Nature Reviews Materials：晶体硅光伏在基础研究和工业中的现状及未来

一、【导读】

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。光伏（PV）技术可直接将太阳的光能转换为电能，是持续能源过渡到低碳排放社会的主要参与者。虽然有几种材料可以并且已经被用于制造太阳能电池，但目前绝大多数光伏组件主要以晶体硅（c-Si）为主，因为硅是地壳中丰度仅次于氧的元素。然而c-Si光伏发电长期以来被认为是能源密集型和昂贵的。在过去的几十年里，制造链中的巨大进步使碳硅化合物成为一种不再被忽视的低成本的电力来源。 2020年全球安装了超过125GW的c-Si组件，占整个光伏市场的95%，并且已经有超过700个 GW已累计安装完毕。据估计，到2040年至2050年，c-Si光伏发电可能成为世界上最重要的电力来源。

二、【成果掠影】

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Christophe Ballif教授概述了与硅光伏组件材料和工业加工相关的重大变化。在晶圆层面，多晶硅成本的大幅降低和金刚石线锯的大量使用降低了单晶晶片的成本。同时，各种类型的晶片中杂质和电子缺陷的浓度也降低，从而实现了工业设备的高效生产。生产线清洁度的提高、工具自动化程度的提高、生产技术和单元结构的改进都有助于提高主流模块的效率。随着晶片尺寸的增加和先进组装技术的引入，相应的器件效率大大提高。这些改进减少了单元到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率提升。最后，作者还讨论其他光伏技术如何在大众市场上与硅竞争。该论文以题为“Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry”发表在知名期刊Nature Reviews Materials上。

三、【核心创新点】

硅光伏工业在过去三十年里已经从能源领域的奇珍异宝变成了“电力新王”。光伏发电将在全球能源经济脱碳和缓解气候变化方面发挥核心作用，硅技术将继续成为未来几十年的关键参与者。

四、【数据概览】

1、从多晶硅原料到晶片

对于高效光伏电池和模块，需要具有低杂质浓度和少量晶体缺陷的硅晶体。硅加工始于冶金级硅（含~1%杂质），与HCl反应生成三氯硅烷（TCS），沸点为32 ℃的液体。通过一系列蒸馏循环获得纯度为9N至12N的TCS。随后，将TCS与H2一起送入冷却壁反应器中，其中将高纯度硅丝（几毫米宽）加热至1150 ℃。TCS在热硅丝表面热解离，并且硅沉积将长丝增厚成直径10-20 cm的硅棒。然后将硅棒粉碎成块并用于硅锭的生长。

图1 从原始硅到太阳能模块 © 2022 Springer Nature

（a）制作光伏模块的主要步骤：纯化多晶硅的制备、晶锭的铸造或拉制、晶片的制作、太阳能电池的加工和组件的组装；

（b）从多晶硅纯化到模块组装价值链上资本支出的学习曲线；

（c）单晶和多晶硅主流模块的平均效率变化，考虑到市场上销售的所有模块；

（d）随着时间的推移，晶圆厚度和硅耗量减少 

2、硅中的载流子寿命

（1）提高加工过程中的有效寿命

在太阳能电池处理期间，晶片内的缺陷密度可以显着改变。根据加工温度，沉淀物可以溶解或形成，取决于它们的溶解度和扩散性，吸收过程可以通过吸引和收集过渡金属到具有更高溶解度来去除过渡金属。

（2）批量寿命退化现象

太阳能电池制造过程结束时的载流子寿命很重要，但不足以确保持久有效的太阳能生产。

图2 硅中的缺陷产生与光和温度的关系 © 2022 Springer Nature

（a）利用时间分辨光致发光成像测量在75℃和“1太阳”光照下的p型5×5 cm^-2多晶硅的空间分辨有效载流子寿命(τ_eff)；

（b）使用涂有SiNx:H的Cz和FZ晶片进行降解实验期间的最大等效缺陷浓度N^*max。

图3 典型太阳能电池结构的示意图 © 2022 Springer Nature

（a）基于p型硅的简易电池设计，磷扩散形成高n⁺掺杂的正面和全面积铝后接触形成高p⁺掺杂的背面，这种电池称为铝背场电池(Al-BSF)；

（b）钝化发射极和后电池(PERC)结构中的局部后触点；

（c-d）局部触点也用于钝化发射极和后完全扩散（PERT）单元，这种设计适用于p型和n型晶片；

（e-f）采用隧道氧化钝化触点（TOPCon）设计的n型电池，既可以采用研发中使用的蒸发银触点，也可以采用工业中引入的局部激光烧蚀；

（g）硅异质结（SHJ）设计，也称为具有固有薄层的异质结（HIT）;

