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光伏電池片領域降本增效是推動光伏產業(yè)不斷發(fā)展的內在牽引力，其中以提升光電轉換效率為目標的光伏電池片技術變革是推動降本增效的關鍵舉措之一。2015年至2020年，光伏電池片經歷了BSF到PERC的應用技術迭代；2021年以來，以TOPCon、XBC、HJT為代表的新型高效光伏電池片技術開始逐步進入規(guī)模化應用階段。在光伏電池片技術的變革過程中，設備是支撐工藝和產能落地的基礎和核心，新設備技術需要均衡成本、性能等核心要素，因此設備廠商需要與下游客戶緊密配合，根據(jù)新的工藝特點提供兼顧成本、效率的系統(tǒng)性解決方案，具有較高的技術和產品壁壘。

比如在光伏電池片核心工藝設備方面，拉普拉斯利用核心技術應用，通過不斷創(chuàng)新持續(xù)滿足下游客戶的多項需求，包括：

①使用氣態(tài)硼源，結合低壓氛圍、高溫等特點攻克工藝難題，率先實現(xiàn)硼擴散設備規(guī)?；慨a和應用，突破N型電池片量產工藝瓶頸；

②率先實現(xiàn)光伏級大產能LPCVD大規(guī)模量產，可高質量滿足高效光伏電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的工藝需求；

③自研水平放片工藝，有效提升產能，滿足大硅片、薄硅片的生產需求，降低成本；

④自主設計和生產核心零部件熱場，創(chuàng)造性地進行非對稱設計，實現(xiàn)精準控溫，提高光伏電池片效率和良率，并提升設備可靠性等。

光伏發(fā)電的基本原理

光生伏特效應（即“光伏效應”）是指當物體受到光照時，因光能被吸收，電子發(fā)生躍遷，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

根據(jù)半導體的特性，半導體中有電子和空穴兩種電流載體（指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，簡稱“載流子”），其中電子帶負電、空穴帶正電，半導體材料中某種載流子占大多數(shù)，則稱它為多子，占小部分的即為少子。硅片最基本的材料是“硅”，純凈的硅不導電，但可以通過在硅中摻雜來改變特性：在硅晶體中摻入硼元素，即可做成P型硅片；摻入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素價位特點不同，P型硅片中空穴作為多子主要參與導電，電子是少數(shù)載流子（少子）；N型硅片中電子作為多子主要參與導電，空穴是少子，上述P（Positive，正電）和N（Negative，負電）即根據(jù)硅片多子的正負電情況進行的命名。

PN結（結是指交叉，譯自英文“PNjunction”）是光伏電池片的基本結構單元，其通常形成于同一塊硅片中P型區(qū)域和N型區(qū)域的交界處，可以通過向P型硅片表面擴散磷元素或者向N型硅片表面擴散硼元素制得。

光伏電池片發(fā)電即是利用PN結位置產生的自由電子的電位差來產生電流，當太陽光照射在電池片表面時，電子吸收能量變?yōu)橐苿拥淖杂呻娮?，同時在原來的位置形成空穴，自由電子受到內電場的作用會向N區(qū)移動，同時對應空穴向P區(qū)移動，當連接電池正負極形成閉合回路時，自由電子受到內電場的力從N區(qū)經過導線向P區(qū)移動，在外電路產生電流。

影響光伏發(fā)電效率的核心要素

光伏發(fā)電的本質是將光能轉化為電能，因此減少光學損失和電學損失是提升光伏電池片轉換效率的兩個關鍵方向。光學損失產生的主要原因是材料表面的反射及遮擋損失，包括電池片前表面和背表面的反射以及組件玻璃的反射、電池柵線的遮擋等。目前減少光學損失的主要方法包括：

①利用化學方法對硅片表面進行腐蝕，形成絨面，增加陷光作用；

②制備減反膜降低反射率，例如玻璃減反膜、電池表面的氮化硅減反膜；

③優(yōu)化電池柵線，減少柵線遮擋損失，例如使用多主柵及新型高效的XBC電池技術。

目前，制絨、減反膜、多主柵等技術目前應用已較為廣泛，發(fā)展較為成熟，XBC電池技術正在進入快速發(fā)展階段，XBC電池的PN結和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒有金屬電極遮擋的影響，同時背面可以容許較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻從而提高填充因子。

