如何提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽能的使用。能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題，光伏發(fā)電擁有傳統(tǒng)能源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，是最理想的、持續(xù)發(fā)展的綠色能源。

那么如何充分利用太陽能，提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，降低太陽能電池度電成本，已經(jīng)成為科研人員奮斗的終極目標(biāo)。在高效太陽能電池技術(shù)革新的進(jìn)程中，異質(zhì)結(jié)電池被譽(yù)為未來最可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的高效N型電池，預(yù)計(jì)會在2020年前后實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。然而目前其居高不下的成本也讓很多企業(yè)一直處于觀望的態(tài)勢。如何在保證高效率的同時降低太陽電池制造成本已成為業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)開展的研究課題。

在異質(zhì)結(jié)電池制備的工藝過程中，電池金屬化工藝是決定電池效率和電池成本高低的關(guān)鍵步驟之一，金屬電極既要與硅界面有高的粘結(jié)強(qiáng)度和低的接觸電阻，又要為電流輸出提供高導(dǎo)通路。目前商用晶硅電池金屬電極的制備大多采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，然而絲網(wǎng)印刷技術(shù)能否滿足未來異質(zhì)結(jié)電池高效率、低成本發(fā)展的市場需求頗受質(zhì)疑。探究與異質(zhì)結(jié)電池匹配的金屬化技術(shù)是降低電池成本、提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑之一。目前很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究和實(shí)踐，為高效異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外光伏市場發(fā)展迅速，高效率、低成本的太陽能電池成為光伏市場需求的必然方向，在市場大環(huán)境的導(dǎo)向下異質(zhì)結(jié)太陽能電池應(yīng)運(yùn)而生。異質(zhì)結(jié)電池的發(fā)展是從20世紀(jì)60年代開始的，1968年實(shí)現(xiàn)晶硅與非晶硅結(jié)合的異質(zhì)結(jié)器件，1974年首次實(shí)現(xiàn)氫化非晶硅，減少非晶硅的缺陷，1983年異質(zhì)結(jié)電池第一次制備成功，效率為12.3%，面積僅0.25%。1991年日本三洋公司首次將本征非晶硅引入異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的界面鈍化，制備出效率為18.1%的電池，并將該結(jié)構(gòu)的電池命名為異質(zhì)結(jié)電池。異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電池轉(zhuǎn)換效率得到很大提升。松下公司2013年收購三洋公司后，公布的實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到24.7%，后又結(jié)合背接觸技術(shù)電池效率達(dá)到25.6%。2016年最新報(bào)道，日本NEDO研發(fā)機(jī)構(gòu)與日本KANEKO公司聯(lián)手，利用異質(zhì)結(jié)與背接觸耦合技術(shù)，將電池的轉(zhuǎn)換效率提高至26.33%，刷新了世界新高紀(jì)錄。

目前市面上90%的商用晶硅電池的金屬電極制備都采用絲網(wǎng)印刷工藝，然而高效異質(zhì)結(jié)電池的制備工藝比較特殊，全程采用低溫工藝，決定了其電極的制備工藝與傳統(tǒng)有所不同。探究與異質(zhì)結(jié)電池匹配的金屬化技術(shù)及工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得高“高寬比”、低接觸電阻的金屬柵極是發(fā)揮高效異質(zhì)結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。另外，在單面電池片成本構(gòu)成中，銀漿占整個電池成本的10%～15%，而異質(zhì)結(jié)電池為雙面電池，銀漿消耗量幾乎是傳統(tǒng)單面電池的2倍，因此，尋找價(jià)格低廉、與異質(zhì)結(jié)電池匹配的金屬化替代材料，探究易于操作的金屬化技術(shù)成為降低高效異質(zhì)結(jié)電池成本的又一條重要途徑。

2異質(zhì)結(jié)電池金屬化方法

異質(zhì)結(jié)電池的生產(chǎn)工藝主要包括非晶硅層沉積、導(dǎo)電膜沉積、表面金屬化、低溫?zé)Y(jié)等過程。表面金屬化則是異質(zhì)結(jié)電池制備過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，不但要保證與硅界面有高的粘結(jié)強(qiáng)度和低的接觸電阻，同時要為電流輸出提供高導(dǎo)通路，這一環(huán)節(jié)是電池光電轉(zhuǎn)化效率和電池成本高低的主要影響因素之一。

