晶体硅 异质结 （ HIT） 太阳电池 技术 现状及设备应用情况 中科院上海微系统与信息技术研究所 新能源技术中心 刘正新 2017.4.16 1 CPIA高效光伏产品技术发展及设备应用研讨会 主要内容 1. HIT电池的国内外发展趋势 2. 上海微系统所的研发成果和产业化技术积累 3. HIT电池的产业化装备及提效降本路线 2 2013年 (36.6 GW) 中国 /台湾： 26.0 GW 2014年 (44.9 GW) 中国 /台湾 :28.4 GW 2015年 (62.1 GW) 中国 /台湾 :44.2 GW 世界及中国光伏产量变化趋势 Source: RTS Corporation 世界太阳电池生产量逐年扩大， 2015年达到 62.1GW 中国（包括台湾）所占比例逐年提高， 2015年达到 44.2GW，占世界总量的 71.2%，今后将持续大规模发展 3 HIT太阳电池结构 HIT电池结构和特点 SIMIT HIT电池特点 天然双面发电电池，双面率 >90% 工艺步骤少，工艺温度低 (200) 温度系数低 (0.22%/)，发电量高 提高效率潜力大 >26% 可弯折的柔性电池和组件 双面电池组件的市场预测 Source: ITRPV 2015 Roadmap Results and EPIA 2014 2014 2015 2017 2019 2022 2025020406080100Marketshare(%)Y ea rBif ac ialCo n v en t io n al2014 2015 2017 2019 2022 202504080120160200240Annual installation(GW)Y ea rBif ac ailCo n v en t io n alT o t al根据国际权威机构预测，以 HIT为代表的双玱组件的安装量将持续上升， 2025年达到 47GW（年），市场占比达到 20%以上！ 5 晶体硅太阳电池的技术发展趋势 电池效率 组件效率组件功率 (60片 156常规组件 ) 300W >320W 目前的主流产品 2016-2017年开始发展 2018-2020将迎来发展高峰 2020年以后 PERC、 PERT、 PERL、MWT电池的大批量平均转换效率很难突破 22% 光伏领跑者计划！2015年开始发展 SHJ、 IBC电池将是继 PERC、 PERL、MWT之后的新一代电池技术 Eff 22% 6 国际 HIT电池的发展趋势 美国 日本 欧洲 台湾 美国、欧洲、日本等发达国家为了重新夺回太阳电池产业的竞争优势，有组织地大规模推进 SHJ电池的产业化，企图以先进技术击败中国在常规晶体硅太阳电池的规模优势。 7 名称 国别 规模 (MW) 最高效率 (%) 实验室 生产 1 松下 /三洋 日本 700 25.6 23 马来西亚 300 2 长洲产业 /CIC 日本 80 23.5 22.8 3 Kaneka 日本 20 26.3 无 4 INES 法国 30？ 22.5 无 5 NSP 台湾 15？ 23.1 ？ 6 上澎 /Sunpreme 中国 /USA 30? 22.5 21.3 7 赛昂 /Solar City/ Tesla 中国 30? 23.1 USA 1000 国内外 HIT电池产业现状 8 正在进入的新成员 : 钧石 , 晋能 , 汉能 , 中环 , 新奥 , 正泰，中智，亿晶光电， 黄河水电 名称 地区 最高效率 (%) 投产 规模 (MW) 实验室 中试 1 上海微系统所 / SIMIT 上海嘉定 23.2 22.5 200？ 2 福建均石 / GS Solar 福建晋江 100 3 中智 江苏泰兴 160 4 晋能 /Jinergy 山西太原 100 5 汉能 /Hanergy 四川双流 21.7? ？ 6 新奥 /ENN 河北廊坊 22.6? 20-50? 7 黄河水电 青海西宁 先后与日本 Sharp、 Panasonic谈判引进技术 国内正在投产 HIT电池的企业 今年 4月份举办的 SNEC太阳电池展会上，浙江正泰、黄河水电等公司展出 HIT组件 HIT正在成为太阳电池行业关注的新焦点 9 主要内容 10 1. HIT电池的国内外发展趋势 2. 