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贾 曦 邓 丰
(乐山职业技术学院 四川 乐山 614000)
“十三五”以来，中国光伏产业得到巨大的发展，产业链规模不断扩大，产品成本持续降低，技术路线多次更新。据麦肯锡相关数据显示，光伏是中国领先美国且具有极大竞争优势的产业[1]，中国已经成为光伏强国。在“国家能源安全”、“零碳经济”、“绿水青山”和“中国制造业做大做强”等时代大背景下，中国光伏产业肩负使命，不断前进。从2016年中国成为世界第一光伏大国，全球最大光伏市场到2020年成为除美国外的第二大光伏技术创新大国，提效、降本和安全是光伏产业提高竞争力的必要手段，产业链中的电池环节历来是提效、降本的重要内容。目前，单晶硅perc电池市场份额最大，在产业发展和基础研究方面实际意义重大。
本文从实验室研发和产业化两个方面综述单晶硅PERC电池的现状和发展方向，为后续晶体硅电池研究和工艺优化提供参考。
PERC电池(Passivated Emitterand Rear Cell)又称钝化发射极和背面电池[2]，PERC电池结构在常规晶体硅电池结构(BSF)基础上进行优化，常规P型晶硅电池背面全铝接触，在硅片厚度变薄的趋势下，少数载流子可能会扩散到电池背面进行复合。另外，太阳光中红外光在背面铝层中反射回电池比例不高，都对提高电池转换效率不利。PERC电池在常规电池背表面引入介质钝化膜和局域金属接触技术，降低电池背表面载流子复合速度，提升背表面的长波光反射，从而提高晶体硅太阳电池光电转换效率。
图1 (a)常规晶体硅电池结构 图1(b)晶体硅PERC电池结构
单晶硅PERC电池生产工艺流程是制绒→扩散制PN结→刻蚀与抛光→镀减反射膜→镀背钝化膜→激光开槽→金属电极制备→测试。与常规晶硅电池相比，多了背面钝化层和激光开槽两个环节，既兼容原有产线，又较少资金引入新设备提高电池转换效率，满足当时产业的需求，使增效降本成为现实。但是，perc电池任存在一些问题，主要包含：(1)金属部分存在较大的复合(2)局域接触导致载流子的横向传输，使电池的串联电阻增大，降低填充因子(3)光衰严重(4)其它方面的光学损失和电学损失。这些损失制约电池转换效率进一步提高。
众多学者和团队在提高perc电池转换效率方面做出很多努力。张建军等通多激光掺杂技术实现SE与PERC电池技术叠加，通过分区重轻掺杂改善欧姆接触，减少电学损失[3]。王丽婷等研究了改变电注入退火条件，证明电注入退火能改善电池光致衰减现象[4]。梁润雄等利用正交试验优化电注入工艺条件，并在优化条件下获得1%-2%的增益[5]。张磊研究了链式碱抛技术在PERC太阳能电池中的可行性，为优化电池背面串联电阻提供路径[6]。张进等研究了在铝浆中添加不同量的四苯硼钠，通过实验表明在0.5%含量下，LBSF层增厚，电池性能变好[7]。周小荣等从背反射率和铝栅线设计对电池工艺参数进行优化，并得到最优工艺参数[8]。王庆钱研究了后PERC时期高效性电池技术的路线，认为单晶代替多晶，N型代替P型，双面代替单面电池[9]。
1.未来3-5年，单晶Perc电池市场份额持续增大，成为主流产品。作为PERC电池主要原材料，P型单晶硅片市场占比如图2红色方框点画线所示。2018年，中国光伏P型单晶硅片市场占比为39.5%，2019年市场占比增加到46.5%，与2018年相比增加17.7%。据中国光伏协会(CPIA)推测，2020-2022年P型单晶硅片的市场配比约为53.3%、53.4%，从2018年至2022年，P型单晶硅片市场占比呈增加趋势，但从2023年至2025年，由于N型硅片市场份额的增大，P型单晶硅片的市场份额相应略微降低至51.8%。2019年晶硅太阳电池全国产能为108.6GW，同比2018年增长27.8%[10]。其中PERC电池市场占比为50.6%，如图2中蓝色圆形点画线所示。2018年PERC电池市场占比为33.5%，2019年为50.6%，同比2018年提高了约51%。据预测，2020年市场占比为55.7%，2021年-2025年市场占比逐年增加。从硅片和电池市场变化可得，未来3-5年太阳电池产品呈多样化趋势，N型TOPCon电池，异质结电池等高效电池将分占部分市场[11]，但晶体硅PERC太阳电池任为主流，2025年PERC电池可能会占61%的市场份额。
图2 Perc电池、P型硅片市场占比(数据来自CPIA)
2.单晶硅PERC电池的光电转换效率进一步提高。单晶PERC电池产业化转换效率和中国实验室最高效率如图3所示。2017年，中国实验室最高效率为22.6%，2019年为23.1%，相比2018年提高0.5%，2020年隆基创造了单晶硅PERC电池24.03%的中国最高效率，相比2019年数据提高0.97%。2016年-2019年，单晶硅PERC电池产业化平均转换效率每年递增，2019年产业平均转换效率为22.3%，行内最好平均转换效率可达22.7%。据预测，该类电池的产业平均转换效率从2020年到2025年会进一步提高，到2025年可能达24%，接近该类电池中国实验室最高转换效率。
图3 PERC电池光电转换效率(数据来自CPIA、CPVS)
3.技术路线呈现多技术叠加趋势。从产业技术路线来看，PERC电池提效降本路径主要是多种技术路线的有效叠加。目前，大尺寸硅片的导入是降低电池成本的一个有效途径。目前，硅片的主流产品边长为156.75mm。边长为166mm和210mm的大硅片的引入，通过产能提高降低电池非硅成本。另外，在增效方面采用钝化发射极、选择发射极(SE)、多主栅细栅技术，在硅片方面采用少子寿命高的产品，采用碱链式抛光技术、高性能铝浆和抗光衰技术等。
通过对perc电池实验室技术路线和产业现状的研究，单晶perc电池在未来几年任是商用太阳电池的主流。未来的发展趋势是提效降本，呈现多种技术叠加趋势。通过大尺寸高少子寿命硅片的引入、制备选择发射极、钝化发射极、先进减反射技术和先进的金属化技术等进行叠加，电池的光电转换效率会进一步提高。
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