隨著光伏行業(yè)電池制造技術(shù)、漿料制備技術(shù)的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，電池金屬化工藝也不斷取得新的進(jìn)展，常見的晶硅電池金屬化技術(shù)包括絲網(wǎng)印刷、電鍍、噴墨打印等。在傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷技術(shù)及漿料性能提升和應(yīng)用過程中，其他的金屬化技術(shù)都得到了不同程度的改進(jìn)和發(fā)展。

2.1絲網(wǎng)印刷技術(shù)

絲網(wǎng)印刷是通過絲網(wǎng)印刷設(shè)備將漿料印刷至電池表面，漿料中的金屬顆粒在高溫條件下，表面熔融相互連接并刻蝕硅板，形成可靠地黏結(jié)和電學(xué)接觸。目前，工業(yè)界普遍采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在電池基底材料上印刷電池柵線即金屬電極。絲網(wǎng)印刷技術(shù)相對其他技術(shù)而言，首先其設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單、價(jià)廉、易于操作;其次印刷工藝成熟，生產(chǎn)效率高，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的自動化生產(chǎn)，在一定程度上可以節(jié)約時間和成本。但絲網(wǎng)印刷也存在幾點(diǎn)不足：一是印刷過程中絲網(wǎng)與基底(硅片)接觸，易造成硅片的破損及二次污染;二是絲網(wǎng)印刷往往造成漿料的浪費(fèi);三是目前印刷精度和印刷細(xì)柵的高寬比很難再提高，但高高寬比金屬柵極卻是提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在印刷技術(shù)不斷發(fā)展中，絲網(wǎng)印刷工藝歷經(jīng)了一次印刷到多次印刷的轉(zhuǎn)變，柵線的高寬比雖有提高，但在效率提升上與其帶來的印刷精度難控制和柵極延展等質(zhì)量問題相比貢獻(xiàn)甚小。

在絲網(wǎng)印刷過程中，銀漿是金屬化工藝所采用的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)晶硅電池通常采用高溫?zé)Y(jié)將銀漿有機(jī)相燒除，銀粉表面熔融并互相燒結(jié)在一起，形成非常良好的導(dǎo)電通路。然而異質(zhì)結(jié)電池金屬化工藝過程采用低溫工藝，工藝溫度一般低于250℃，須使用低溫導(dǎo)電銀漿，其中銀粉表面包覆保護(hù)劑，保護(hù)劑外層連接樹脂，電子依靠量子隧穿效應(yīng)從一個銀粉單位轉(zhuǎn)移到另一個銀粉單位，這正是低溫固化銀漿電導(dǎo)率通常低于燒結(jié)型銀漿的一個重要原因。目前異質(zhì)結(jié)電池生產(chǎn)用低溫漿料完全依賴進(jìn)口，如杜邦、漢高、賀利氏等公司生產(chǎn)的銀漿，國內(nèi)對低溫漿料的研究工作基本還停留在實(shí)驗(yàn)探索階段，低溫漿料技術(shù)被國外壟斷，價(jià)格較高，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)生產(chǎn)成本難以降低。

一方面異質(zhì)結(jié)電池正反兩面都有銀電極，增加了貴金屬銀的用量，成本高昂;另一方面采用絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝限制了異質(zhì)結(jié)電池選用更薄的硅片基材和更高效率電池的設(shè)計(jì)應(yīng)用;其次，串聯(lián)電阻損耗大是限制異質(zhì)結(jié)電池光電轉(zhuǎn)化效率提升的重要因素。因此，不斷改進(jìn)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，加快國內(nèi)低溫漿料的開發(fā)及應(yīng)用，提高銀漿的流變性成為未來一段時間絲網(wǎng)印刷柵線技術(shù)創(chuàng)新的方向，也是提升異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)品質(zhì)量及光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。

2.2電鍍技術(shù)

