Nature Reviews Materials：晶體硅光伏在基礎研究和工業中的現狀及未來

一、【導讀】

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。光伏（PV）技術可直接將太陽的光能轉換為電能，是持續能源過渡到低碳排放社會的主要參與者。雖然有幾種材料可以并且已經被用于制造太陽能電池，但目前絕大多數光伏組件主要以晶體硅（c-Si）為主，因為硅是地殼中豐度僅次于氧的元素。然而c-Si光伏發電長期以來被認為是能源密集型和昂貴的。在過去的幾十年里，制造鏈中的巨大進步使碳硅化合物成為一種不再被忽視的低成本的電力來源。?2020年全球安裝了超過125GW的c-Si組件，占整個光伏市場的95%，并且已經有超過700個?GW已累計安裝完畢。據估計，到2040年至2050年，c-Si光伏發電可能成為世界上最重要的電力來源。

二、【成果掠影】

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院Christophe Ballif教授概述了與硅光伏組件材料和工業加工相關的重大變化。在晶圓層面，多晶硅成本的大幅降低和金剛石線鋸的大量使用降低了單晶晶片的成本。同時，各種類型的晶片中雜質和電子缺陷的濃度也降低，從而實現了工業設備的高效生產。生產線清潔度的提高、工具自動化程度的提高、生產技術和單元結構的改進都有助于提高主流模塊的效率。隨著晶片尺寸的增加和先進組裝技術的引入，相應的器件效率大大提高。這些改進減少了單元到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率提升。最后，作者還討論其他光伏技術如何在大眾市場上與硅競爭。該論文以題為“Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry”發表在知名期刊Nature Reviews Materials上。

三、【核心創新點】

硅光伏工業在過去三十年里已經從能源領域的奇珍異寶變成了“電力新王”。光伏發電將在全球能源經濟脫碳和緩解氣候變化方面發揮核心作用，硅技術將繼續成為未來幾十年的關鍵參與者。

四、【數據概覽】

1、從多晶硅原料到晶片

對于高效光伏電池和模塊，需要具有低雜質濃度和少量晶體缺陷的硅晶體。硅加工始于冶金級硅（含~1%雜質），與HCl反應生成三氯硅烷（TCS），沸點為32 ℃的液體。通過一系列蒸餾循環獲得純度為9N至12N的TCS。隨后，將TCS與H2一起送入冷卻壁反應器中，其中將高純度硅絲（幾毫米寬）加熱至1150 ℃。TCS在熱硅絲表面熱解離，并且硅沉積將長絲增厚成直徑10-20 cm的硅棒。然后將硅棒粉碎成塊并用于硅錠的生長。

圖1 從原始硅到太陽能模塊 ? 2022 Springer Nature

（a）制作光伏模塊的主要步驟：純化多晶硅的制備、晶錠的鑄造或拉制、晶片的制作、太陽能電池的加工和組件的組裝；

（b）從多晶硅純化到模塊組裝價值鏈上資本支出的學習曲線；

（c）單晶和多晶硅主流模塊的平均效率變化，考慮到市場上銷售的所有模塊；

（d）隨著時間的推移，晶圓厚度和硅耗量減少?

2、硅中的載流子壽命

（1）提高加工過程中的有效壽命

在太陽能電池處理期間，晶片內的缺陷密度可以顯著改變。根據加工溫度，沉淀物可以溶解或形成，取決于它們的溶解度和擴散性，吸收過程可以通過吸引和收集過渡金屬到具有更高溶解度來去除過渡金屬。

（2）批量壽命退化現象

太陽能電池制造過程結束時的載流子壽命很重要，但不足以確保持久有效的太陽能生產。

圖2 硅中的缺陷產生與光和溫度的關系?? 2022 Springer Nature

（a）利用時間分辨光致發光成像測量在75℃和“1太陽”光照下的p型5×5 cm^-2多晶硅的空間分辨有效載流子壽命(τ_eff)；

（b）使用涂有SiNx:H的Cz和FZ晶片進行降解實驗期間的最大等效缺陷濃度N^*max。

圖3 典型太陽能電池結構的示意圖?? 2022 Springer Nature

（a）基于p型硅的簡易電池設計，磷擴散形成高n⁺摻雜的正面和全面積鋁后接觸形成高p⁺摻雜的背面，這種電池稱為鋁背場電池(Al-BSF)；

（b）鈍化發射極和后電池(PERC)結構中的局部后觸點；

（c-d）局部觸點也用于鈍化發射極和后完全擴散（PERT）單元，這種設計適用于p型和n型晶片；

（e-f）采用隧道氧化鈍化觸點（TOPCon）設計的n型電池，既可以采用研發中使用的蒸發銀觸點，也可以采用工業中引入的局部激光燒蝕；

（g）硅異質結（SHJ）設計，也稱為具有固有薄層的異質結（HIT）;

（h）使用叉指式背觸點（IBC）進行后接觸的SHJ；

（i）具有n⁺摻雜前表面場（FSF）和擴散后觸點的IBC設計?

