光伏行業(yè)作為目前我國最有競爭力的新興可再生能源產(chǎn)業(yè)之一,經(jīng)過近二十年的發(fā)展,光伏產(chǎn)業(yè)從技術(shù)到產(chǎn)業(yè),都成為中國領(lǐng)先并引領(lǐng)全球發(fā)展的“長板”,正以不可估量的速度飛速發(fā)展,是推動(dòng)我國能源變革的重要引擎,也是未來實(shí)現(xiàn)我國承諾減排目標(biāo)“2030年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”的主力軍。目前我國光伏產(chǎn)業(yè)在制造業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平、應(yīng)用市場拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等方面均位居全球前列。
近年來,隨著國內(nèi)加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)引領(lǐng)和全球清潔能源加速應(yīng)用背景下,光伏裝機(jī)容量將持續(xù)攀升。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì),2022 年上半年國內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī) 30.88GW,同比增長 137.4%,已超過 2021 年 1-10 月國內(nèi)新增裝機(jī)容量總和。中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測,2022 年國內(nèi)光伏新增裝機(jī)將達(dá)到 85~100GW。預(yù)計(jì)2022 年-2025 年,國內(nèi)年均新增光伏裝機(jī)將達(dá)到 83~99GW,我國光伏產(chǎn)業(yè)總體呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的發(fā)展態(tài)勢。
光伏行業(yè)嘗試各種渠道推動(dòng)電池片生產(chǎn)成本的下降。一是通過技術(shù)進(jìn)步降低成本,根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì),電池轉(zhuǎn)換效率每提升 1%,成本可下降 5%-7%,因此提升轉(zhuǎn)換效率是降低生產(chǎn)成本的主要途徑之一;二是通過降低物耗以降低成本,電池片加工環(huán)節(jié)的主要材料成本包括晶硅和漿料,其中漿料價(jià)格與銀等大宗商品掛鉤,下降難度較大,因此企業(yè)往往通過技術(shù)升級來降低電池片中的漿料用量,從而達(dá)到降低成本的目的;三是通過壓低原材料價(jià)格以促進(jìn)成本降低;四是通過設(shè)備的國產(chǎn)化,提升生產(chǎn)品質(zhì)的同時(shí)大幅度降低投資成本。綜上,為在平價(jià)上網(wǎng)的大背景下保持企業(yè)競爭力,電池片生產(chǎn)成本降低將成為市場趨勢。此外,占地面積小、單位面積發(fā)電量高的高效電池成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。電池片轉(zhuǎn)換效率主要由其技術(shù)路線、工藝和生產(chǎn)設(shè)備等因素決定。
光伏發(fā)電將憑著環(huán)保優(yōu)勢對傳統(tǒng)能源形成較大的競爭優(yōu)勢,在能源中的占比將迅速上升,由此帶來對光伏組件的巨大需求。在此背景下,高效太陽能電池加工設(shè)備的市場需求將被進(jìn)一步拉動(dòng)。
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(jià)值量較PERC 時(shí)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。
PERC 電池仍為主流,激光技術(shù)助力增效
太陽能電池是通過光電反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器,在太陽能電池生產(chǎn)中,激光加工技術(shù)目前主要應(yīng)用于消融、切割、刻邊、摻雜、打孔、激光修復(fù)、激光劃片等工藝。
PERC 疊加激光摻雜 SE:
采用激光摻雜的 SE 技術(shù)可以顯著提高太陽能電池淺擴(kuò)散區(qū)域的表面濃度,降低表面復(fù)合,在金屬接觸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)重?fù)诫s,改善金屬漿料和電池的接觸,降低接觸電阻,提高電池轉(zhuǎn)換效率。因此,激光摻雜技術(shù)能在與現(xiàn)有 PERC 電池線兼容的基礎(chǔ)上,提高產(chǎn)出電池的光電轉(zhuǎn)換效率。PERC+SE 電池較普通PERC 電池的光電轉(zhuǎn)換效率絕對值可提高0.3%至 0.5%。利用激光加工工藝實(shí)現(xiàn) PERC+電池,光伏制造企業(yè)僅需在 PERC 生產(chǎn)線基礎(chǔ)上增加 SE 激光摻雜設(shè)備,投入較小,效益明顯。