電鍍技術(shù)是利用電化學(xué)方法在導(dǎo)電固體表面沉積一層薄金屬、合金或復(fù)合材料的過程，是一種特殊的電解過程。電鍍?nèi)芤涸谕姾蠼饘訇栯x子受電位差作用而移動到電池表面，沉積形成金屬鍍層，這層金屬鍍層即電極。為了保證低的遮光面積和低的傳導(dǎo)電阻，要求制備窄而厚的金屬電極。一些研究專家提出雙層電極技術(shù)，即先制備一層窄而薄的種子層?xùn)啪€，再用電鍍、光誘導(dǎo)鍍等方法對種子層加厚而制備傳導(dǎo)層。這種采用種子層加光誘導(dǎo)電鍍可以制備出高質(zhì)量的傳導(dǎo)層，不僅可以增大細(xì)柵線高寬比、減少細(xì)柵線電阻率、降低細(xì)柵寬度，提高電池受光面積，還可以降低銀漿的使用量，從而達(dá)到降低電池成本的目的。

電池成本中銀電極成本占很大一部分，且容易隨著貴金屬價(jià)格不斷波動，用銅電極代替銀電極可以大幅度降低電池成本。選用電鍍技術(shù)制備金屬柵線電極，只用含銀的電鍍液，選擇鎳/銅/銀三鍍層，或者用鎳/銅鍍層，通過降低銀含量使得電池成本具有競爭力。電鍍銅電極具有導(dǎo)電率與銀相當(dāng)、接觸電阻優(yōu)于銀膠的優(yōu)點(diǎn)，并且采用低溫制程技術(shù)，進(jìn)一步縮小了電極線寬、增加了光照面積，有望提升0.2%以上的電池絕對效率。早在2009年，無錫尚德利用Pluto技術(shù)，采用真空蒸鍍柵線后再加以電鍍，提升柵線鍍層的均勻性及高寬比，實(shí)現(xiàn)了19%的電池光電轉(zhuǎn)換效率，并進(jìn)行了量產(chǎn)。與傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)相比，采用Pluto技術(shù)的電池正面電極更窄，可以減少光照遮擋并減少與硅片的接觸面積，降低金屬電極與硅結(jié)合界面的電子復(fù)合速率，提高約12%的電池輸出功率。

2013年，IMEC通過使用Meco的鎳/銅鍍層工藝，使得PERC電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.7%。2014年7月，IMEC在N型PERT電池上運(yùn)用Meco的鎳/銅/銀鍍層(三根主柵線)技術(shù)，使得電池轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)紀(jì)錄達(dá)21.5%。2015年3月，MacDermid公司通過激光刻蝕、鍍膜、熱退火等工藝制作窄銅網(wǎng)導(dǎo)體替代銀漿，其中鍍層為1μm鎳層、10～15μm銅層和0.2μm銀層。該工藝可實(shí)現(xiàn)30μm的柵線寬度和4N的拉力，從而可將單個電池的成本降低6美分。此外，低溫操作使得這一工藝可應(yīng)用于高效電池的開發(fā)，如PERC、硅基異質(zhì)結(jié)和雙面電池等。2015年9月，RENA公司推出InCellPlateCu平臺，可在硅基上進(jìn)行鎳/銅/銀直接電鍍，替代電池前表面的傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷流程，從而將電池生產(chǎn)的單位成本降低6美分。RENA公司已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的應(yīng)用，在Cz-PERC電池上實(shí)現(xiàn)了20.8%的轉(zhuǎn)換率。

2015年11月，日本Kaneka公司宣布采用銅接觸金屬化的雙面異質(zhì)結(jié)晶硅太陽能電池效率創(chuàng)紀(jì)錄達(dá)25.1%，得到了德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(FraunhoferISE)的驗(yàn)證，并計(jì)劃利用該技術(shù)建立一條試生產(chǎn)線。電鍍銅技術(shù)具有裝置簡單、生產(chǎn)成本低、鍍層均勻致密、導(dǎo)電性好等優(yōu)良特性。在電池電極制備過程中，柵線寬度、高度可控，可以有效提高柵線的高寬比，減小柵線遮擋的陰影損耗，同時有效減小電極與PN結(jié)的接觸電阻、電極本身的體電阻以及電池的串聯(lián)電阻，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。電鍍技術(shù)工藝溫度低，不僅可以用于傳統(tǒng)電池電極的制作，也可用于異質(zhì)結(jié)電池、N型雙面電池、PERC電池、IBC電池電極制作。其中異質(zhì)結(jié)電池的制備過程中要求全程低溫，在電池電極金屬化制備過程采用電鍍技術(shù)不僅可以提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，還可以克服異質(zhì)結(jié)電池成本高的缺點(diǎn)。

