新型電池片時代來臨,TOPCon、HJT、XBC等效率潛力更大的新型電池新技術(shù)紛紛涌現(xiàn)。激光是光伏電池實現(xiàn)降本增效的有效技術(shù),在刻蝕、開槽、摻雜、修復(fù)以及金屬化等領(lǐng)域均體現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)技術(shù)的明顯優(yōu)勢,激光技術(shù)在各類電池技術(shù)中都有廣闊的發(fā)展空間。
激光工藝在PERC技術(shù)的應(yīng)用
激光技術(shù)在PERC電池端的應(yīng)用主要包括激光摻雜(SE)、激光消融、激光劃片等,激光消融和激光摻雜已經(jīng)成為標(biāo)配性技術(shù)。此外,激光在光伏電池端還有部分小眾型應(yīng)用,如激光MWT打孔、LID/R修復(fù)等,具體來看:
激光摻雜設(shè)備:SE(Selective emitter)為選擇性發(fā)射極,在前道擴(kuò)散工序產(chǎn)生的磷硅玻璃層的基礎(chǔ)上,利用激光的可選擇性加熱特性,在電極柵線與硅片接觸部位進(jìn)行高濃度磷摻雜,形成n++重?fù)诫s區(qū)。激光摻雜可提高電極接觸區(qū)域的摻雜濃度,降低接觸電阻。
激光消融設(shè)備:利用激光對鈍化膜精密刻蝕,實現(xiàn)微納級高精度的局部接觸。該工藝為PERC技術(shù)增強(qiáng)鈍化的核心工藝之一,同時要求激光加工具有精確的能量分布、作用時間控制以及脈沖穩(wěn)定性。PERC技術(shù)可使單晶電池光電的轉(zhuǎn)換效率從20.3%提升至21.5%。
其他設(shè)備:
1)MWT打孔設(shè)備:應(yīng)用金屬穿孔卷繞技術(shù)進(jìn)行激光打孔,將電池正面電極搜集的電流通過孔洞中的銀漿引導(dǎo)背面,而消除正面電極的主柵線,從而減少正面柵線的遮光。由于MWT電池較為小眾,該設(shè)備僅在日托光伏等企業(yè)有少量應(yīng)用。
2)LID/R修復(fù)設(shè)備:采用超高功率激光照射電池片,減少載流子復(fù)合損失,從而降低光致衰減現(xiàn)象。通常而言,降低光致衰減的主流方法為熱處理、鹵素?zé)粽丈涞龋膳c燒結(jié)工序結(jié)合完成,因此目前激光修復(fù)在P型電池應(yīng)用較少。
3)激光劃片設(shè)備:用于組件端半片/疊瓦電池的切割,存在熱激光切割和無損激光切割等工藝。
激光設(shè)備在PERC電池/組件制造中的應(yīng)用
激光在N型電池中的應(yīng)用
激光在N型電池中的應(yīng)用包括激光摻雜、激光修復(fù)、激光刻蝕、激光轉(zhuǎn)印等,價值量較PERC時代有望成倍增長,因此N型電池放量也將帶來光伏激光設(shè)備市場空間快速擴(kuò)容。
激光在N型電池片中的應(yīng)用
TOPCon:激光摻雜提升效率,有望成為標(biāo)配工藝
TOPCon全稱Tunnel Oxide Passivated Contact,即隧穿氧化層鈍化接觸太陽能電池結(jié)構(gòu)。2013年德國Fraunhofer太陽能研究所首次提出TOPCon電池結(jié)構(gòu),使用磷摻雜的硅薄膜實現(xiàn)電子選擇性接觸,并在其與晶體硅之間制備一層小于2nm的隧穿氧化層,形成電子選擇性鈍化接觸。其隧穿原理是使得多數(shù)載流子可以隧穿氧化層,對少數(shù)載流子起阻擋作用,實現(xiàn)了載流子選擇性通過,降低少數(shù)載流子的復(fù)合速率,即規(guī)避了金屬電極接觸高復(fù)合風(fēng)險,因而TOPCon電池具有較高的開路電壓。
在TOPCon電池生產(chǎn)流程中,激光技術(shù)可以用于選擇性重?fù)剑⊿E工藝)及激光轉(zhuǎn)印等環(huán)節(jié)。
TOPCon+SE電池結(jié)構(gòu)
HJT:激光修復(fù)可穩(wěn)定保持效率增益
異質(zhì)結(jié)(HJT)是一種特殊的PN結(jié),由非晶硅和晶體硅材料形成,是在晶體硅上沉積非晶硅薄膜,屬于N型電池中的一種。HJT(Heterojunction)電池最早由日本三洋公司于1990年成功開發(fā)制備方法。激光在HJT電池中的應(yīng)用包括激光修復(fù)LIR和激光轉(zhuǎn)印。
IBC:激光開槽有效解決IBC電池制備難題
