TOPCON：TOPCON技術(shù)對(duì)于工藝和設(shè)備相較于PERC差異不大，但TOPCON采用高溫雙面銀漿，單片耗量在130-150mg左右，高于雙面PERC的85mg/片耗量。根據(jù)TRENDFORCE數(shù)據(jù)，當(dāng)前漿料占TOPCON成本15.8%左右，因此如何優(yōu)化技術(shù)化工藝、銀漿漿料成本對(duì)于降低TOPCON電池生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

2）HJT：由于HJT電池采用非晶硅薄膜需要溫度限制在200℃的低溫環(huán)境，因此HIT電池通常使用可在低溫下固化的特殊低溫銀漿，較傳統(tǒng)高溫銀漿貴2000元/kg。同時(shí)，異質(zhì)結(jié)雙面銀漿的耗量相對(duì)于TOPCON進(jìn)一步提升，當(dāng)前耗量在250mg/片左右，當(dāng)前漿料占HJT成本24.3%左右。

10.2 金屬化工藝升級(jí)

1）多主柵：提升效率降低銀漿耗量，當(dāng)前各電池路線主流技術(shù)

多主柵技術(shù)又稱MBB（Multi-Busbar），通常指主柵線在6條及以上。由于主柵線數(shù)量增加能夠使得柵線做的更細(xì)，從而減少了電池表面的遮擋；同時(shí)縮短了電流在細(xì)柵上傳導(dǎo)距離，可有效降低組件的串聯(lián)電阻；此外因主柵線及細(xì)柵線寬度減少，還能夠顯著降低銀漿耗量。

以 5 主柵電池組件為例，其主柵寬度為 1mm，而多主柵電池組件的主柵可窄至 0.1mm，可大幅降低銀漿耗量。

多主柵技術(shù)擁有較強(qiáng)兼容性，可疊加多晶、單晶、黑硅、PERC、TOPCON、HJT、雙面、單玻、雙玻等多項(xiàng)主流技術(shù)。同時(shí)多主柵技術(shù)升級(jí)主要體現(xiàn)為組件串焊機(jī)設(shè)備的更迭，對(duì)于電池設(shè)備來(lái)說(shuō)變化不大，主要需要絲印設(shè)備網(wǎng)版的更換調(diào)節(jié)，以及分選設(shè)備的精準(zhǔn)度提升。

因此MBB技術(shù)也進(jìn)一步推動(dòng)N型電池片的加速滲透，將HJT銀漿耗量從300mg/片降低至200-250mg/片以下。9BB、12BB已經(jīng)成為當(dāng)前各技術(shù)路線電池金屬化、組件串焊的主流技術(shù)，但當(dāng)前銀漿成本仍然較高，仍需進(jìn)一步優(yōu)化金屬化技術(shù)。

10.3. 國(guó)產(chǎn)化及銀包銅等新型漿料的應(yīng)用

除了對(duì)于金屬化工藝的優(yōu)化升級(jí)，對(duì)于銀漿材料本身的降本優(yōu)化同樣具備較大意義， 降本后的銀漿能夠疊加大多新型金屬化工藝，實(shí)現(xiàn)銀漿成本的進(jìn)一步降低。

漿料的降本優(yōu)化一方面體現(xiàn)在銀漿的規(guī)?；?guó)產(chǎn)化降低其本身價(jià)格，根據(jù)索比光伏網(wǎng)，目前國(guó)產(chǎn)漿料廠商晶銀新材、帝科股份、常州聚和，以及在國(guó)產(chǎn)化投資設(shè)廠日本銀漿龍頭KE均在積極推進(jìn)漿料降價(jià)；

另一方面，邁為聯(lián)合華晟、鈞石能源積極推進(jìn)銀包銅等漿料產(chǎn)業(yè)驗(yàn)證，金辰也在聯(lián)合上下游積極儲(chǔ)備新型漿料及金屬化技術(shù)，也將顯著降低銀漿耗量。

銀包銅的本質(zhì)在于通過(guò)調(diào)節(jié)漿料中的銀、銅摻雜比例，用低價(jià)金屬替代高價(jià)金屬?gòu)亩档驼w的漿料成本。

通過(guò)調(diào)整漿料中銀的摻雜比例，能夠?qū)y含量從90%降低至60%上下，甚至更進(jìn)一步可降低至45%上下，疊加SMBB測(cè)算可降低銀漿耗量至65mg/片，甚至可以低于PERC的銀漿耗量

參考資料：

1 公開(kāi)資料

2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

3 天合光能招股說(shuō)明書(shū)、和相關(guān)公司年報(bào)

4 新材料行研筆記

5 中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2020年版）

6 《深度分析光伏電池片金屬化及銀漿技術(shù)》

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文末劃重點(diǎn)。

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