目前國內(nèi)已建成電鍍銅電極太陽電池技術(shù)平臺，并已經(jīng)開始試量產(chǎn)。茂迪、元晶、昱晶等企業(yè)也已開始小規(guī)模生產(chǎn)，但穩(wěn)定性、可靠性未達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并且電鍍金屬電極工藝過程較為復(fù)雜，附著力不良，存在廢液對環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此當(dāng)前市場份額還很小。但是根據(jù)ITRPV2016年光伏發(fā)展，未來電鍍技術(shù)的需求將增加，到2025年電鍍技術(shù)的市場份額將達(dá)到30%，市場需求可觀。

2.3噴墨打印技術(shù)

噴墨打印技術(shù)是一種有著高柵線分辨率、非接觸的沉積技術(shù)，通過噴墨打印機(jī)將金屬納米顆?；蛘邚?fù)合金屬顆粒漿料打印在電池基材表面，形成圖形化柵線形狀，實(shí)現(xiàn)電池柵線的金屬化。其原理是金屬液體從噴槍里噴出后經(jīng)過一個充電電極板中給金屬離子充電，使金屬離子帶上一定量的電荷，之后金屬離子經(jīng)過高壓偏轉(zhuǎn)板后，帶電的金屬離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)后打印到電池片襯底上，形成晶硅太陽能電池電極，而反方向偏轉(zhuǎn)的離子則會被收集起來重新利用。

1988年噴墨打印技術(shù)首次應(yīng)用到晶硅太陽能電池電極制作，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，采用噴墨打印技術(shù)制備晶硅太陽能電池前柵線電極，電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%。噴墨打印柵線技術(shù)能夠最大限度地節(jié)約電極材料成本、控制金屬柵線的寬度、減小陰影損耗等優(yōu)點(diǎn)而深受世界各國研究者歡迎。劉金寧等研究發(fā)現(xiàn)采用噴墨技術(shù)印刷的電極結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的電極更精細(xì)、高寬比更優(yōu)越。EbongA等研究發(fā)現(xiàn)，噴墨印刷能夠控制好柵線所需墨量，從而能夠降低太陽能電池柵極金屬化的成本。然而噴墨打印技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中也存在柵線擴(kuò)展的問題。GizachewYT等采用多次等墨體積噴墨印刷方法來提高硅太陽能電池柵線高寬比，然而5次以內(nèi)的噴墨印刷每次都會產(chǎn)生柵線擴(kuò)展，甚至最終柵線寬度達(dá)到單次噴墨印刷寬度的2倍，柵線擴(kuò)展問題突出。

噴墨打印技術(shù)可以通過電腦程序控制印刷電池電極的圖案，實(shí)現(xiàn)非接觸式印刷，具有印刷效率高、成本低的特點(diǎn)，適用于柔性基底的沉積。噴墨打印具有較高的柵線分辨率，與傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷工藝相比較，形成的柵極寬度小于等于40μm，高寬比小于等于0.6，印刷精度誤差小于5μm，在保證良好電導(dǎo)率的同時，具有較低的接觸電阻，可以形成比傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷技術(shù)更精細(xì)的電極結(jié)構(gòu)和更高的高寬比，在節(jié)省原材料成本的同時，可以進(jìn)一步減小電池內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合損失，提高方塊電阻，這也是提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。噴墨打印屬于非接觸印刷，硅片破碎率小于0.1%，對基底材料的選擇范圍較大，非常適用于薄片化異質(zhì)結(jié)電池