上海微系统所的研发成果和产业化技术积累 3. HIT电池的产业化装备及提效降本路线 中科院上海微系统所的 SHJ电池研发平台（ 2MW产能） 先进的 HIT电池研发平台 11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 新能源技术中心 常州天合光能有限公司 光伏科学与技术 国家重点实验室 晶体硅异质结太阳电池 联合实验室 技术转移 广泛的产学研合作研究 设备制造企业 原材料制造企业 Namics Kyoto Elex Henkel 日本住友矿山 隆基绿能 大批量 产业化生产 通过与设备及原材料企业密切合作，推进 SHJ电池技术和装备发展 12 上海微系统 HIT电池国际认证效率 13 D a t e :I-V C UR V ET y p e :Sa m p le N o . :R ep ea t T i m es . : 10F r o n t R e a rI s c 9 . 3 6 0 8 . 1 9 1 A V o c 0 . 7 3 9 2 0 . 7 3 6 1 V P m a x 5 . 6 2 5 4 . 8 9 2 W I p m a x 8 . 7 8 7 7 . 6 4 2 A V p m a x 0 . 6 4 0 2 0 . 6 4 0 2 V F . F . 8 1 . 3 0 8 1 . 1 5 % E f f . ( T ) 2 3 . 1 8 2 0 . 1 6 % M. T e m p 2 4 . 6 2 4 . 6 D I r r . 1 0 0 . 0 m W / c m2M I r r . 9 9 . 0 m W / c m2R e f . D e v ic e N o .J E T p - C 0 1 WC a l. V a l. o f R e f .1 2 3 . 2 1 m A a t 1 0 0 m W / c m2Sc a n Mo d e I s c t o V o c2 0 1 7 / 3 / 6-S I M I T-S H J -1 5 6 b i fa c i a l024681002468100 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8POWER(W)CURRENT(A)V O L T A G E ( V )IEC 60904 - 1 E d . 2 . 0 / J I S C 8913 ( 2005 ) Y S S - 200 AA2 4 2 . 7 cm2 ( T ot a l A r ea )Fr on tR ea rFr on tR ea r日本 JET认证： 23.2%转换效率，面积 243cm2 硅片厚度 vs. HIT电池 Simulation Experiment 硅片越薄，开压越高，电流越低 硅片厚度 100-180um,平均效率维持不变 100um厚度硅片已经实现 >23% 效率，目前正在进行 90um硅片批量制备 （ 2015年 实验结果） 2012 2013 2014 2015 11.7 20.7 21.3 22.3 22.95 2016 23.2 Conversion efficiency (%) Wafer size: 50 125 156 表面结构修饰技术 抑制界面缺陷 先进 TCO膜 改善钝化 上海微系统所 HIT太阳电池发展路线图 2017 >24 界面修饰技术 /新材料 技术产业化转移 Raw wafer thickness: 190 150 110um 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8051015202530354045Currentdensity(mA/cm2)Vo l t age ( V)C u rre n t d e n si t yC u rre n t d e n si t yF r o n t R e a rVo c (m V) 7 2 6 . 8 7 2 4 . 7J s c (m A / c m 2 ) 3 8 . 6 3 5 . 9F F (% ) 7 8 . 9 7 8 . 7Eff (% ) 2 2 . 1 2 0 . 5HIT电池的正反面参数比较 HIT电池具有双面发电特性，背面转换效率达到 20%以上，是真正的双面电池，适合光伏市场对双玻双面电池的发展需求。 正面 背面 双玻 -双面组件 16 HIT太阳电池双面发电特性 HIT电池的发电量比一般晶体硅太阳电池高出 8-10%，双玻 HIT组件的发电量高出 20%以上。具有更高的用户附加值。 