IBC電池可與HJT、TOPCon、鈣鈦礦等多種電池疊加,效率提升潛力大。IBC電池可與多種不同電池技術(shù)疊加,形成不同工藝路線,包括:
1)以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝;
2)以ISFH為代表的POLO-IBC電池工藝,由于POLO-IBC工藝復(fù)雜,業(yè)內(nèi)更看好低成本的同源技術(shù)TBC電池工藝(TOPCon-IBC);
3)以Kaneka為代表的HBC電池工藝(IBC-HJT);
4)與鈣鈦礦疊加形成PSC IBC疊層電池工藝。
IBC電池的PN結(jié)及電極均位于背面,結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率優(yōu)勢明顯。IBC(Interdigitated back contact)電池,即背接觸型太陽能電池,將P/N結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以交叉指形狀做在電池背面。IBC電池的結(jié)構(gòu)性優(yōu)勢有:①正面遮光面積為零;②正面沒有柵線,沒有接觸復(fù)合和絨面結(jié)構(gòu)大小的限制,表面陷光效應(yīng)和鈍化效果可以達(dá)到最優(yōu)化;③增加電池在組件中的排列密度。因此,IBC從結(jié)構(gòu)上打破傳統(tǒng)晶硅電池的結(jié)構(gòu)限制,為提高電池效率提供較大空間。
IBC電池結(jié)構(gòu)
目前激光開槽技術(shù)在IBC電池上的應(yīng)用主要為①刻蝕掩膜、制備PN區(qū)交叉指結(jié)構(gòu);②PN區(qū)隔離;③鈍化膜開槽。
激光開槽工藝可以低成本地制備PN區(qū)結(jié)構(gòu)。IBC電池工藝的關(guān)鍵問題在于制備呈叉指狀間隔排列的P區(qū)和N區(qū)、制備更好的表面鈍化層和金屬化。對應(yīng)的是目前IBC的劣勢,如需要多步打掩膜的步驟,制程更加復(fù)雜;PN電極之間有漏電風(fēng)險。通過激光刻蝕,可以繞過掩膜,更低成本地制備PN區(qū);更靈活準(zhǔn)確地去除鈍化膜形成金屬化的接觸區(qū)。
激光開槽也可以應(yīng)用于IBC電池PN區(qū)分離。為防止短路,XBC電池背面的P區(qū)和N區(qū)之間往往需要隔離,PN區(qū)隔離有多種方式,可以利用未進(jìn)行摻雜的非晶硅避免P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)直接相通,也可以在P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)進(jìn)行激光開槽進(jìn)行隔離。
IBC電池PN區(qū)分離
此外,激光開槽也可以應(yīng)用于IBC、TBC等電池鈍化膜形成后、金屬化開始前的接觸結(jié)構(gòu)刻蝕環(huán)節(jié)。激光開槽鈍化膜的目的是,在N型單晶硅片背面的鈍化層上進(jìn)行激光開窗,并將電極從N區(qū)和P區(qū)上引出來,進(jìn)行金屬化。背鈍化電池中的背鈍化膜層一般由氧化鋁和氮化硅、氧化鋁和氧化硅或摻雜多晶硅和氧化硅組成,一般的氧化鋁厚度為5?20nm,氮化硅厚度范圍為70?220nm,常見的氧化鋁厚度在10nm,氮化硅厚度在70?100nm時,背鈍化膜呈淡藍(lán)色,為進(jìn)一步改善表面鈍化效果,部分廠家增加拋光工藝,使得背鈍化膜對可見光波段的光反射率高于其它波段。
激光開槽可以同時保證較低的接觸電阻、較高的電池效率與較好的鈍化效果。由于通過激光消融方式開槽,漿料可以利用低溫?zé)Y(jié)即可實現(xiàn)柵線與P型/N型摻雜多晶硅良好的歐姆接觸,在保證較低接觸電阻的同時,減少柵線區(qū)域的金屬誘導(dǎo)復(fù)合,提高電池效率,且避免了高溫?zé)Y(jié)漿料對P型/N型摻雜多晶硅具有破壞性而導(dǎo)致柵線區(qū)域金屬誘導(dǎo)復(fù)合隨溫度升高而降低電池效率的問題;同時,也避免高溫?zé)Y(jié)漿料對隧穿氧化層產(chǎn)生破壞,確保電池的鈍化效果。
激光轉(zhuǎn)印:通用型金屬化技術(shù),降本顯著空間廣
