光伏電池種類及未來發(fā)展趨勢

電池結(jié)構(gòu)是從常規(guī)鋁背場電池（BSF）結(jié)構(gòu)自然衍生而來。硅基太陽能電池在2015年之前由鋁背場(BSF)電池主導(dǎo),BSF電池具有先天的局限性:應(yīng)用于常規(guī)BSF電池背表面的金屬鋁膜層中，復(fù)合速度無法降200 cm/s以下。到達(dá)鋁背層的紅外輻射光只60%，70%能被反射回去。通過在電池背面附上介質(zhì)鈍化層，可大大減少這種光電損失，這就是PERC電池的工作原理。

 2015年P(guān)-PERC開始起量，目前PERC電池已經(jīng)成為市場主流電池，通過在電池背面附上介質(zhì)鈍化層，可大大減少光電損失、增加光吸收率、顯著降低背表面復(fù)合電流密度，且具有成本較低、與原有生產(chǎn)線相容性高（僅需增添2道主要工序）的優(yōu)點，成為高效太陽能電池發(fā)展現(xiàn)階段的主流方向,但伴隨著PERC電池效率提升開始逐漸放緩，具備效率高、無光衰、溫度系數(shù)低、弱光響應(yīng)高等諸多優(yōu)勢的N型電池愈加受到關(guān)注。

 P型光伏組件最高效率有其固有瓶頸，N型光伏組件在獲得高效率時增加了工藝難度，成本隨之增高。P型硅片制作工藝簡單，成本較低，N型硅片通常少子壽命較大，電池效率可以做得更高，但是工藝更加復(fù)雜——N型硅片摻磷元素，磷與硅相溶性差，拉棒時磷分布不均，P型硅片摻硼元素，硼與硅分凝系數(shù)相當(dāng)，分散均勻度容易控制。N型Si電池材料中硼含量極低，由硼氧對導(dǎo)致的光致衰退效應(yīng)基本可以忽略，因此N型Si電池比P型Si電池具有更高的少數(shù)載流子壽命，這些優(yōu)勢使得N型Si電池壽命更長，效率更高，因此，N型Si電池成為市場的追逐的方向，很可能是未來幾年高效電池產(chǎn)業(yè)化的熱點技術(shù)，其市場份額也會在未來幾年內(nèi)節(jié)節(jié)攀升。光伏電池的應(yīng)用環(huán)境惡劣，因此其長期穩(wěn)定性成為未來重點考量的因數(shù)。未來光伏產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用要在效率-成本-長期可靠性三個方面尋求某種平衡。

    N型單晶硅電池主要包括N-PERT電池、N-TOPCon電池、叉指狀背接觸電池（IBC）和異質(zhì)結(jié)電池（HIT）等。  

   N-PERT電池結(jié)構(gòu)簡單，能最大程度的利用傳統(tǒng)P型電池設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)制作，且很容易實現(xiàn)量產(chǎn)化，缺點是轉(zhuǎn)換效率偏低。 

     TOPCon電池概念是由Fraunhofer ISE在2013年第28屆EU PVSEC上首次提出。

    TOPCon技術(shù)是在電池背面制備一層超薄的隧穿氧化層和一層高摻雜的多晶硅薄層，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能讓硅片背面表層更好的鈍化，超薄氧化層、多晶硅層綜合作用，能極大地降低金屬接觸復(fù)合電流，提升開路電壓和短路電流。 

    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影響，轉(zhuǎn)換效率最高能夠達(dá)到23%以上。不過IBC電池生產(chǎn)制作過程復(fù)雜，設(shè)備投資成本高，幾乎為傳統(tǒng)電池的兩倍以上。

   N-PERT 技術(shù)與雙面 PERC 電池對比性價比不明顯，TOPcon 量產(chǎn)難度高，而 IBC 技術(shù)雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但技術(shù)難度大，量產(chǎn)難度高，國內(nèi)未有量產(chǎn)實績。HIT 由于工序少、國內(nèi)已有企業(yè)量產(chǎn)，成為高效電池未來的發(fā)展方向。