高温环境下 HIT电池的高发电量特性 普通 SHJ组件 双波双面 SHJ组件 一般晶体硅太阳电池 时间 归一化发电量输出SHJ 17 18 HIT电池的光致增强特性 日本 CIC，瑞士 EPFL, CSEM在 APL上联合发表 上海微系统所 HIT电池光致效率增强 上海微系统 HIT电池安装在光伏电站户外测试 上海松江 华东理工大学 新疆乌鲁木齐 常州天合实验电站 上海嘉定 /中科院上海微系统所 19 上海微系统所 HIT电池应用于临近空间无人机 平均 Eff 21% 厚度为 100微米的超薄柔性 SHJ电池已成功应用于我国长航时太阳能动力无人飞机的研发 ， 为动力系统提供高效率 、 高比功率的柔性太阳电池 。 100um超波柔性 SHJ电池 应用于无人机的柔性 SHJ组件 安装中的无人机机翼 20 上海微系统所 HIT电池应用于平流层飞艇 搭载前的高强度吹风实验（ 30m/s， 30分钟） 为我国平流层飞艇研发项目配套 ， 提供高效率 、 高比功率 、 高可靠性的柔性太阳电池组件 。 应用于平流层飞艇的柔性 SHJ电池组件 21 主要内容 22 1. HIT电池的国内外发展趋势 2. 上海微系统所的研发成果和产业化技术积累 3. HIT电池的产业化装备及提效降本路线 23 HIT工艺流程图及相应装备 化学湿法 PECVD Cat-CVD HWCVD RPD Sputter 丝网印刷 电镀 Smart wire 稳态 脉冲 制绒清洗 非晶硅薄 膜沉积 TCO膜沉积 电极金属 化 测试 清洁 金字塔 陷光 钝化 PN 结 背场 高透光 高导电 高宽比 附着力 高电导 适当分档 CTM 工艺 方法 目标 14% 58% 3% 25% HIT项目投资占比 22% 35% 4% 39% PERC项目投资占比 24% 30% 4% 42% N型双面项目投资占比 100% 65% 60% 100MW的 HIT项目：总投资约为 4.17亿元，设备占到产线总投资的 58%； 100MW的 PERC项目：总投资约 2.70亿元，为 SHJ的 65%，设备占总投资的 35%； 100MW的 N型双面项目：总投资约 2.50亿元，为 SHJ的 60%，设备占总投资的 30% HIT电池成本分析 -设备成本 SHJ设备降价空间大，扩产时投资减少，潜在收益显著增加 24 25 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-1） 清洗制绒技术 O3技术 RCA技术 H2O2 × HNO3 × O3 × HF NH3H2O × KOH/NaOH ADD HCl N排放 无 有 目标 工艺 增强光吸收 制绒 增加洁净度 刻蚀，清洗 光面平滑 化学抛光 与 a-Si:H界面匹配性 金字塔尺寸和形状控制 制绒 表面修饰 硅片表面状态直接影响电池开路电压 Gas Inlet How wire Electrode Gas Outlet RF Gas Inlet Gas Outlet PECVD Cat-CVD HWCVD 备注：由优至差的顺序为 × HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-2） 非晶硅薄膜沉积装备技术 技术评价 PECVD Cat-CVD 技术普及度 大面积均匀性 维护简易性 同时 2batch沉积 × 薄膜稳定性 生长过程高能损伤 表面高温热辐射 On the textured N-CZ-wafer CVD Tech. PE CAT Eff. (%) 23.06 23.06 Voc (mV) 735.2 738.2 Jsc (mA/cm2) 38.8 38.4 FF (%) 80.9 81.4 Rs (m) 1.55 1.46 PE 和 CAT分别沉积非晶硅钝化层，在 110 µm上制备太阳电池的开路电压都可以超过 740 mV PE生长钝化层的电流稍高一些， CAT生长钝化层的开压和填充因子相对更好一些。 