電學損失產生的主要原因是光伏電池片體內及表面電子和空穴的復合，復合率越低，光電轉換效率就越高。電池片表面的表面態(tài)（懸掛鍵、雜質、晶格失配和損傷層等）以及電池片內部存在的雜質，它們都會成為載流子的復合中心。

對于解決材料本身的內部缺陷及雜質等引起的問題，單晶硅要優(yōu)于多晶硅，N型電池要優(yōu)于P型電池；對于電池表面的復合中心，通過改變光伏電池的結構，如引入鈍化膜（主要為Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及摻雜多晶硅層等方式，可以有效延長電池片內部少子壽命，減少復合導致的電學損失。

隨著單晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx為代表的鈍化膜技術在此前的PERC技術也已經得到普遍應用，在材料方面引入N型硅片襯底及電池片結構方面進一步加強鈍化效果（如引入隧穿氧化及摻雜多晶硅層）是目前進一步降低電學損失的成熟有效方式，應用該等改善材料和進行結構改變的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術。

②具有多方面優(yōu)勢的N型光伏電池片技術已日趨成熟

光伏電池片的生產是以硅片為基礎材料，通過擴散摻雜元素、多層鍍膜等多步驟處理后，形成基本發(fā)電單元的過程。其中，以P型硅片作為襯底通過磷元素擴散或摻雜最終制作出的電池片為P型電池片，代表性是基于PERC技術產品；以N型硅片作為襯底通過硼元素擴散或摻雜最終制作出的電池片為N型電池片，具有代表性的為N型TOPCon、N型IBC、N型HJT等新型高效光伏電池片。N型電池片相較于P型電池片具有較為顯著的優(yōu)勢：

A、高轉換效率：N型電池片的少數(shù)載流子壽命顯著高于P型電池，能夠極大提升電池的開路電壓和短路電流，帶來更高電池轉化效率，如N型TOPCon的轉換效率理論可達28.7%，顯著高于PERC的24.5%；

B、低衰減率：N型電池片襯底硅片主要摻入磷元素，在材料中不會形成硼氧原子對（導致P型電池光致衰減的主要因素），因而N型電池片的初始光誘導衰減幾乎為零，整體衰減率較低；

C、弱光效應好：N型電池片弱光條件下光譜響應好，提升早晚等弱光情況下的發(fā)電能力；

D、高雙面率：雙面率高達85%以上，有效提升發(fā)電增益；E、低溫度系數(shù)：傳統(tǒng)P型電池片溫度每升高一度，輸出功率就降低0.4%~0.5%，而N型電池溫片度系數(shù)僅有前者一半左右，發(fā)電量顯著高于P型電池片。

從光伏電池片技術降本增效的發(fā)展目標和趨勢來看，在解決了生產設備技術攻關、生產工藝提升、成本優(yōu)化等關鍵問題后，TOPCon和XBC兩種技術路線下的N型電池片已實現(xiàn)落地量產，其中已量產TOPCon的代表性主流廠商包括晶科能源、鈞達股份、中來股份等，已量產或投產XBC的廠商為愛旭股份及隆基綠能。

低壓水平硼擴散技術

N型光伏電池片具有高轉換效率、低衰減率、弱光效應好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢，但是，N型硅片需要在硅片表面擴散硼元素以達到形成PN結的目的，而硼擴散設備一直是困擾N型光伏電池片量產的難題，所以最早大規(guī)模量產的單晶硅電池是P型的PERC。

硼原子相對于其擬擴散進入的襯底硅原子而言，原子質量較小，對硅原子的替代需要更高的能量，硼擴散工藝相對于磷擴散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴散時間長，工藝難度大，設備維護費用高。

行業(yè)內原有工藝采用三溴化硼作為擴散硼源，通過氮氣攜源的方式通入設備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴散過程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導致形成的PN結不均勻，同時產生的副產物為粘稠狀物質，設備需要頻繁維護，稼動率低，運營成本極高，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴散技術，很好地解決了前述技術瓶頸：

①采用三氯化硼作為擴散硼源，在一定溫度下通過飽和蒸汽壓的方式通入設備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴散過程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結，解決N型電池PN結制備均勻性較差的難題；