  HIT（異質(zhì)結(jié)電池，Heterojunction with Intrinsic Thin layer）是一種在 P 型氫化非晶硅和 n 型氫化非晶硅與 n 型硅襯底之間增加一層非摻雜（本征）氫化非晶硅薄膜的電池結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)晶體硅太陽能電池是一種同質(zhì)結(jié)電池，即 PN 結(jié)是在同一種半導(dǎo)體材料上形成的，而異質(zhì)結(jié)電池的 PN 結(jié)采用不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。日本三洋公司在 1990 年發(fā)明出 HIT 電池并申請為注冊商標(biāo)，因此異質(zhì)結(jié)電池又被稱為 HIT（Heterojunction Technology）或 SHJ（Silicon Heterojunction）。，采取該工藝措施后，改善了PN結(jié)的性能。因而使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23%(實驗室效率在26%以上)，開路電壓達(dá)到729mV，并且全部工藝可以在200℃以下實現(xiàn)。2019年，P-PERC 單晶電池效率提升至 22.3%，N-PERT+TOPCon 單晶電池、HIT 電池平均轉(zhuǎn)換效率分別已經(jīng)達(dá)到 22.7%和 23%。HIT 電池轉(zhuǎn)換效率比 P-PERC 電池、N-PERT+TOPCon電池轉(zhuǎn)換效率分別高出 0.7%、0.3%。預(yù)計至 2025 年 HIT 電池轉(zhuǎn)換效率可提升至 25.5%，相比 P-PERC 電池、N-PERT+TOPCon 電池，轉(zhuǎn)換效率高出 1.5%、1%。隨著 HIT 技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，降本增效速度預(yù)期會大幅加快，HIT 有望替代 PERC 成為下一代主流技術(shù)。 

 在成本領(lǐng)域，HIT電池成本更低。由于HIT電池結(jié)合了薄膜太陽能電池低溫的制造優(yōu)點，無需在高溫下完成，而低溫環(huán)境下加工有利于實現(xiàn)HIT電池薄片化，不僅大大的節(jié)約燃料能源，而且減少硅的使用量，降低硅原料的成本，厚度越薄，硅耗量越小，硅成本更低。目前主流 PERC 電池硅片厚度為 160μm-180μm，受限于技術(shù)和工藝要求，降低到 160μm 以下的難度較大，并且硅片變薄會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率的下降。HIT 電池完美的對稱結(jié)構(gòu)和低溫度工藝使其非常適于薄片化，鈞石能源已量產(chǎn) HIT 電池產(chǎn)品硅片厚度為 150μm，相較于PERC 產(chǎn)品有所降低。日本三洋 2013 年研發(fā)出的 HIT 電池采用硅片厚度僅為 98μm，電池效率達(dá) 24.7%。隨著硅片切割技術(shù)的發(fā)展，HIT 電池采用的硅片厚度將逐步下降，預(yù)計至2025 年可降至 100μm，硅片成本可下降至 0.25 元/W。

  與 P-PERC、TOPCon 相比，HIT 生產(chǎn)工藝大大簡化，因此具備較大的產(chǎn)業(yè)化潛力。P-PERC 工藝需要 8-10 道工序步驟，工藝難點在于氧化鋁鈍化、激光開孔問題，國內(nèi)代表企業(yè)有樂葉、晶科能源、阿特斯、晶澳科技；N-TOPCON 工藝共有 11-12 道工序步驟，工藝難點在于硼擴(kuò)散，多晶硅生產(chǎn)、摻雜，繞鍍，國內(nèi)代表企業(yè)有天合光能、中來股份、林洋能源、晶科能源；HIT 工藝只需 4 道工序步驟，工藝難點在于高效清洗和非晶硅制備，國內(nèi)代表企業(yè)有漢能、晉能、中智、鈞石能源、通威股份，其中在量產(chǎn)的有晉能、鈞石能源。從理論上講，HIT 工藝步驟少，可以極大的降低電池的不良率，以及人工、運維等其他生產(chǎn)成本。

  HIT電池具有更低衰減和更長壽命。HIT電池的低溫度系數(shù)和更低的光致衰減:與單晶硅電池－0.42％／℃的溫度系數(shù)相比，HIT 電池的溫度系數(shù)可達(dá)到－0.25％／℃，使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。在一天的中午時分，HIT 電池的發(fā)電量比一般晶體硅太陽電池高出 8－10％，雙玻 HIT 組件的發(fā)電量高出 20％以上，具有更高的用戶附加值。由于 HIT 電池上表面為 TCO，電荷不會在電池表面的 TCO 上產(chǎn)生極化現(xiàn)象，因此 HIT 電池?zé)o PID、LePID 現(xiàn)象。松下 HIT 組件 25 年后發(fā)電量僅下降 8%。HIT雙面電池通過雙玻封裝也能實現(xiàn)相比目前主流組件的25年再延長了5-15年的壽命。

  對于IBC電池，其工藝流程相比傳統(tǒng)方法復(fù)雜很多。常規(guī)電池的工藝步驟為八步，而IBC電池則需要二十步。IBC對硅片要求也較高，加上復(fù)雜的步驟導(dǎo)致其成本約為普通電池的兩倍，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度也非常慢。由于IBC的正反面與常規(guī)不同，因此其組件過程也需要定制，同樣制約了其產(chǎn)業(yè)化。未來IBC電池主要面向高端市場：IBC電池的優(yōu)勢就在于高效和美觀，  同時HIT異質(zhì)結(jié)技術(shù)在推廣中存在如下制約。

