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什么是perc电池?perc太阳能电池原理|技术|生产流程|工艺流程详解!

发表于:2018-07-20 10:41:40    

来源:索比光伏网

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。

(单面perc电池结构)

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。

PERC电池生产流程


概述流程

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。

钝化膜

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。

背钝化材料

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

perc电池工艺

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

背面钝化工艺

◎ 等离子体增强化学气相沉积法

等离子体增强化学气相沉积法是利用辉光放电的物理作用来激活粒子的一种化学气相沉积反应,是集等离子体辉光放电与化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术。在辉光放电所形成的等离子体场当中,由于电子和离子的质量相差悬殊,二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢,因此在等离子体内部没有统一的温度,只有所谓的电子气温度和离子温度。从宏观上看来,这种等离子体温度不高,但其内部却处于受激发的状态,其电子能量足以使分子键断裂,并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生,使本来需要在高温下才能进行的化学反应,当处于等离子体场中时,由于反应气体的电激活作用而降低了反应温度,从而在较低的温度下甚至在常温下就能在基片上形成固态薄膜。

◎热氧化法

在太阳电池制造过程中,将已经形成p-n结的硅片放入高温炉中,在高温下与氧化剂进行反应就可以长出一层SiO2薄膜,对太阳电池表面起到钝化作用。热氧化法制备的SiO2薄膜,由于热氧化二氧化硅中存在大量固定正电荷,这些固定正电荷将产生场效应钝化作用,降低了硅片表面的缺陷密度,可以获得低的表面复合速率。

◎原子层沉积法

原子层沉积是将不同气相前驱反应物交替地通入反应器,在沉积基底上化学吸附并反应形成薄膜的过程,以限制表面反应物的方式,将沉积过程控制在原子水平。以前驱体三甲基铝和水为反应物,经过一系列反应构成了一次ALD循环,在n型晶体硅表面沉积形成Al2O3薄膜,通过控制循环次数即可得到所需的薄膜厚度。原子层沉积的最大优点在于其自限制性,因而可以精确控制薄膜的厚度和质量,从而具有很好的台阶覆盖性和大面积厚度均匀性。基于上述原子层沉积法的优点,J.Schmidt等人利用原子层沉积法制备Al2O3作为背表面钝化膜制备出效率为20.6%的PERC型太阳电池。它的缺点也同样明显,即较低的生长速度,原因在于每个循环反应中的两次抽气过程耗时达几秒,而前驱体的反应时间不过几毫秒,这将原子层沉积的速度限制在大约2nm/min。

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