3、太陽能電池工藝

（1）Al-BSF電池工藝

圖4 使用不同結構制造太陽能電池的示意工藝流程?? 2022 Springer Nature

在大多數鈍化的發射極和后電池（PERC）中，通過在磷擴散之后添加第三步來產生“選擇性”發射器，其中磷玻璃和晶體硅表面被激光熔融以在稍后打印金屬化指狀物的區域中創建高摻雜區域。

（2）向PERC和其他設計的發展

圖5 晶硅太陽能電池的典型性能特征?? 2022 Springer Nature

（a）Al-BSF和PERC太陽能電池的外量子效率（實心符號）和反射率（空心符號）。

（b）PERC電池的C-V曲線。

4、高溫鈍化接觸

在PERC和PERT太陽能電池中，金屬在兩側局部接觸硅。這導致顯著的復合，限制了開路電壓。這個問題引發了人們對開發鈍化觸點的興趣，鈍化觸點由抑制硅表面缺陷的層堆疊組成，但確保選擇性地向金屬電極收集電荷。

5、低溫鈍化接觸

形成鈍化觸點的另一種途徑依賴于氫化無定形硅（a-Si:H）。在涉及a-Si:H的所有方法中，后處理步驟必須保持在200-250℃以下：在200℃以上的溫度下析氫導致性能下降（主要是通過鈍化損失）。這種影響可以減輕甚至可以逆轉到高達400℃的溫度，但在450℃以上，a-Si:H的鈍化能力不斷喪失。因此，銀絲網印刷漿料不能像標準電池加工那樣在高溫下燒結，而是需要使用低固化溫度漿料。

6、最小化單元到模塊的損耗

從單個晶圓移動到完整模塊，模塊功率與單個單元功率之和之間存在系統差異，這些功率之比稱為電池模塊（CTM）功率比，通常約為95-97%。同樣，模塊效率低于平均電池效率，導致CTM效率比通常為85-90%。

7、持續的行業改進

平均模塊效率每年絕對增加約0.3-0.4%，隨著向單硅和新型模塊設計的過渡，這種趨勢正在加。在未來十年繼續效率的提高，最后，通過描述的一系列改進，應該達到單結硅模塊的最大實際效率（主流模塊為23-24%，高端模塊可能為25%）。

8、硅的替代技術

硅在光伏行業占據主導地位，2020年市場份額接近95%，供應鏈完善，設計標準化。盡管其他光伏技術具有潛在的優勢（如減少薄膜的材料使用），但占據較小的市場份額對他們來說是一大困難，因為它們必須表現出比硅更好的價格或效率，至少具有相同的可靠性。

圖6 從單元到模塊 ?? 2022 Springer Nature

（a）使用建模包SmartCalc.CTM進行典型的從單元到模塊損耗分析；

（b）從2000年到2021年標準模塊設計的演變；

（c）通過半切割單元串聯組裝光伏模塊?

五、【成果啟示】

硅光伏，在降低成本方面的發展速度令人印象深刻，在商業產品的電池和組件層面上，提升了穩定效率。許多研發工作仍在繼續，通過改進當前的行業標準流程或開發低成本方法和硬件來進一步改進硅材料并降低其成本，并改進電池制造，以實現包含鈍化觸點的下一代產品。結合模塊技術的改進（更大面積、半電池、瓷磚帶、帶狀電池、多絲、反向接觸方法），這將確保進一步縮小當今創紀錄的實驗室c-Si太陽能電池之間的效率差距。

由于與區域相關的系統成本，可以通過將硅與更高帶隙的頂部電池相結合來獲得更高效率的方法，其中鈣鈦礦是吸收劑的主要候選者。即使在TW規模下，沒有任何稀缺材料下也可以制造硅PV器件，并且可以將替代材料用于關鍵元素。太陽能發電（長途運輸、電化學儲存）以及其轉化為熱、冷或化學物質（如通過電力轉化為天然氣的過程（H₂、NH₃等）的空間是經濟可持續的。正如國際能源署所說，硅光伏工業在過去三十年里已經從能源領域的奇珍異寶變成了“電力新王”。光伏將在全球能源經濟脫碳和緩解氣候變化方面發揮核心作用，硅技術在未來幾十年仍將發揮關鍵作用。

文獻鏈接：Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry ( Nat. Rev. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00423-2)

本文由大兵哥供稿。

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