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-2） PECVD vs cat-CVD 28 Cat-CVD PE-CVD COO (元 /瓦 ) COO (元 /瓦 ) Capex/资本支出 0.0616 0.0899 Consumables/耗材 0.0100 0.251 Gas/气体 0.00706 0.0157 Cleaning/清洁 0.130 0.203 Spare parts/备件 0.00813 0.0127 Utility/公用费用 0.753 0.0544 Labor/人工 0.0471 0.0105 耗电量 均匀性 ±15% ±10% 合计成本 0.152 0.212 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-2） PECVD vs cat-CVD TCO薄膜基本要求： 低温度、低损伤 （镀膜设备、技术开发） 高电导、高透过 （新型原材料开发） Meth. Mate. Td n m r Sputter ITO(10 wt%) RT 58E20 515 69E-4 RPD ITO(10 wt%) RT 410E20 3040 24E-4 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-3） 透明导电膜设备技术 不同镀膜技术及 TCO薄膜在 HIT太阳电池的表现 RPD镀膜设备技术： 相对小众（尚未国产）、成本高， 可选供应商少， 有成功的产业案列， HIT电池性能好， SP镀膜设备技术： 可选性多（已国产）、成本低， 技术切入晚、 HIT应用不成熟， HIT电池性能差 ， 团队专利镀膜技术： TCO原材料选择广， 提升空间大， HIT电池性能好， 专利： 201610975301， 一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-3） 透明导电膜设备技术 挑战： 电极宽度 如何实现 40um以下线宽 浆料导电性 降低低温银浆电阻率 双面异质结电池银浆耗量大 如何实现降本 优点： 1. 工艺成熟； 2. 步骤简单，图形一次成形， 可以实现多种图形印刷； 3. 自动化设备，产量大，设备成熟 异质结电池低温银浆在电池工艺中成本占比大。 优化的丝网印刷技术 无网结网版 二次印刷 钢板印刷 图形压印 更高的电极高宽比 更好的电池性能 更低的银浆耗量 HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-4） 金属电极技术：丝网印刷 优点： 1. 更好的高宽比 (最大接近于 1); 2. 更低的电极欧姆损耗， FF ； 3. 遮光损失降低， Jsc ； 4. 转换效率 >0.5%； 5. 不使用银浆，成本降低 缺点： 1. 工艺流程复杂 良品率控制； 2. 种子层和掩膜工艺 成本上升； 3. 化学药品稳定性控制； 4. 双面电镀的设备及夹具设计； 降本方案： 1. 无种子层设计的可行性； 2. 低成本掩膜； 3. 长效性、易维护的化学镀液 (a )(c )(b)(d)丝印电极 电镀电极 丝印电极 电镀电极 电镀 设备及药水MEC OP A L ( 亚洲电镀 )A E L ( 亚 硕 科技 )A T O ( 安美特 )Y A C ( 瓦爱思 )上海新 阳垂直连续电镀垂直电镀垂直连续电镀垂直连续电镀垂直电镀水平脉冲电镀麦德美 - 乐思日本石原化学电镀药水、化学镀药水电镀药水、 K A N E K A 供应商HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-4） 金属电极技术： 丝网印刷 电镀 Ink Jetting Aerosol Jetting 00.10.20.30.42016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023银浆耗量（g）异质结电池银浆耗量趋势丝印技术银浆耗量 多主栅技术银浆耗量 综合耗量 ( 考虑两种技术并存 )2019 年度开始部分导入多主栅技术Multi busbars (smart wire) 载流子传输距离大幅缩短，欧姆损耗降低！ CF connection 1. 低温互连； 2. 低应力； HIT太阳电池核心装备和关键技术（ 3-4） 金属电极技术： 丝网印刷 电镀 smart wire 34 HIT电池降本提效路线图 目前的电池技术和成本 成本 硅片变薄 : 19015013010090µm Voc (1) 金属电极优化 国产低温浆料取代进口、 电镀、多主栅、 Smart wire Jsc & FF (2) (3) TCO材料改进 RPD/Sputter Jsc & Voc & FF 通过与研发单位和企业合作，推进 TCO材料国产化 非晶硅薄膜改进 PECVD/Cat-CVD (4) 通过与装备企业合作，推进 CVD、 PVD关键装备的国产化 通过深入技术 研发以及与装备和原材料企业的 合作 ， 进一步 提高效率 ；通过精细管控进一步 降低运维成本 ， HIT电池具备 与常规电池竞争的成本优势 ！ 