②使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴散相比，在設備營造的特殊反應氛圍下，副產物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長、維護費用低、運營成本低。

TOPCon電池片由PERC電池片的基礎架構升級而來，主要差別在于硼擴散與隧穿氧化及摻雜多晶硅層的制備：

A由于襯底硅片由P型變?yōu)镹型，所以需要在襯底表面進行硼擴散以制備P+發(fā)射極；

B背面由隧穿氧化及摻雜多晶硅層構成，以多晶硅層的制備方式劃分，主要分為三種技術路線，分別為LPCVD、PECVD及PVD，其中LPCVD相較于PECVD、PVD在技術成熟度、成膜質量（均勻性好、致密度高）方面具有優(yōu)勢，隨著石英管壽命的提升以及雙插工藝（雙插，即一個舟齒放置兩塊硅片，相較于單插，硅片放置量提升一倍）的不斷成熟，LPCVD已成為下游客戶的主流選擇。除上述外，TOPCon生產過程涉及的其他設備則與PERC大體相同，主要環(huán)節(jié)包括清洗制絨、刻蝕、正面氧化鋁（Al2O3）沉積、雙面氮化硅（SiNx）沉積、絲網印刷等。

XBC電池片制造工序較PERC差異較大，但也需要使用LPCVD制備隧穿氧化和摻雜多晶硅層，N型XBC則還需要硼擴散設備進行硼摻雜。

②硼擴散設備是制備N型電池片PN結的主要設備

N型光伏電池片具有高轉換效率、低衰減率、弱光效應好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢，但是，N型硅片需要在硅片表面擴散硼元素以達到形成PN結的目的，而硼擴散設備一直是困擾N型光伏電池片量產的難題。

硼原子相對于其擬擴散進入的襯底硅原子而言，原子質量較小，對硅原子的替代需要更高的能量，硼擴散工藝相對于磷擴散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴散時間長，工藝難度大，設備維護費用高。行業(yè)內原有工藝采用三溴化硼作為擴散硼源，通過氮氣攜源的方式通入設備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴散過程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導致形成的PN結不均勻，同時產生的副產物為粘稠狀物質，設備需要頻繁維護，稼動率低，運營成本極高，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴散技術，很好地解決了前述技術瓶頸：

A采用三氯化硼作為擴散硼源，在一定溫度下通過飽和蒸汽壓的方式通入設備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴散過程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結，解決N型電池PN結制備均勻性較差的難題；

B使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴散相比，在設備營造的特殊反應氛圍下，副產物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長、維護費用低、運營成本低。

③LPCVD是制備高質量隧穿氧化及摻雜多晶硅層的成熟設備

目前N型電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的技術路線分為LPCVD方案（LPCVD+磷擴散設備）、PECVD方案（PECVD+退火）、PVD方案（PVD+退火）。LPCVD憑借技術成熟、成膜質量高、產能大等優(yōu)點成為下游客戶最主流的解決方案；PECVD方案則在成膜效率方面具有一定優(yōu)勢，部分廠商也進行了采納；少部分廠商基于PVD低繞鍍等優(yōu)勢則選擇了PVD方案。

在未將光伏級大產能LPCVD推向市場之前，主要行業(yè)痛點在于：

ALPCVD原成熟應用于半導體領域，但光伏相對于半導體的成本控制要求更高，隧穿氧化及摻雜多晶硅層對光伏電池片轉換效率提升帶來的收益與相應增加的工序成本相比較必須具有經濟性，此外還有大產能的需求，對于結構構造、工藝設計提出了特殊的要求；B

石英管損耗較高，增加了生產成本；C鍍膜均勻度較差。

拉普拉斯結合上述痛點創(chuàng)造性地進行了氣流控制設計、載片設計、非對稱熱場設計、硅片載具的創(chuàng)新設計、自適應串級溫控設計、優(yōu)化設備結構延長石英管壽命和提升產能，并自研新型石英管涂層技術進一步延長石英壽命，完成了光伏級大產能LPCVD的量產落地，為客戶產品中隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備提供成熟的LPCVD解決方案。

原標題：技術整理：光伏發(fā)電原理和光伏電池片前沿技術