N型太阳能电池的优势和商业化面临的挑战

目前全球多数硅晶太阳能电池都采用传统P型标准制程，但P型电池在转换效率达到22%后，即面临资本及技术投入边际效益率递减效应，转换效率难再有效增加。因此太阳能厂开始将目光放在次世代的N型太阳能电池的商业化上，其中又以异质结(Hetero junction with Intrinsic，HJT)电池，以及指叉状背接触(Interdigitated Back Contact，IBC)电池两种技术最具有潜力，本文将探讨此两种N型太阳能电池发展状况，提供相关业者参考。
 
目前能量产N型太阳能电池的厂商，仅有SunPower与Panasonic两家。图为SunPower的太阳能板。图／路透
 
太阳能发电成本的下降，来自两大主要因素。一为制造成本的下降，二为太阳能电池与模组本身转换效率的提升。在商业竞争下，太阳能电池转换效率逐年往高效率发展，从早期平均约15%左右，以每年0.5%左右的速度逐年增加。目前全球绝大多数的硅晶电池皆采用P型，但在效率达到22%后，效率提升的空间已有限，面临资本及技术投入边际效益率递减问题。
 
效率有优势的N型电池
 
虽然P型电池发展遭遇瓶颈，全球太阳能厂仍面临需求端仍不断追求效率提升的压力，产业界将目光放在次世代的N型太阳能量产化上。
 
主要N型硅晶太阳能电池主要包括，HJT、IBC和N-PERT/N-PERL电池三大类。这三种均带有N型晶硅电池的特点，例如：少子寿命高、无光衰、弱光效应好，但其中又以HJT及IBC因为提升效率的潜力最大，受到关注度最高。各国厂商无不纷纷加紧研发速度，主要太阳能国家政策也加以政策扶持。但至目前为止，能成功量产并商业化销售的，只有日本Panasonic以及美国SunPower两家公司。
 
其中HJT电池是距离实现大规模量产最近的次世代太阳能电池技术，其优势不仅在于能量转换效率高，还在于制程简单、高温下发电效率衰减小、可使用薄型化硅晶圆、和低模组封装损失、可双面发电等多种优点，成为次世代最被看好的电池技术。而IBC电池，P-N结和电极全部置于电池背面，消除了电池正面栅线的遮光，增加转换效率，可达到23%以上。但其制程复杂，机台设备投资大，使成本几乎为传统电池的两倍以上，因此如何降低IBC制造成本，是目前各国开发重点。也有实验室开发出同时结合HJT＋IBC两种结构之电池，并实现了25.6%的全球最高效率，是晶硅太阳电池有机会实现的最高效率。而第三种电池N-PERT/N-PERL结构简单，最大程度保留和利用现有传统P型电池设备制程，量产化困难度最低，但转换效率没有前面两种电池高。
 
而根据国际太阳能技术路线图ITRPV2016所做的预测，指出随着IBC、HJT等电池新结构，N型单晶电池的效率优势会越来越明显，市场占有率会逐步增加。并随着雷射、离子注入等技术的量产化，HJT太阳能电池将可望在2026年超过10%市场占有率，IBC背部接触式达12%。而传统的P型电池市占率将逐年降低。
 
商业化的挑战
 
虽然HJT太阳能电池具有许多优势，但在商业化量产上，仍面临挑战需要克服：
 
新增设备机台与制程要求严格：与传统P型电池制程不同，需增加薄膜沉积机台。要制作非晶硅与晶体硅沉积，对制程环境要求严格。除此之外，磷扩散制程需要达到适合洁净度要求、并有效的钝化。
 
低温模组封装技术：由于HJT电池的低温制程特性，不能采取传统硅晶电池的高温封装法，需要开发适宜的低温封装技术。
 
高品质的硅晶圆材料：高品质的硅晶圆材料需求，将使购料成本上升。
 
至于IBC太阳能电池最主要的挑战，来自于量产化成本的下降：
 
背面指状交叉状制程与离子注入技术的量产化：IBC电池的核心技术是如何在电池背面制造出良好的指状交叉状的P区和N区。传统作法是利用液态硼扩散和微影制程，但需要高温制程且均匀性较差，需要多道复杂制程。半导体产业中常用的离子注入技术，虽均匀性较佳、结深精确可控但成本高昂，如何达到量产化，是目前最具挑战的关键议题。
 
雷射加工困难度：利用雷射的高能使局部升华在电池背面开孔，但制程带来的硅片损伤影响接触电极。因需精准定位增加加工时间，降低生产效率，量产化仍是瓶颈。
 
最初市场仅有SunPower与Panasonic两家厂商投入次世代N型太阳能电池量产上，但随着HJT电池专利到期，与各国投入研发降低IBC电池生产成本下，近年来国际大厂如Tesla(SolarCity)、韩国LG，中国大陆英利等公司，也纷纷投入N型电池开发。
 
台湾厂商方面，也有公司开始投入。其中以新日光开发HJT电池最为积极，目前已有试量产成果，预计在2017年下半年将有50MW可进入产阶段。其他公司如元晶也宣布俄罗斯机台厂IZOVAC，共同研发HJT太阳能电池技术，但仍在研发阶段。
 
N型电池效率与发展前景值得期待，但量产化及成本下降是目前最需要解决之议题。如果导入成本过于昂贵，最终发电成本仍无法与传统型太阳能电池抗衡，而无法快速渗透市场。在目前P型太阳能电池一片红海竞争之下，台湾厂商在制程调整、良率开发、参数优化、量产化经验，皆具有相当的竞争优势，如果能在次世代N型太阳能电池上站稳脚步，将可有效建立技术进入门槛。
 
原文来源:中时电子报