N型高效太阳能电池技术的发展优势探讨

孟庆平 杨爱静

摘 要：本文围绕N型电池技术的发展现状，阐述了发射极钝化-背部局域扩散电池结构（PERL）、叉指背接触结构（IBC）、异质结结构（HIT）和异质结背接触结构（HBC）太阳能电池基本情况，深入分析了N型高效电池技术优势，并结合我国硅基光伏产业现状进行了发展趋势预测和技术需求分析。

关键词：N型电池；技术；发展优势

引言：随着光伏“领跑者”计划的逐步推广，高效率电池组件已经成为行业发展的方向和共识。为适应市场对高效电池和组件产品的需求，发展N型高效电池技术，才能在光伏行业中处于领先地位。

1.N型电池技术基本情况

根据晶体硅材料的掺杂特性，晶体硅电池可分为P型晶体硅电池和N型晶体硅电池。N型晶体硅电池采用硅中掺磷作基体材料，是电子导电型太阳能电池。采用N型晶体硅电池由于对金属杂质敏感性低，更易在生产中获得更高的转换效率，是产业化高效电池的主要研发方向。世界领先的N型电池技术有SUNPOWER的IBC电池（背接触技术）、松下等厂家的HIT电池（异质结技术）。

2.国内外N型电池技术发展情况

2.1 N型PERL電池（如图1）：澳大利亚的新南威尔士大学研制了PERL 结构的硅太阳能电池，1999 年在4 cm2 的P 型FZ 硅实现了25%的转换效率（1999 年是24.7%，2009 年太阳能光谱参照修正之后达到25%的效率）。PERL 电池的特点是极好的单晶质量，在晶体硅正反双面均长了SiO2层，良好的钝化特性使得电池界面复合损失很低。PERL电池一直是高效硅基太阳能电池的代表，但其复杂的光刻工艺以及对衬底晶格质量的高要求使得实现成本较高，因而一直没有实现规模生产。

2.2 N型IBC电池（如图2）：以美国SUNPOWER公司为代表IBC电池，实验室效率为24.2%，量产效率为23%。IBC电池由于电极都在背面，正面百分之百受光，同时正面轻扩钝化成黑硅，提高光线的吸收率，由于采用高少子寿命N型衬底，因此电池具有较高的开路电压和填充系数，同时功率温度系数较P型电池大幅度降低，无初始光衰减（LID）和高电位诱发衰减（PID）。

2.3 N型HIT电池（如图3）：以日本松下公司（三洋已被松下收购）为代表为HIT电池，实验室效率为24.7%，量产效率为22.5%，HIT电池结合了薄膜太阳能电池低温制造的优点，从而避免采用传统的高温扩散工艺来获得p-n结，同时完成了单晶硅的表面钝化，大大降低了表面、界面漏电流，提高了电池效率。温度稳定性好，使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出。

2.4 N型HBC电池（如图4、5）：N型电池最终发展方向是结合异质结电池高电压和背接触电池高电流的优势，形成HBC（Heterojunction back contact）电池结构。有两种途径可实现HBC电池。

一种方法是人们通常所说的将非晶硅异质结构和背接触结构相结合形成HBC电池。HBC结构由日本的夏普公司提出，是背接触IBC电池与硅基异质结HIT电池的良好结合。由于没有正面栅线遮光，电池有高的短路电流；由于有高质量的氢化非晶硅钝化，电池有高的开路电压。HBC 结构结合两种电池的优点，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率为25.1%的太阳能电池。为了获得高的开路电压，需要尽可能的减少异质结面载流子的复合。为了获得高的短路电流，电极采用了全背面结构的制作。

另一种是在IBC电池工艺中增加多晶硅薄膜钝化层，即在硅片两面先生长一层很薄的SiO2氧化层，再沉积一层掺杂的非晶硅薄膜，然后退火形成隧道氧化钝化接触（TOPCon）结构，SiO2隧穿氧化层和掺杂的多晶硅层具有很好的选择性，允许一种载流子（如电子）穿越同时阻挡另一种载流子（如空穴）的复合，且掺杂多晶硅薄膜层具有良好的钝化特性，这种引入多晶硅薄膜钝化的背接触电池也即广义HBC电池结构，此技术在韩国LG公司已实现量产。

3.N型高效电池发展优势探讨

对于太阳能市场的未来，具有高转换率、低衰减率的N型晶体硅产品和技术将扮演重要角色。N型电池及组件技术具有以下优势：

3.1国内外领先的高效电池技术。SUNPOWER公司N型IBC电池、夏普公司的BSS电池、松下公司HIT电池均是基于N型电池的技术。

3.2光电转换效率更高。同等面积的N型组件，功率更高，P型单晶电池和组件，转换效率分别为21.5%和18.3%，而N型电池和组件目前可提升到23%和20.5%。

3.3抗衰减优势明显。N型组件可将25年内的总衰减从目前的20%减少到10%，由此带来发电量的重要提升。

3.4具有更低的温度系数。光伏组件在工作时，除少部分光能转换为电能之外，其余电能将转换为热能，从而提升组件的温度。组件温度升高后，将会影响电池和组件的开路电压和短路电流，从而最终导致组件的功率降低。

3.5弱光效应更好。由于采用了非晶硅作为电池的P型部分，电池和组件的弱光效应更好。以国内某地为例，对于P型电池有效日照为1745MWH/年，而对于N型电池有效日照为1771MWH/年。

3.6发电量更多。行业多家研究机构实验测试表明，N型电池组件由于其温度系数及低衰减优势，在相同装机容量下25年使用周期内发电量将比P型电池组件多约10%。

3.7可支撑更高的价格。根据行业共识的数据，维持同样的投入产出比，相同装机容量下在25年使用周期内发电量将比P型电池组件多10%；支架、土地等系统成本低0.15元/W，可支撑溢价为2.2元/W×110% +0.15元/W =2.57元/W。

4.展望

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，根据国际最具权威的半导体设备材料产业协会（SEMI）发布的国际光伏技术路线图，到2027年单晶N型电池的市场份额就会占到整个光伏市场的27%，随着国家政策的引导，高效率低成本的光伏组件将会成为市场主流产品。届时P型PERC技术将无法满足基础要求，因此，发展N型单晶硅太阳能电池是提升光伏企业竞争能力的最佳选择。

参考文献：

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