  一、設(shè)備和運維的成本高，關(guān)鍵設(shè)備未國產(chǎn)化，HIT 電池產(chǎn)線設(shè)備投資額中非晶硅薄膜制備和 TCO 沉積設(shè)備成本占比接近 70%。非晶硅薄膜沉積設(shè)備和 TCO 薄膜沉積設(shè)備主要依賴進(jìn)口，清洗制絨設(shè)備、電極金屬化設(shè)備等環(huán)節(jié)國產(chǎn)廠商開始進(jìn)入。HIT電池進(jìn)口設(shè)備約為8-10億元/GW，國產(chǎn)設(shè)備約為5-8億元/GW，而PERC只需要2.5-3億元/GW。HIT電池設(shè)備成本約為PERC的3倍。單位產(chǎn)能投資額度為PERC電池的2-4倍。此外由于HIT國內(nèi)剛剛起步，缺乏配套和專業(yè)設(shè)備導(dǎo)致電池良率低，運維的成本也很高。 

  二、材料成本高，硅片和輔材品質(zhì)和價格高且產(chǎn)量小未形成規(guī)模效應(yīng)。HIT電池需要的高品質(zhì)N型硅片價格高，工藝要求低溫銀漿尚依賴進(jìn)口，國產(chǎn)供應(yīng)商處于起步階段，低溫銀漿單價是PERC用銀漿的約1.5倍，用量也是PERC用量的1.5倍。

   當(dāng)前全球 HIT 已有產(chǎn)能約 3GW，參與方規(guī)劃 HIT 產(chǎn)能超過 15GW，部分企業(yè)已開始中試或小批量投運。鈞石能源、中智電力、晉能科技、漢能等國內(nèi) HIT 技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)已分別建成600MW、160MW、100MW、120MW 異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)能。

 此前，由于設(shè)備初期投資高以及對制程工藝要求嚴(yán)格，大部分廠商對異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)仍在觀望階段。近年來，隨著高效電池已經(jīng)成為了市場的主流，以及異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)不斷提高，成本持續(xù)下降。各市場主體加快HIT電池的投資布局。國際方面，現(xiàn)有產(chǎn)能1GW、量產(chǎn)效率達(dá)23%的日本三洋可謂是HIT中的領(lǐng)頭羊，除此之外，具有較成熟HIT技術(shù)的還有REC、Keneka、Solarcity等。

   國內(nèi)方面，盡管當(dāng)前我國異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)量較低，2017年為60MW，2018年為約為886MW，但國內(nèi)企業(yè)布局正在加快。數(shù)據(jù)顯示，目前已有10多家企業(yè)參與到異質(zhì)結(jié)電池研發(fā)、生產(chǎn)中，規(guī)劃總產(chǎn)能已超過30GW。其中作為異質(zhì)結(jié)領(lǐng)域較早的“拓荒者”之一，晉能科技早在2017年就已實現(xiàn)中試線投產(chǎn)，現(xiàn)有產(chǎn)能100MW，異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)最高效率達(dá)23.85%，量產(chǎn)平均良率達(dá)98.29%，未來的規(guī)劃產(chǎn)能為1GW。而布局較早的中智、漢能及鈞石現(xiàn)有產(chǎn)能也分別達(dá)到了160 MW、150 MW和600 MW，規(guī)劃產(chǎn)能分別為2GW、2GW、5GW。通威、愛康、彩虹等新進(jìn)入的企業(yè)自2018年起紛紛宣布了GW級的異質(zhì)結(jié)產(chǎn)能布局，目前產(chǎn)線多在建設(shè)中。

   隨著企業(yè)加大HIT電池投資布局，一批標(biāo)桿企業(yè)與項目可能在年底到2020年投運，預(yù)計將有2020年將有4-7GW以上的HIT新增產(chǎn)能投放，超前幾年累計產(chǎn)能。而這也將進(jìn)一步提升行業(yè)對異質(zhì)結(jié)電池的信心，2020年可能是HIT的產(chǎn)業(yè)化元年。

   目前 PERC 電池非硅成本約 0.26元/W，占電池成本 39%，電池成本約為 0.76 元/W（含稅）。HIT 電池尚處于規(guī)?；跗?，設(shè)備及關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口，非硅成本存在較大下降空間。根據(jù)測算， HIT 電池總成本約為 0.89 元/W（不含稅）。PERC 電池技術(shù)相對成熟，產(chǎn)業(yè)化已具備規(guī)模，非硅成本下降空間較小，綜合各環(huán)節(jié)測算，未來通過 HIT 電池產(chǎn)業(yè)化規(guī)模提升、技術(shù)進(jìn)步推動材料耗量下降及關(guān)鍵材料及設(shè)備的國產(chǎn)化等途徑，HIT 電池成本將實現(xiàn)較大幅度的下降，逐步達(dá)到量產(chǎn)邊際條。