編者按:目前全球多數(shù)硅晶太陽能電池都采用傳統(tǒng)P型標準制程,但P型電池在轉(zhuǎn)換效率達到22%后,即面臨資本及技術(shù)投入邊際效益率遞減效應,轉(zhuǎn)換效率難再有效增加。
因此太陽能廠開始將目光放在次世代的N型太陽能電池的商業(yè)化上,其中又以異質(zhì)結(jié)(HeterojunctionwithIntrinsic,HJT)電池,以及指叉狀背接觸(InterdigitatedBackContact,IBC)電池兩種技術(shù)最具有潛力,本文將探討此兩種N型太陽能電池發(fā)展狀況,提供相關(guān)業(yè)者參考。
目前能量產(chǎn)N型太陽能電池的廠商,僅有SunPower與Panasonic兩家。圖為SunPower的太陽能板。圖/路透
太陽能發(fā)電成本的下降,來自兩大主要因素。一為制造成本的下降,二為太陽能電池與模組本身轉(zhuǎn)換效率的提升。在商業(yè)競爭下,太陽能電池轉(zhuǎn)換效率逐年往高效率發(fā)展,從早期平均約15%左右,以每年0.5%左右的速度逐年增加。目前全球絕大多數(shù)的硅晶電池皆采用P型,但在效率達到22%后,效率提升的空間已有限,面臨資本及技術(shù)投入邊際效益率遞減問題。
效率有優(yōu)勢的N型電池
雖然P型電池發(fā)展遭遇瓶頸,全球太陽能廠仍面臨需求端仍不斷追求效率提升的壓力,產(chǎn)業(yè)界將目光放在次世代的N型太陽能量產(chǎn)化上。
主要N型硅晶太陽能電池主要包括,HJT、IBC和N-PERT/N-PERL電池三大類。這三種均帶有N型晶硅電池的特點,例如:少子壽命高、無光衰、弱光效應好,但其中又以HJT及IBC因為提升效率的潛力最大,受到關(guān)注度最高。各國廠商無不紛紛加緊研發(fā)速度,主要太陽能國家政策也加以政策扶持。但至目前為止,能成功量產(chǎn)并商業(yè)化銷售的,只有日本Panasonic以及美國SunPower兩家公司。
其中HJT電池是距離實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)最近的次世代太陽能電池技術(shù),其優(yōu)勢不僅在于能量轉(zhuǎn)換效率高,還在于制程簡單、高溫下發(fā)電效率衰減小、可使用薄型化硅晶圓、和低模組封裝損失、可雙面發(fā)電等多種優(yōu)點,成為次世代最被看好的電池技術(shù)。而IBC電池,P-N結(jié)和電極全部置于電池背面,消除了電池正面柵線的遮光,增加轉(zhuǎn)換效率,可達到23%以上。但其制程復雜,機臺設(shè)備投資大,使成本幾乎為傳統(tǒng)電池的兩倍以上,因此如何降低IBC制造成本,是目前各國開發(fā)重點。也有實驗室開發(fā)出同時結(jié)合HJT+IBC兩種結(jié)構(gòu)之電池,并實現(xiàn)了25.6%的全球最高效率,是晶硅太陽電池有機會實現(xiàn)的最高效率。而第三種電池N-PERT/N-PERL結(jié)構(gòu)簡單,最大程度保留和利用現(xiàn)有傳統(tǒng)P型電池設(shè)備制程,量產(chǎn)化困難度最低,但轉(zhuǎn)換效率沒有前面兩種電池高。
而根據(jù)國際太陽能技術(shù)路線圖ITRPV2016所做的預測,指出隨著IBC、HJT等電池新結(jié)構(gòu),N型單晶電池的效率優(yōu)勢會越來越明顯,市場占有率會逐步增加。并隨著雷射、離子注入等技術(shù)的量產(chǎn)化,HJT太陽能電池將可望在2026年超過10%市場占有率,IBC背部接觸式達12%。而傳統(tǒng)的P型電池市占率將逐年降低。
商業(yè)化的挑戰(zhàn)
雖然HJT太陽能電池具有許多優(yōu)勢,但在商業(yè)化量產(chǎn)上,仍面臨挑戰(zhàn)需要克服:
◆新增設(shè)備機臺與制程要求嚴格:與傳統(tǒng)P型電池制程不同,需增加薄膜沉積機臺。要制作非晶硅與晶體硅沉積,對制程環(huán)境要求嚴格。除此之外,磷擴散制程需要達到適合潔凈度要求、并有效的鈍化。
◆低溫模組封裝技術(shù):由于HJT電池的低溫制程特性,不能采取傳統(tǒng)硅晶電池的高溫封裝法,需要開發(fā)適宜的低溫封裝技術(shù)。
◆高品質(zhì)的硅晶圓材料:高品質(zhì)的硅晶圓材料需求,將使購料成本上升。
至于IBC太陽能電池最主要的挑戰(zhàn),來自于量產(chǎn)化成本的下降:
◆背面指狀交叉狀制程與離子注入技術(shù)的量產(chǎn)化:IBC電池的核心技術(shù)是如何在電池背面制造出良好的指狀交叉狀的P區(qū)和N區(qū)。傳統(tǒng)作法是利用液態(tài)硼擴散和微影制程,但需要高溫制程且均勻性較差,需要多道復雜制程。半導體產(chǎn)業(yè)中常用的離子注入技術(shù),雖均勻性較佳、結(jié)深精確可控但成本高昂,如何達到量產(chǎn)化,是目前最具挑戰(zhàn)的關(guān)鍵議題。
◆雷射加工困難度:利用雷射的高能使局部升華在電池背面開孔,但制程帶來的硅片損傷影響接觸電極。因需精準定位增加加工時間,降低生產(chǎn)效率,量產(chǎn)化仍是瓶頸。
最初市場僅有SunPower與Panasonic兩家廠商投入次世代N型太陽能電池量產(chǎn)上,但隨著HJT電池專利到期,與各國投入研發(fā)降低IBC電池生產(chǎn)成本下,近年來國際大廠如Tesla(SolarCity)、韓國LG,中國大陸英利等公司,也紛紛投入N型電池開發(fā)。
臺灣廠商方面,也有公司開始投入。其中以新日光開發(fā)HJT電池最為積極,目前已有試量產(chǎn)成果,預計在2017年下半年將有50MW可進入產(chǎn)階段。其他公司如元晶也宣布俄羅斯機臺廠IZOVAC,共同研發(fā)HJT太陽能電池技術(shù),但仍在研發(fā)階段。
N型電池效率與發(fā)展前景值得期待,但量產(chǎn)化及成本下降是目前最需要解決之議題。如果導入成本過于昂貴,最終發(fā)電成本仍無法與傳統(tǒng)型太陽能電池抗衡,而無法快速滲透市場。在目前P型太陽能電池一片紅海競爭之下,臺灣廠商在制程調(diào)整、良率開發(fā)、參數(shù)優(yōu)化、量產(chǎn)化經(jīng)驗,皆具有相當?shù)母偁巸?yōu)勢,如果能在次世代N型太陽能電池上站穩(wěn)腳步,將可有效建立技術(shù)進入門檻。(本文作者為資策會MIC產(chǎn)業(yè)分析師)
原標題:N型太陽能電池的優(yōu)勢和商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)