2019 年,為降低太陽能電池生產(chǎn)過程中的酸排放,堿拋技術(shù)逐步替代傳統(tǒng)的硝酸和氫氟酸,成為 PERC 電池 PN 結(jié)隔離的主要手段。堿拋技術(shù)的應(yīng)用,提升電池背鈍化面的平整度,提升了背面反射率和鈍化效果,提升了轉(zhuǎn)換效率提升。針對堿拋工藝的激光摻雜技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生,解決了原有技術(shù)的局部腐蝕問題,提升了轉(zhuǎn)換效率。
隨著大尺寸硅片時(shí)代的到來,182mm 和 210mm 的大尺寸硅片進(jìn)一步提升了激光消融和摻雜整幅面的均勻性的要求,PERC 疊加激光摻雜 SE 技術(shù)和堿拋已經(jīng)成為 2020 年新增PERC 產(chǎn)能的標(biāo)準(zhǔn)配置。
PERC 消融(刻蝕)工藝:
PERC 高效太陽能電池是通過在電池背面增加鈍化層,阻止載流子在一些高復(fù)合區(qū)域(如電池表面與金屬電極的接觸處)的復(fù)合行為,減少電損失,同時(shí)可以增強(qiáng)電池下表面光反射,減少光損失,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率,提高電池的性能。PERC 電池與常規(guī)全鋁背場電池最大的區(qū)別在于:電池背面用全表面介質(zhì)膜鈍化和局域金屬接觸方式取代全鋁背場電極。
在 PERC 技術(shù)中,背面電極透過鈍化層實(shí)現(xiàn)微納級高精度的局部接觸是技術(shù)難點(diǎn)之一。加工過程中,在對鈍化膜精密刻蝕的同時(shí),不能損傷到硅襯底材料,否則會影響電池片最終轉(zhuǎn)化效率。早期實(shí)驗(yàn)室主要采用濕法刻蝕工藝,產(chǎn)業(yè)化難度高,且成本高。即便利用激光方式,也要求激光加工能夠定位最優(yōu)化的能量密度分布,精確控制激光作用時(shí)間,同時(shí)保證每個(gè)脈沖嚴(yán)格一致。只有特制的激光器和光路控制,配合長期積累的工藝經(jīng)驗(yàn),才能得到最佳的電池性能。迅速定位與特定材料加工匹配的微納級激光加工技術(shù)和適應(yīng)高效生產(chǎn)的控制系統(tǒng)是 PERC 電池激光加工設(shè)備的技術(shù)核心,同時(shí)也是高效太陽能電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的保證。
激光摻雜幫助 TOPCon 的效率進(jìn)一步提升
在 PERC 高效太陽能電池快速發(fā)展的同時(shí),限制于電池結(jié)構(gòu)的限制,轉(zhuǎn)換效率逐步接近天花板。以 N 型電池為代表的 TOPCon 電池、HJT 電池、IBC 等高效太陽能電池結(jié)構(gòu)不斷技術(shù)升級,逐步從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。
圖表32:N 型組件產(chǎn)能及出貨量
據(jù) PV Infolink 預(yù)測,各大企業(yè)對 N 型的研發(fā)投入逐漸加大,在未來幾年內(nèi),以 N 型為主的 TOPCon、HJT 和 IBC 增長趨勢明顯。從生產(chǎn)工藝來看,IBC 電池工藝最難最復(fù)雜,TOPCon 次之,HJT 電池工藝最簡單、步驟最少。從生產(chǎn)設(shè)備來看,TOPCon 電池與現(xiàn)有主流技術(shù) PERC 太陽能電池生產(chǎn)工藝兼容性最高,可從 PERC 產(chǎn)線升級,IBC 次之,HJT電池完全不兼容現(xiàn)有設(shè)備,需要新建產(chǎn)線,且設(shè)備投資額最大。
2013 年德國Fraunhofer ISE 研究所提出TOPCon電池概念,采用N型硅材料作為襯底,硼擴(kuò)散形成發(fā)射極,背面采用一層超薄氧化層和摻雜多晶硅層鈍化層,雙面絲網(wǎng)形成金屬電極,電池結(jié)構(gòu)如下圖所示,經(jīng)過幾年的技術(shù)優(yōu)化,F(xiàn)raunhofer ISE 公布的最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 26%。國內(nèi)晶科能源、天合光能、中來股份等多家光伏企業(yè)相繼開展了相關(guān)研究,量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率得到快速提升。
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 電池中,激光硼摻雜為提效核心工藝之一,可實(shí)現(xiàn) 0.2%-0.3%的效率提升。從技術(shù)原理上看,TOPCon 的激光硼摻工藝原理與 PERC+SE 基本相同,即通過實(shí)現(xiàn)局部重?fù)?,提升光電轉(zhuǎn)換效率。但最大差異在于,兩種工藝的擴(kuò)散材料本身存在差異,前者擴(kuò)散硼,而 PERC 電池?cái)U(kuò)散磷。且擴(kuò)硼難度高于擴(kuò)磷難度、更為復(fù)雜。PERC 電池技術(shù)標(biāo)配激光 SE 為一次摻雜,但 TOPCON 電池用的是 N 型硅片襯底,需要硼擴(kuò)散,硼擴(kuò)散速率慢、溫度高,在硅中固溶度低、一次摻雜困難,此前行業(yè)內(nèi)使用二次摻雜方案較多。
