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多晶黑硅、N型單晶雙面及P型單晶PERC技術優劣分析對比

OFweek太陽能光伏網訊:2015年光伏領跑者計劃推出,國家通過此項計劃引導光伏行業有序升級,行業積極響應并順勢加快高效電池技術從研發走向量產的步伐。經過市場大浪淘沙,光伏行業主要選擇的主要高效電池技術有:多晶黑硅電池技術、N型單晶雙面電池技術以及P型單晶PERC電池技術。下面就電池工藝、組件功率、光致衰減、隱裂等方面探討上述幾種技術的優劣。

一、PERC單晶電池

1、PERC單晶單面電池

常規單晶電池主要效率區間為19.8-20%,對應的組件功率為280W。為了進一步提升單晶電池效率,在電池背面增加了鈍化層。通過背面鈍化層的作用,電池的表面復合速率顯著降低,電池的效率提升到20.8-21%,對應的組件功率由280W提升到290W。

和常規單晶電池工藝相比,PERC單晶電池主要增加了背面鈍化、背面SiNx膜沉積和激光打孔三道工藝。其中激光打孔工藝是利用一定脈沖寬度的激光在去除部分覆蓋在電池背面的鈍化層和SiNx覆蓋層,以使絲網印刷的鋁漿可以與電池背面的硅片形成有效接觸,從而使光生電流可以通過Al層導出。因Al漿無法穿透SiNx層,其余未被激光去除的鈍化層被覆蓋在其上方的SiNx覆蓋層保護,發揮降低表面復合速率,提升效率的作用。

通常背面的激光開孔面積約占電池片表面積的5-10%,如激光開孔面積過低,則光生電流在傳輸過程中電阻較大,從而產生較大的熱損失,導致電流效率降低。如激光開孔面積過大,則鈍化層無法有效發揮降低表面復合速率的作用,導致電池的效率無法有效提升。激光開孔工藝在電池片表面產生了5-10%的損傷。作為整片單一晶體,PERC單晶由于背面的完整晶體結構被破壞,有很大的隱裂或破碎的風險,晶體損傷可能導致硅片沿著此損傷整片碎裂。PERC單晶電池由于正反面金屬結構不同所造成的2-5mm的翹曲,翹曲應力和激光損傷的聯合作用下,PERC單晶電池的隱裂或破碎的風險將顯著提高。

組件應用在光伏電站后,在整個生命周期內,組件都需要持續經受機械載荷或風載荷等考驗。為了保證組件在光伏電站使用的可靠性,組件都需通過5400Pa機械載荷測試,行業標準是測試后組件功率的衰減量小于5%,因為激光開孔工藝造成的損傷導致硅片破碎幾率增大,因此PERC單晶組件經過機械載荷測試后的衰減普遍大于5%,而常規單多晶組件的機械載荷測試功率衰減量普遍小于3%。可以看出PERC單晶組件的機械載荷衰減率明顯高于其他組件產品。對光伏電站來說,在雪載荷和風載荷等的持續用下,PERC單晶組件從激光開孔點開始逐漸出現隱裂和破片,伴隨的是組件功率的持續下降。PERC電池的高機械載荷衰減率PERC單晶組件的這一缺陷給光伏電站發電量帶來了極大不確定性。為了緩解PERC單晶在機械載荷和隱裂方面的缺陷,行業采取在組件背面添加加固橫梁的方式,并進行了采用加厚硅片來緩解隱裂的嘗試,但這些方法均提高了組件的單瓦成本,與降低度電成本的大方向背道而馳。

光致衰減方面,多晶黑硅光衰約為1.5%,N型單晶基本沒有光衰,而PERC單晶的光衰在2-10%之間,從而導致PERC單晶組件應用在光伏電站后很可能光電轉換效率大幅下降,光伏電站發電量和收益率而隨之大幅下降。

2、PERC單晶雙面電池

PERC單晶單面電池的背面為全Al層,背面入射光線無法穿透該全Al層,因此PERC單晶單面電池只有正面可以吸收入射光進行光電轉換。為了使PERC電池均有雙面光電轉換功能,行業改變了PERC電池的印刷工藝,將背面全Al層印刷工藝修改為背面局部Al層印刷工藝。該工藝是盡量保證背面Al漿印刷在激光開孔點處,以使光生電流仍然可以通過激光開孔點的Al層導出。

PERC單晶雙面電池背面由全Al層改為局部Al層,因此背面的入射光可由未被Al層遮擋的區域進入電池,實現雙面光電轉換功能。由于激光開孔點仍然需要Al漿來疏導光生電流,因此背面的大部分區域任然覆蓋了Al漿,因此和電池正面超過20%的光電轉換效率相比,PERC單晶雙面電池背面可吸收光線的區域有限,背面的光電轉換效率預計在10-15%。同時由于背面由全Al層改為局部Al層,電池的正面效率可能會下降0.2-0.5%。

由于PERC單晶雙面電池的工藝與PERC單晶單面電池的工藝并無明顯區別,因此PERC單晶雙面電池任然面臨隱裂率高、機械載荷衰減率高、光致衰減率高等問題。對光伏電站來說,使用PERC單晶雙面組件仍然有明顯的可靠性風險,對保證電站收益率也是巨大的考驗。