柵線的制備，可以降低異質(zhì)結(jié)電池印刷過程中的碎片率，并且相比傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，可按需噴墨、精確控制墨量，節(jié)省了銀漿料的消耗，解決了異質(zhì)結(jié)電池雙面電極的銀耗量增倍導(dǎo)致電池材料消耗成本過高的問題。因此，噴墨打印制備異質(zhì)結(jié)電池柵極的金屬化工藝具有良好的產(chǎn)業(yè)化推廣前景。目前，噴墨打印技術(shù)印刷電極柵線都還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，國內(nèi)外光伏領(lǐng)域采用噴墨打印工藝實(shí)現(xiàn)光伏電池金屬化的研究較少，對于傳統(tǒng)電池未見產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在異質(zhì)結(jié)電池的電極制備上梅耶博格公司正在做相應(yīng)研究和開發(fā)。

3高效N型異質(zhì)結(jié)電池金屬化技術(shù)應(yīng)用趨勢

目前業(yè)內(nèi)很多大型企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為異質(zhì)結(jié)電池是未來幾年最可能產(chǎn)業(yè)化的高效N型電池，其具有生產(chǎn)工藝簡單、制程溫度低、穩(wěn)定性好、電池效率高、弱光響應(yīng)好，選用的硅片襯底薄等優(yōu)良特征。然而相對傳統(tǒng)的P型晶硅電池，異質(zhì)結(jié)電池成本相對較高，目前日本的松下公司已經(jīng)開始量產(chǎn)異質(zhì)結(jié)電池，國內(nèi)的一些企業(yè)也已經(jīng)具備了量產(chǎn)異質(zhì)結(jié)電池的能力，甚至有一些企業(yè)正在籌備建設(shè)1GW的異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)線。高效異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化勢頭明顯，然而其較高的設(shè)備投入及材料成本讓很多企業(yè)徘徊觀望。如何在進(jìn)一步降低異質(zhì)結(jié)電池成本的同時，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，值得企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)去探究。

異質(zhì)結(jié)電池為雙面對稱電池，銀漿的消耗為單面電池的2倍。尋找價(jià)格低廉的金屬柵線材料，成為降低異質(zhì)結(jié)電池成本的一條有效途徑。金屬銅導(dǎo)電性能好、價(jià)格低廉，是異質(zhì)結(jié)電池柵線金屬化的理想材料。采用電鍍技術(shù)，將金屬材料通過光誘導(dǎo)電鍍方法將銀柵線代替，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池柵線金屬化制備，保持高效率的同時，降低電池材料消耗成本，該技術(shù)已成為未來幾年高效異質(zhì)結(jié)電池金屬化技術(shù)的主流技術(shù)之一。同時對于異質(zhì)結(jié)電池，噴墨打印金屬電極技術(shù)也具有明顯的優(yōu)勢，被認(rèn)為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)絲網(wǎng)印刷的新技術(shù)之一：首先其生產(chǎn)設(shè)備簡單、掩模較少，分辨率高，具有低成本、高產(chǎn)量的特點(diǎn);其次，噴墨打印技術(shù)可以做到對金屬電極材料選擇性沉積而減少了材料的浪費(fèi)，并且電池金屬化過程在低溫工藝下燒制，防止p-n結(jié)退化的同時滿足了異質(zhì)結(jié)電池低溫制備工藝的要求，適用于大面積生產(chǎn)。加之噴墨印刷屬于無接觸印刷，電腦控制，印刷精確，可以將柵線控制的更細(xì)、柵線高寬比更優(yōu)越，因此適合在易碎的薄性襯底上實(shí)現(xiàn)柵線金屬化制備。

隨著異質(zhì)結(jié)電池效率的提升，其襯底逐步向薄性化發(fā)展，非常適宜采用此技術(shù)完成柵線金屬化制備，在保證高轉(zhuǎn)換效率、低電阻率的同時可以降低生產(chǎn)碎片率。另外噴印的墨汁可以是銀墨汁也可以是價(jià)格低廉的銅墨汁，可以有效降低異質(zhì)結(jié)雙面電池金屬電極的材料成本，進(jìn)一步降低異質(zhì)結(jié)電池成品價(jià)格，使異質(zhì)結(jié)在未來幾年的大規(guī)模量產(chǎn)中更具市場競爭力。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。