激光轉(zhuǎn)印是一種新型的無接觸式金屬化技術(shù),適用于PERC、TOPCON、HJT、IBC等所有類型電池片。電極金屬化用于制備太陽能電池的電極,是光伏電池制造的必備工序。電極金屬化有較多實現(xiàn)方式,目前的主流方法為接觸式的絲網(wǎng)印刷,目前行業(yè)也在積極探索激光轉(zhuǎn)印、電鍍銅等新型金屬化方式的產(chǎn)業(yè)化,助力光伏電池片進(jìn)一步降本增效。
激光轉(zhuǎn)印原理圖
激光轉(zhuǎn)印相比絲網(wǎng)印刷優(yōu)勢顯著,有望成為主流技術(shù)之一。相比于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷,激光轉(zhuǎn)印主要的優(yōu)勢在于:
1)激光轉(zhuǎn)印的柵線更細(xì),現(xiàn)在可以做到18微米以下,漿料節(jié)省30%,在PERC上已經(jīng)得到論證,在TOPCon、HJT等路線上的節(jié)省量會更高;
2)印刷高度一致性、均勻性優(yōu)良,誤差在2μm,低溫銀漿也同樣適用;
3) 可以改變?nèi)嵝阅さ牟坌停鶕?jù)不同的電池結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)即定的柵線形狀,改善電性能;
4)激光轉(zhuǎn)印為非接觸式印刷,可以避免擠壓式印刷存在的隱裂、破片、污染、劃傷等問題。同時,未來硅片薄片化趨勢,薄片化會帶來更多隱裂問題,激光轉(zhuǎn)印由于非接觸式印刷,可以有效解決這個問題。
激光轉(zhuǎn)印VS絲網(wǎng)印刷
激光轉(zhuǎn)印具備通用性,未來產(chǎn)業(yè)化空間廣闊。激光轉(zhuǎn)印是一種通用型技術(shù),對于電池片技術(shù)和漿料類型沒有選擇性,在PERC/TOPCon/HJT/IBC等所有光伏電池片的金屬化環(huán)節(jié)均可以使用,同時也適用于高溫銀漿、低溫銀漿、銀包銅等所有漿料類型。由于TOPCon和HJT等N型電池均為雙面銀漿,且HJT所用的低溫銀漿粘稠度高、耗銀量更大,因此電池片銀漿成本目前遠(yuǎn)高于PERC電池,采用激光轉(zhuǎn)印能夠有效降低N型電池銀漿成本,加速N型電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
激光技術(shù)在組件端的應(yīng)用:薄膜打孔、無損劃片
激光薄膜打孔:用于雙面玻璃打孔。雙玻組件的蓋板和背板都需要使用光伏玻璃,而背板光伏玻璃需要在特定位置打孔才能把光伏電池組件的電流導(dǎo)線引出到接線盒,因此光伏玻璃背板打孔是組件加工中必不可少的一道工序。目前雙玻組件的背板玻璃鉆孔有機(jī)械法和激光法兩種技術(shù),相比于傳統(tǒng)機(jī)械法,激光法具有以下優(yōu)勢:
1)激光法前期固定投資高,但是后期維護(hù)成本低,這是由于機(jī)械法需要更換易耗品玻璃鉆頭、并且需要冷卻水噴淋和收集;
2)激光鉆孔可以自由切換圓孔、方孔、異形孔等孔型和孔徑需求;
3)加工量率高,根據(jù)大族激光,2.5mm厚度玻璃加工良率方面,激光法鉆孔高于機(jī)械鉆孔5%左右,未來隨著光伏玻璃輕薄化趨勢,激光加工良率優(yōu)勢將更加顯著;
4)加工精度高、加工品質(zhì)好,孔內(nèi)壁無粉塵殘留、損傷低。
激光無損切割:替代傳統(tǒng)有損工藝,無微裂紋、熱損傷低,組件效率損失降低0.05,兼容PERC/TOPCon /HJT等各種主流電池片。常規(guī)半片/疊瓦電池的切片采用激光熱切割,即通過聚焦的激光光斑在電池片上形成熔融溝槽,再外部施加掰斷力,這種方法容易帶來切割斷面的微裂紋和電池表面較大的熱影響區(qū),對于薄片化的HJT電池可能帶來更大效率損失。無損切割技術(shù)可以采用分離式激光照射或旁軸照射光路,誘導(dǎo)電池片產(chǎn)生裂紋并延伸裂開,可降低隱裂,預(yù)計可降低組件端的效率損失0.05,同時對于生產(chǎn)良率的提升亦有幫助。
銀月光科技深耕健康智慧光源,向市場提供全品類紫外UVA UVB UVC LED,紅外,IR LED VCSEL產(chǎn)品和方案服務(wù),在國內(nèi)市場擁有數(shù)百家優(yōu)質(zhì)合作伙伴,共同推動用光科技創(chuàng)造健康智慧生活的事業(yè)。
審核編輯 黃昊宇
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