0引言

“處處陽(yáng)光處處電”人類這一美好的愿景隨著硅材料技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)裝備制造技術(shù)以及光伏電池關(guān)鍵制造工藝技術(shù)的不斷獲得突破而離我們的現(xiàn)實(shí)生活越來越近!近20年來，光伏科學(xué)家與光伏電池制造工藝技術(shù)人員的研究成果已經(jīng)使太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本從最初的幾美元/KWh減少到低于25美分/KWh。而這一趨勢(shì)通過研發(fā)更新的工藝技術(shù)、開發(fā)更先進(jìn)的配套裝備、更廉價(jià)的光伏電子材料以及新型高效太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)能光伏(PV)發(fā)電成本將會(huì)進(jìn)一步降低，到本世紀(jì)中葉將降至4美分/KWh，優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用。

大面積、薄片化、高效率以及高自動(dòng)化集約生產(chǎn)將是光伏硅電池工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。通過降低峰瓦電池的硅材料成本，通過提升光電轉(zhuǎn)換效率與延長(zhǎng)其使用壽命來降低單位電池的發(fā)電成本，通過集約化生產(chǎn)節(jié)約人力資源降低單位電池制造成本，通過合理的機(jī)制建立優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊(duì)、避免人才的不合理流動(dòng)、充分保證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新是未來光伏企業(yè)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在!

1、太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展

晶體硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展可劃分為三個(gè)階段(如圖1所示)，每一階段效率的提升都是因?yàn)樾录夹g(shù)的引入。

圖1電池效率發(fā)展路程圖

1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽(yáng)能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個(gè)發(fā)展階段，背電場(chǎng)電池(BSF)[1]技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)[2]、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達(dá)24.4%鈍化發(fā)射極和背面點(diǎn)接觸(PERL)[3]電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實(shí)驗(yàn)室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來。目前已經(jīng)有多家國(guó)內(nèi)外公司對(duì)外宣稱到2008年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達(dá)到18%，多晶將超過17%。

1.1表面織構(gòu)

減少入射光學(xué)損失是提高電池效率最直接方法?；瘜W(xué)腐蝕工藝是最成熟的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，也是行業(yè)內(nèi)最廣泛使用的技術(shù)，工藝門檻低、產(chǎn)量大;但絨面質(zhì)量不易控制、不良率高，且減反射效果有限(腐蝕后的反射率一般仍在11%以上)，并產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液和酸堿氣體，非環(huán)境友好型生產(chǎn)方式。反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)是最有發(fā)展前景的技術(shù)，它首先在硅片表面形成一層MASK(掩膜)再顯影出表面織構(gòu)模型，然后再利用反應(yīng)離子刻蝕方法制備表面織構(gòu)。用這種方法制備出的減反射絨面非常完美，表面反射率最低可降至0.4%，單多晶技術(shù)統(tǒng)一，生產(chǎn)工藝與設(shè)備都可移植于IC工業(yè)，如果生產(chǎn)成本能夠進(jìn)一步降低可望取代化學(xué)腐蝕方法而大規(guī)模使用。京瓷產(chǎn)業(yè)化17.2%~17.7%的多晶硅電池就是采用等離子刻蝕工藝的一個(gè)成功典范。

1.2發(fā)射區(qū)擴(kuò)散

PN結(jié)特性決定了太陽(yáng)能電池的性能!傳統(tǒng)工藝對(duì)太陽(yáng)能電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負(fù)載能力表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過高導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮、晶格畸變、缺陷增加、“死層”明顯、電池短波響應(yīng)差。PN結(jié)技術(shù)是國(guó)際一流電池制造企業(yè)與國(guó)內(nèi)電池企業(yè)的主要技術(shù)差距。為了在提高電池的填充因子的同時(shí)避免表面“死層”，選擇性擴(kuò)散發(fā)射極電池技術(shù)是最有望獲得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的低成本革命性高效電池技術(shù)，其技術(shù)原理簡(jiǎn)單且通過現(xiàn)有裝備已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，但如何降低制造成本是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)某些大公司對(duì)外宣傳的超過17.6%以上的高效電池其技術(shù)核心均來源于此，相信隨著配套裝備與輔助材料的及時(shí)解決近二年內(nèi)將會(huì)迅速普及與推廣。

