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          技術交流

          最近很火的N型高效單晶技術您了解嗎?

          最近很火的N型高效單晶技術您了解嗎?

          信息分類: 發布時間:2016-03-17  瀏覽量:

          你了解N型高效單晶光伏電池技術嗎?


          摘要:與傳統的P型晶硅電池相比,N型晶硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等天然優勢,具有更大的效率提升空間和潛力,是高效電池技術路線的必然選擇,而且隨著電池新技術的引入,N型晶硅電池的效率優勢會越來越明顯。


          目前P型晶硅電池占據晶硅電池市場的絕對份額。然而,不斷追求效率提升和成本降低是光伏行業永恒的主題。N型單晶硅較常規的P型單晶硅具有少子壽命高、光致衰減小等優點,具有更大的效率提升空間,同時,N型單晶組件具有弱光響應好、溫度系數低等優點。因此,N型單晶系統具有發電量高和可靠性高的雙重優勢。

           

            根據國際光伏技術路線圖(ITRPV2015)預測:隨著電池新技術和工藝的引入,N型單晶電池的效率優勢會越來越明顯,且N型單晶電池市場份額將從2014年的5%左右提高到2025年的35%左右。本文論述了N型單晶硅及電池組件的優勢,并介紹了各種N型單晶高效電池結構和特點,及相關技術發展現狀和產業化前景。

           



            1.引言

           

            由于晶硅太陽電池成熟的工藝和技術、高的電池轉換效率及高達25年以上的使用壽命,使其占據全球光伏市場約90%份額。理論上講,不管是摻硼的P型硅片還是摻磷的N型硅片都可以用來制備太陽能電池。但由于太陽能電池是基于空間航天器應用發展而來的,較好的抗宇宙射線輻照能力使得P型晶硅電池得到了充分的研究和空間應用。

           

            技術的延續性使目前地面用太陽能電池90%是摻硼P型晶硅電池。而且,研究還發現N型晶硅電池由于p+發射結均勻性差導致填充因子較低,并且長期使用或存放時,由于發射結表面鈍化不理想等原因電池性能會發生衰退。另外,B2O3的沸點很高,擴散過程中始終處于液態狀態,擴散均勻性難以控制,且與磷擴散相比,為了獲得相同的方塊電阻需要更長的時間和更高的溫度,導致材料性能變差。所以與在N型硅片上形成摻硼p+發射結在工業生產中比較困難。

           

            然而,地面應用并不存在宇宙射線輻照的問題,而且隨著技術的發展,原來困擾N型晶硅電池的發射結濃度分布、均勻性、表面鈍化等技術難題已經解決。隨著市場對電池效率的要求越來越高,P型電池的效率瓶頸已越發明顯。N型晶硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等天然優勢,具有更大的效率提升空間和穩定性,成為行業關注和研究的熱點。

           

            根據圖1和2國際光伏技術路線圖ITRPV2015的預測,隨著背接觸(BC)、異質結(HIT)等電池新結構,及激光、離子注入等新技術的引入,N型單晶電池的效率優勢會越來越明顯,且單晶硅在今后幾年的市場份額會逐步增加,到2025年將超過多晶硅,占據光伏市場份額首位,其中80%以上為N型單晶。表1列舉了Panasonic,SunPower,Sharp不同電池結構實驗室的電池轉化效率記錄,大面積HBC電池最高效率已達到25.6%,展現了強大的發展潛力。

           

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          圖1 ITRPV2015晶硅電池效率預測


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            圖2 ITRPV2015不同類型硅片市場份額預測

           

           

            本文論述了n型單晶硅及電池組件的優勢,并介紹了各種N型單晶高效電池結構和特點,相關技術發展現狀及產業化前景。



           

          2.N型單晶硅材料及電池組件的優勢

           

            與P型單晶硅相比,n單晶硅的生產制備沒有本質的區別,是非常成熟的工藝技術,隨著N型單晶硅生產規模的擴大和技術的進步,兩者之間的生產成本將會越來越接近。

           

            磷摻雜的N型單晶硅及電池組件較硼摻雜的P型單晶硅及電池組件有許多明顯的優勢。首先,N型材料中的雜質對少子空穴的捕獲能力低于P型材料中的雜質對少子電子的捕獲能力,相同電阻率的N型CZ硅片的少子壽命比P型硅片的高出1~2個數量級,達到毫秒級。且N型材料的少子空穴的表面復合速率低于P型材料中電子的表面復合速率,因此采用N型晶硅材料的少子空穴的復合將遠低于P型的少子電子的復合。

           

            其次,N型硅片對金屬污染的容忍度要高于P型硅片。如圖3所示,Fe,Cr,Co,W,Cu,Ni等金屬對P型硅片少子壽命的影響均比N型硅片大,由于帶正電荷的金屬元素具有很強的捕獲少子電子的能力,而對于少子空穴的捕獲能力比較弱,所以對于少子為電子的P型硅片的影響比少子為空穴的N型硅片影響要大,即在相同金屬污染的情況下,N型硅片的少子壽命要明顯高于P型硅片。但對于Au卻是相反地,但對于現代工藝技術而言,Au污染已不再是問題。


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            圖3 金屬雜質在硅中的復合行為

           