（h）使用叉指式背触点（IBC）进行后接触的SHJ；

（i）具有n⁺掺杂前表面场（FSF）和扩散后触点的IBC设计 

3、太阳能电池工艺

（1）Al-BSF电池工艺

图4 使用不同结构制造太阳能电池的示意工艺流程 © 2022 Springer Nature

在大多数钝化的发射极和后电池（PERC）中，通过在磷扩散之后添加第三步来产生“选择性”发射器，其中磷玻璃和晶体硅表面被激光熔融以在稍后打印金属化指状物的区域中创建高掺杂区域。

（2）向PERC和其他设计的发展

图5 晶硅太阳能电池的典型性能特征 © 2022 Springer Nature

（a）Al-BSF和PERC太阳能电池的外量子效率（实心符号）和反射率（空心符号）。

（b）PERC电池的C-V曲线。

4、高温钝化接触

在PERC和PERT太阳能电池中，金属在两侧局部接触硅。这导致显着的复合，限制了开路电压。这个问题引发了人们对开发钝化触点的兴趣，钝化触点由抑制硅表面缺陷的层堆叠组成，但确保选择性地向金属电极收集电荷。

5、低温钝化接触

形成钝化触点的另一种途径依赖于氢化无定形硅（a-Si:H）。在涉及a-Si:H的所有方法中，后处理步骤必须保持在200-250℃以下：在200℃以上的温度下析氢导致性能下降（主要是通过钝化损失）。这种影响可以减轻甚至可以逆转到高达400℃的温度，但在450℃以上，a-Si:H的钝化能力不断丧失。因此，银丝网印刷浆料不能像标准电池加工那样在高温下烧结，而是需要使用低固化温度浆料。

6、最小化单元到模块的损耗

从单个晶圆移动到完整模块，模块功率与单个单元功率之和之间存在系统差异，这些功率之比称为电池模块（CTM）功率比，通常约为95-97%。同样，模块效率低于平均电池效率，导致CTM效率比通常为85-90%。

7、持续的行业改进

平均模块效率每年绝对增加约0.3-0.4%，随着向单硅和新型模块设计的过渡，这种趋势正在加。在未来十年继续效率的提高，最后，通过描述的一系列改进，应该达到单结硅模块的最大实际效率（主流模块为23-24%，高端模块可能为25%）。

8、硅的替代技术

硅在光伏行业占据主导地位，2020年市场份额接近95%，供应链完善，设计标准化。尽管其他光伏技术具有潜在的优势（如减少薄膜的材料使用），但占据较小的市场份额对他们来说是一大困难，因为它们必须表现出比硅更好的价格或效率，至少具有相同的可靠性。

图6 从单元到模块  © 2022 Springer Nature

（a）使用建模包SmartCalc.CTM进行典型的从单元到模块损耗分析；

（b）从2000年到2021年标准模块设计的演变；

（c）通过半切割单元串联组装光伏模块 

五、【成果启示】

硅光伏，在降低成本方面的发展速度令人印象深刻，在商业产品的电池和组件层面上，提升了稳定效率。许多研发工作仍在继续，通过改进当前的行业标准流程或开发低成本方法和硬件来进一步改进硅材料并降低其成本，并改进电池制造，以实现包含钝化触点的下一代产品。结合模块技术的改进（更大面积、半电池、瓷砖带、带状电池、多丝、反向接触方法），这将确保进一步缩小当今创纪录的实验室c-Si太阳能电池之间的效率差距。

由于与区域相关的系统成本，可以通过将硅与更高带隙的顶部电池相结合来获得更高效率的方法，其中钙钛矿是吸收剂的主要候选者。即使在TW规模下，没有任何稀缺材料下也可以制造硅PV器件，并且可以将替代材料用于关键元素。太阳能发电（长途运输、电化学储存）以及其转化为热、冷或化学物质（如通过电力转化为天然气的过程（H₂、NH₃等）的空间是经济可持续的。正如国际能源署所说，硅光伏工业在过去三十年里已经从能源领域的奇珍异宝变成了“电力新王”。光伏将在全球能源经济脱碳和缓解气候变化方面发挥核心作用，硅技术在未来几十年仍将发挥关键作用。

文献链接：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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