在制造工藝上采用氮?dú)鈹y帶三氯氧磷管式高溫?cái)U(kuò)散是目前主流生產(chǎn)技術(shù)，其特點(diǎn)是產(chǎn)量大、工藝成熟操作簡(jiǎn)單。隨著電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質(zhì)濃度(表面方塊電阻80～120Ω/口、均勻性±3%以內(nèi))，減壓擴(kuò)散技術(shù)(LYDOP)優(yōu)勢(shì)非常明顯，工藝中低的雜質(zhì)源飽和蒸氣壓、提高了雜質(zhì)的分子自由程，它對(duì)156尺寸的硅片每批次產(chǎn)量400片的情況下其擴(kuò)散均勻性仍優(yōu)于±3%，是高品質(zhì)擴(kuò)散的首選與環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。鏈?zhǔn)綌U(kuò)散設(shè)備不僅適應(yīng)Inline自動(dòng)化生產(chǎn)方式，而且處理硅片尺寸幾乎不受限制、碎片率大大降低而迅速受到重視，其工藝有噴涂磷酸水溶液擴(kuò)散與絲網(wǎng)印刷磷漿料擴(kuò)散二種。在鏈?zhǔn)綌U(kuò)散技術(shù)上，BTU、SCHMID以及中電集團(tuán)第48所均已有長(zhǎng)時(shí)間的研究及工業(yè)化應(yīng)用，只要能在擴(kuò)散質(zhì)量上獲得突破其一定會(huì)取代目前管式擴(kuò)散成為主流生產(chǎn)裝備與技術(shù)。[!--empirenews.page--]

1.3去邊技術(shù)

產(chǎn)業(yè)化的周邊PN結(jié)去除方式是等離子體干法刻蝕，該方法技術(shù)成熟、產(chǎn)量大，但存在過刻、鉆刻及不均勻的現(xiàn)象，不僅影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而且導(dǎo)致電池片蹦邊、色差與缺角等不良率上升。激光開槽隔離技術(shù)根據(jù)PN結(jié)深度而在硅片邊緣開一物理隔離槽，但與國(guó)外情況相反，據(jù)國(guó)內(nèi)使用情況來看電池效率反而不及等離子體刻蝕技術(shù)，因此該方法有待進(jìn)一步研究。目前行業(yè)出現(xiàn)的另外一種技術(shù)——化學(xué)腐蝕去邊與背面腐蝕拋光技術(shù)集刻蝕與去PSG一體，背面絨面的拋光極大降低了入射光的透射損失、提高電池紅光響應(yīng)。該方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)inline自動(dòng)化生產(chǎn)，不存在“鉆刻”與刻蝕不均勻現(xiàn)象，工藝相對(duì)穩(wěn)定，因此盡管配套設(shè)備昂貴但仍引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

1.4表面減反射膜生長(zhǎng)技術(shù)

早期采用TiO2膜或MgF2/ZnS混合膜以增加對(duì)入射光的吸收，但該方法均需先單獨(dú)采用熱氧化方法生長(zhǎng)一層10～20umSiO2使硅片表面非晶化、且對(duì)多晶效果不理想。

SixNy膜層不僅減緩漿料中玻璃體對(duì)硅的腐蝕抑制Ag的擴(kuò)散速度從而使后續(xù)快燒工藝溫度范圍更寬易于調(diào)節(jié)，而且致密的SixNy膜層是有害雜質(zhì)良好的阻擋層。同時(shí)生成的氫原子對(duì)硅片具有表面鈍化與體鈍化的雙重作用，可以很好地修復(fù)硅中的位錯(cuò)、表面懸掛鍵，提高了硅片中載流子的遷移率因而迅速成為高效電池生產(chǎn)的主流技術(shù)。雙層SiN減反射膜，通過控制各膜層中硅的富集率實(shí)現(xiàn)了5.5%[4]的反射率;而另一種SiN與SiO混合膜，其反射率更是低至4.4%，目前廣泛采用的單層SiN膜減反射率最優(yōu)為10.4%。

圖2 不同減反膜的光譜反射率

在電池背面生長(zhǎng)一層10～30nmSiN膜以期最大限度對(duì)電池進(jìn)行鈍化與缺陷的修復(fù)從而提高電池的效率是目前的一個(gè)熱點(diǎn)課題，由于該技術(shù)牽涉到與后面的絲網(wǎng)印刷技術(shù)、電極漿料技術(shù)及燒結(jié)工藝的配合目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，但它肯定是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