二次摻雜工藝主要工序?yàn)榕饠U(kuò)散后首先用激光開槽,將表面BSG硼硅玻璃打穿至摻雜面,然后再進(jìn)行一次硼擴(kuò)形成高低結(jié)重?fù)?。但是硼擴(kuò)溫度極高、能耗較大,同時(shí)第二次硼擴(kuò)也會額外增加硼擴(kuò)、清洗等設(shè)備投資。
激光 LIA 修復(fù)設(shè)備幫助 HJT 提效降衰
晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池(HeteroJunction with intrinsic Thinlayer solar cell)是在晶體硅上沉積非晶硅薄膜,綜合了晶體硅電池與薄膜電池的優(yōu)勢,具有轉(zhuǎn)換效率高、工藝溫度低、穩(wěn)定性高、衰減率低、雙面發(fā)電等顯著優(yōu)點(diǎn)。日本三洋公司在 1990 年研發(fā)了 HJT電池,2010 年核心專利過期后,多家公司開始專注于 HJT 技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
圖表35:HJT 電池結(jié)構(gòu)
在光照情況下,對 HJT 電池進(jìn)行加熱退火,可以提高非晶硅的鈍化效果,提高電池轉(zhuǎn)換效率。除此之外,在 HTT 電池上,LIA 技術(shù)同時(shí)能減少電池片的暗衰減,延長電池組件的使用壽命。
修復(fù)工藝的核心是能否將效率提升穩(wěn)定保持到組件上,主要路徑有 LED 光注入和激光LIA 設(shè)備。激光 LIA 設(shè)備兼具抗衰減和提效雙重功能,且可以有效降低組件端衰減,已成為 HJT 光注入修復(fù)路徑中的重要選項(xiàng),較傳統(tǒng) LED 工藝具備絕對優(yōu)勢。
在 HJT 電池中的應(yīng)用方面,以帝爾激光為例,公司激光修復(fù)技術(shù)通過激光均勻輻照,整幅面激光輻照均勻性可達(dá) 5%以內(nèi),滿足 230mm 以下尺寸電池片高光強(qiáng)輻照,提高非晶硅的鈍化效果,提升電池開路電壓,同時(shí)改善銀漿與襯底的接觸,大幅提高填充因子,進(jìn)而提升轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)帝爾激光投資者關(guān)系活動(dòng)記錄表,其激光 LIA 設(shè)備曾獲量產(chǎn)訂單,單臺設(shè)備價(jià)格不低于 300 萬元,對應(yīng)激光 LIA 設(shè)備單 GW 價(jià)值量約 3000 萬元。
新型無接觸激光轉(zhuǎn)印技術(shù),替代空間廣闊
激光圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)(Pattern TransferPrinting,簡稱:PTP)是一種新型的非接觸式的印刷技術(shù),該技術(shù)在特定柔性透光材料上涂覆所需漿料,采用高功率激光束高速圖形化掃描,將漿料從柔性透光材料上轉(zhuǎn)移至電池表面,形成柵線。PTP 技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的線寬極限,輕松實(shí)現(xiàn) 25μm 以下的線寬,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的高寬比,幫助電池實(shí)現(xiàn)超細(xì)密柵電池,匹配選擇性發(fā)射極技術(shù),提升電池轉(zhuǎn)換效率,做到 18um 以下可以漿料節(jié)省 30%,在 PERC 上已經(jīng)得到論證,HJT 電池使用的是低溫銀漿,顆粒度小,轉(zhuǎn)印可以達(dá)到更新的線寬,從而降低銀漿耗量,提升電池效率,TOPCON 工藝是 N 型雙面銀漿,對銀漿耗量更為敏感,在TOPCon、HJT 等路線上的節(jié)省量會更高。
絲網(wǎng)印刷過程中,為保證整個(gè)電池幅面印刷質(zhì)量,全程對電池表面施加比較大的壓力。PTP 技術(shù)加工過程中則無需接觸電池表面。隨著 182mm、210mm 電池尺寸時(shí)代的到來,印刷面積更大,硅片進(jìn)一步減薄,加工過程中的壓力降低可以顯著降低電池的破損率,提高生產(chǎn)的良率,進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。PTP 印刷技術(shù)在高效太陽能電池生產(chǎn)中的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)超細(xì)線寬的銀漿印刷,改善印刷質(zhì)量,進(jìn)一步提升高效電池的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)降低銀漿耗量,降低生產(chǎn)成本。同時(shí),PTP 印刷技術(shù)不局限于電池結(jié)構(gòu),在 PERC、TOPCon、HJT、IBC 等電池中均有廣泛的應(yīng)用前景,同時(shí),對于銀包銅、低溫銀漿等不同的漿料類型也可以使用。
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