二、N型單晶雙面電池

 

N型單晶雙面電池在近年也逐步釋放產能,從相關資料來看,國內若干主要企業均具有一定技術儲備。這種電池的特點也是雙面皆可吸收入射光線,從而提升電池和組件的發電量。目前有企業宣傳該款電池的正面效率大于21%,背面效率大于19%。封裝成組件后,正面功率接近300W,背面功率接近270W。結合各種應用場景,組件發電功率較高。和常規電池相比,該款電池主要增加了雙面漿料印刷和硼元素摻雜(如旋涂、印刷高溫推進和固態源擴散等)等工藝。目前國內主要企業儲備的該產品技術基本都沒有用到激光等工藝,因此整個電池制作工藝不對硅片造成額外損傷,組件可在各種使用條件下保持穩定性。此外,還具有無光致衰減、弱光響應好等特點。

P型單多晶電池正面印刷Ag柵線,背面整面印刷Al漿,因此電池正面和背面的金屬結構和成分不對稱,在絲網印刷燒結后電池片會產生2-5mm的翹曲,從而在電池內部產生應力,由于翹曲和應力的作用,P型單多晶電池的破片率明顯提升。由此包括電池生產、組件生產和光伏電站組件中的電池破裂率均提升。N型單晶雙面電池正背面均印刷Ag柵線且圖形相近,因此N型單晶雙面電池結構均有對稱性,電池在絲網燒結印刷后不產生翹曲。此外,N型單晶雙面電池的工藝流程中無激光等損傷,保持完整晶體結構。綜合以上因素,N型單晶雙面電池破片率更低。

由于N型單晶雙面電池正背面均印刷銀漿,因此該款銀漿的耗量高于P型單多晶電池。在產能方面,N型電池與P型電池的相比還有差距。

三、多晶黑硅電池

多晶硅片中具有若干不同晶向的晶體,因此單晶廣泛應用NaOH溶液各向異性制絨工藝并不適用于多晶制絨。目前通行的多晶硅制絨工藝主要是HF/HNO3混合溶液的缺陷腐蝕制絨法,此方法制絨后的硅片反射率約為18%,高于常規單晶制絨后11%的反射率,不利于多晶電池對入射光線的有效吸收。為了進一步降低多晶硅片制絨后的反射率,采用特殊制絨工藝在多晶硅片表面形成納米結構,增加有效多晶硅片對入射光線的吸收。采用這種制絨工藝生產的多晶電池有更低的反射率,此方法制絨的多晶電池從肉眼來看比普通多晶電池更黑,因此這種工藝被稱為黑硅制絨。

多晶黑硅制絨工藝主要有干法制絨和濕法制絨兩種。干法黑硅制絨工藝為反應離子刻蝕法(Reactive Ion Etching,RIE),該方法是等離子體在電場作用下加速撞擊硅片,在硅片表面形成納米結構,從而降低多晶硅片的反射率。濕法黑硅制絨工藝為金屬催化化學腐蝕法(Metal Catalyzed Chemical Etching,MCCE),該方法是在硅片表面附著金屬,利用HF與強氧化劑混合溶液腐蝕硅片表面,附著在硅片表面的金屬隨著腐蝕過程而向下沉積,從而在硅片表面形成納米結構,有效降低硅片表面的反射率。無論干法或是濕法黑硅制絨工藝,都可將多晶電池效率提升0.6%以上,采用多晶黑硅電池封裝的組件功率也可從265W提升到275W。多晶黑硅電池的整個制作工藝簡單,不對硅片造成額外的損傷,使多晶組件可在各種使用條件下保持可靠性,保證了多晶組件在光伏電站整個生命周期發電量的穩定。此外,多晶電池還具有光致衰減低的特點,多晶電池的光致衰減普遍低于1.5%,而PERC單晶電池的光致衰減為2-10%。可以看出,與PERC單晶電池相比,多晶黑硅的光致衰減率具有很好的優勢。

在全球的晶體硅光伏產品中,多晶產品仍然占有50%以上的市場需求。多晶產品具有單瓦價格低、工藝成熟、組件可靠性高的特點,有效降低光伏電站風險,為光伏電站收益提供可靠保障。

結語

多晶黑硅電池和N型單晶雙面電池在光致衰減率、破片率和機械載荷衰減率等方面均明顯好于PERC單晶電池。因此相比于PERC單晶電池,多晶黑硅電池和N型單晶電池將為光伏電站帶來更為穩定的發電量,光伏電站業主的投資回報也可以得到更好的保障。光伏電站作為預期運營25年、30年乃至更長時間的投資項目,除了組件初始功率外,還需要關注組件功率在整個電站生命周期的穩定性和衰減率,以保證穩定的投資回報。

近期,行業逐漸有企業開始宣傳PERC單晶雙面電池和組件。據悉,晶澳太陽能有限公司在2013年已經申請并取得了PERC雙面電池和組件的相關專利。光伏電站業主如使用PERC單晶雙面組件,除了光致衰減率高、組件隱裂率高和機械載荷衰減率高等風險外,可能會面臨專利糾紛和法律風險,這也是業主需要注意的方面。

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