匹配封裝材料對(duì)光譜的折射率定制減反射膜以獲得最佳的實(shí)際使用效果是光伏企業(yè)技術(shù)實(shí)力的體現(xiàn)!如何減少電磁波對(duì)電池表面PN結(jié)輻射損傷以及損傷的有效修復(fù)是該工藝的核心技術(shù)，處理不好往往導(dǎo)致電池效率一致性較差。裝備方面有連續(xù)式間接HF-PECVD、管式直接LF-PECVD。

1.5絲網(wǎng)印刷與金屬漿料技術(shù)

絲網(wǎng)印刷技術(shù)是低成本太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其主要技術(shù)進(jìn)步與電極漿料及網(wǎng)版制版技術(shù)緊密相聯(lián)。電極漿料技術(shù)進(jìn)步是提升電池效率的捷徑，也是一些實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。根據(jù)電池表面擴(kuò)散薄層方塊電阻、擴(kuò)散結(jié)深以及表面減反射膜厚度與密度等開發(fā)相對(duì)應(yīng)的漿料已經(jīng)成為國(guó)際一流光伏企業(yè)領(lǐng)先同行的一個(gè)有力武器：如摻P的正銀漿料實(shí)現(xiàn)低成本的選擇性發(fā)射極技術(shù);向漿料中添加添加劑實(shí)現(xiàn)80～100um細(xì)柵技術(shù);配合超薄片的低翹曲背鋁漿料等等。

硅片厚度不斷減薄、電池面積不斷增大，如何降低碎片率與電池片的翹曲度成為設(shè)備制造廠商與電池制造企業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題。設(shè)備方面已經(jīng)出現(xiàn)能適應(yīng)120um厚度硅片的全自動(dòng)印刷設(shè)備。

2、存在的問題

工藝方面：盡管太陽(yáng)能電池制造是一個(gè)短工藝生產(chǎn)流程，光伏技術(shù)與檢測(cè)手段也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但太陽(yáng)能電池工藝還不能處于完全受控的狀態(tài)。我們無法從電池的不合理電參數(shù)來準(zhǔn)確判斷問題具體所在，對(duì)每一工序質(zhì)量也還沒有完全行之有效的檢測(cè)方法與手段，在線檢測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)落后于工藝技術(shù)的發(fā)展!

設(shè)備方面：目前國(guó)內(nèi)外各制造廠商設(shè)備缺乏統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致上下道工序之間無法有效銜接，導(dǎo)致較大的時(shí)間與資源浪費(fèi)!物化新工藝的裝備滯后于市場(chǎng)的發(fā)展!

原材料方面：原材料市場(chǎng)特別是硅片質(zhì)量良莠不齊，許多企業(yè)缺乏自律性，導(dǎo)致我國(guó)光伏產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，行業(yè)缺乏統(tǒng)一權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)入制度。

3、發(fā)展展望

以硅片為載體的光伏電池制造技術(shù)，其理論極限效率為29%。近年來由于一系列新技術(shù)的突破，硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)業(yè)化水平單晶16%～18%、多晶15%～17%，按目前的晶體硅電池效率路線圖與電池技術(shù)，提升效率的難度已經(jīng)非常大。因此有人預(yù)言硅電池的市場(chǎng)生命周期，但產(chǎn)品市場(chǎng)生命力的決定因素是其性價(jià)比，就如半導(dǎo)體集成電路一樣近一個(gè)世紀(jì)了仍然離不開硅基，晶體硅太陽(yáng)能電池作為光伏發(fā)電主要材料的現(xiàn)狀不會(huì)改變，市場(chǎng)主導(dǎo)地位將繼續(xù)延續(xù)!其特征將會(huì)是向著高效率、大尺寸、超薄化、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。隨著我們對(duì)半導(dǎo)體材料與光伏技術(shù)研究的不斷深入，必將會(huì)不斷誕生一些突破性的技術(shù)來巔覆傳統(tǒng)、提升太陽(yáng)能電池的效率、降低系統(tǒng)發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電從補(bǔ)充能源向主流能源的躍進(jìn)!只是以前這些技術(shù)都由國(guó)外企業(yè)與機(jī)構(gòu)產(chǎn)生?？梢灶A(yù)見通過中國(guó)廣大“光伏人”的努力，今后這些革命性的技術(shù)突破將會(huì)在我們中國(guó)本土企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生!