电池效率 HIT电池如何降本 ?-设备 1. 清洗制绒设备 -国产设备 ：国产化的半导体清洗设备十分成熟 。 1期 100MW拟采用进口设备 ， 扩产时直接采用国产设备 ， 如捷佳伟创等 。 2. 非晶硅薄膜沉积设备 -国内生产 ： SIMIT实验室具有 PECVD和 CAT-CVD两台设备 ， 积累了丰富的经验 。 拟采用的 CAT-CVD具有更简单的设备结构 ， 更高效的气体利用率并更容易维护 ， 是设备降本主要方向 。 同时 CAT-CVD未来 （ 2-3年内 ）设备将会在苏州进行生产 。 3. 透明导电薄膜沉积设备 -双面一体化沉积 ： SIMIT已经申请透明导电薄膜沉积的设备专利 ， 将会集成 RPD和 PVD的功能 ， 在一台设备上实现透明导电薄膜沉积 。 则同等产量下 ， 设备用量减半 ， 工艺时间大幅度缩短 ， 原材料消耗降低 。 实现 40%以上的设备综合降本 HIT电池如何降本 ?-辅料 3. TCO靶材 2 1 .22 1 .62 2 .02 2 .42 2 .82 3 .22 3 .6im p o r t t arge tEff(%)h o m e mad e t arge tTCO靶材的国产化，在保证电池电性能的情况下可以将靶材成本降低 50%及以上，大幅度降低辅料成本！ HIT降本及成本预测 0 . 6 1 00 . 4 8 80 . 3 9 00 . 3 1 20 . 2 5 0 0 . 2 5 0 0 . 2 5 0 0 . 2 5 0 0 . 2 5 00 . 1 5 00 . 1 0 50 . 0 7 50 . 0 7 50 . 0 7 5 0 . 0 7 5 0 . 0 7 5 0 . 0 7 5 0 . 0 7 50 . 9 2 50 . 9 2 50 . 9 2 50 . 9 2 50 . 9 2 5 0 . 9 2 5 0 . 9 2 5 0 . 9 2 5 0 . 9 2 50 . 5 4 20 . 5 4 80 . 5 5 40 . 5 5 90 . 5 6 6 0 . 5 7 2 0 . 5 7 8 0 . 5 8 5 0 . 5 9 20 . 9 9 40 . 9 7 60 . 9 5 70 . 9 3 80 . 9 2 0 0 . 9 0 1 0 . 8 8 2 0 . 8 6 4 0 . 8 4 50 . 0 0 00 . 5 0 01 . 0 0 01 . 5 0 02 . 0 0 02 . 5 0 03 . 0 0 03 . 5 0 01 2 3 4 5 6 7 8 9元/W运营年限硅片成本制造成本其他辅材靶材 I W O低温浆料非晶硅膜沉积（热丝）降本目标达成后 ， 异质结太阳电池的制造成本将降低到 2.8元 /瓦及以下 ！ 具有显著的竞争优势 ！ 0 . 0 0 %5 . 0 0 %1 0 . 0 0 %1 5 . 0 0 %2 0 . 0 0 %2 5 . 0 0 %3 0 . 0 0 %3 5 . 0 0 %资本金收益率 V S 上网电价资本金 I R R 1 - 电价 0 . 9 8 资本金 I R R 2 - 电价 0 . 7 5 资本金 I R R 3 - 电价 0 . 6度电成本与上网电价无关。在上网电价下调的背景下，高效异质结组件得益于发电增益，能获得更好的资本金收益率，更具竞争优势！ 16 资本收益率及上网电价 1.光伏领跑者计划将持续推动我国光伏技术进步，高效率晶体硅电池技术将成为发展方向 多晶硅 单晶硅：高效率 P型单晶 N型单晶：高效率、光致衰减少 单面电池组件 双面电池组件：发电量高、应用范围广 HIT阳电池是一种 N型单晶双面电池，具有发电量高、度电（ kWh）成本低的优势，可能成为继 PERC电池之后的行业热点。 2.引进国外先进设备 消化吸收关键装备和原材料 国产化 3.深度研发创新性自主知识产权 五、总结 39 致 谢 在科技部、中科院、上海市政府、上海微系统所的支持下，建立了具有世界先进水平的 HIT太阳电池研发平台，与常州天合建立了联合实验室，同时与多个设备以及原材料制造企业进行合作研究。 40 THE END THANKS 41