            1973年H.Fischer等發現P型摻硼CZ晶硅電池在光照下會發生明顯的電性能衰減。1997年J.Schmidt等證實硼摻雜Cz晶體電池出現光致衰減是由于光照或電流注入導致硅片中的硼和氧形成硼氧復合中心,從而使少子壽命降低,引起電池轉換效率下降。2006年A.Herguth等人發現在一定的溫度和光照條件下,可以使硼氧復合體形成復合活性較低的中間態,在一定程度上降低由硼氧復合體復合中心導致的光致衰減。而摻磷的N型晶體硅中硼含量極低,本質上消除了硼氧對的影響,所以幾乎沒有光致衰減效應的存在。

           

            最后,由于N型基體材料高的少子壽命,N型晶硅組件在弱光下表現出比常規P型晶硅組件更優異的發電特性。如圖4所示,N型晶硅組件在光強小于600W/m2的弱光情況下,相對發電效率明顯高于P型晶硅組件。

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          圖4 N型和P型晶硅組件相對效率隨入射光強度的變化曲線

           



          3.N型單晶電池結構和特點

           

            目前研究的N型單晶高效電池主要有:PERT電池,PERL電池,HIT電池,IBC電池,HBC電池等。PERT電池根據其發射結的位置可分為正結型(p+nn+)和背結型(n+np+),根據其受光面不同分為單面受光型和雙面受光型。PERL電池根據其受光面不同,也可分為單面受光型和雙面受光型。如圖5所示。本文將就幾種典型電池的結構和工藝特點進行重點介紹。

           

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            圖5 N型單晶硅太陽能電池的分類

           

            3.1 N-PERL電池

           

            PERL電池是發射結鈍化背面局部擴散電池(PassivatedEmitterRearLocally-diffused),其結構特點是背面局部接觸處重摻雜以降低電池背面局部接觸區域的接觸電阻和復合速率。背面局部重摻可以通過不同的工藝方式實現,比較常用的是激光摻雜和離子注入等。另外,PERL電池根據其受光面不同,可分為單面受光型和雙面受光型。單面受光型電池背面一般為全金屬背電極覆蓋,而雙面受光型一般為絲網印刷正反面對稱結構,背面可接收反射光線,結合雙玻組件技術可提高3%以上的總發電量。

           

            德國Fraunhofer實驗室利用PassDop技術制備的n-PERL小面積電池(4cm2),其轉化效率達23.2%(Voc=699mV,Jsc=41.3mA/cm2,FF=80.5%),電池結構如圖6所示?;w材料為N型CZ單晶硅,正面通過離子注入形成硼摻雜p+發射結,正面采用ALD工藝沉積Al2O3鈍化層鈍化發射結降低表面復合速率,再用PECVD沉積SiNx形成減反膜。正面光刻工藝開槽后用蒸鍍方法形成Ti/Pb/Ag金屬電極,背面利用激光摻雜技術形成局部背場,如圖7所示。其工藝特點是先在背面PECVD法生長一層磷摻雜的a-SiCx鈍化層,再利用激光在熔融鈍化層的同時將其中的磷元素摻雜進晶體硅形成局部重摻,最后通過PVD的方法形成Al背面電極。背面磷摻雜的a-SiCx鈍化層具有很好的鈍化效果,金屬接觸區域n++局部重摻在降低接觸電阻的同時,減少了金屬接觸區域的復合,提升了電池的開路電壓和填充因子。電池Uoc達699mV,FF達80.5%,顯示了良好的表面鈍化效果和接觸特性。

           

            PassDop技術采用成熟的激光摻雜技術在形成背面局部接觸窗口的同時形成局部重摻,在不額外增加工藝步驟的情況下實現了PERL電池結構,是一種非常有應用前景的N型高效電池的技術。

            

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            圖7 PassDop激光摻雜示意圖(a)基體硅背面(b)沉積磷摻雜的a-SiCx鈍化層(c)激光開槽形成局部重摻(d)沉積Al背電極

           

            日本三菱電機的n-PERL電池則采用雙面受光型結構,在156*156mm2大面積單晶硅片上實現轉化效率21.3%(Jsc=39.8mA/cm2,Voc=677mV,FF=80.5%),電池結構如圖8所示。其正面發射結利用APCVD的方法沉積硼硅玻璃后經熱擴散形成P型發散結,再采用ALD沉積Al2O3鈍化p+發射結以降低表面復合速率。與Fraunhofer的N型PERL電池背面結構不同的是,除了在電極下局部重摻形成LBSF,以有效地降低背面接觸位置的復合速率及接觸電阻外,其背面局部接觸之間通過擴散形成一層均勻的N型摻雜層,可有效降低由于N型材料相對較高的體電阻率所引起的電阻損耗。背面柵狀電極通過精準對位準確覆蓋于局部重摻區域形成雙面受光電池結構。此電池結構兼具PERT和PERL電池結構的優點,但因引入多步摻雜工藝而額外增加了工藝復雜度及制造成本而未被廣泛采用。

           

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          圖8 日本三菱電機PERL電池結構示意圖

           

            3.2 N-PERT電池

           

            PERT電池是發射結鈍化全背場擴散電池(PassivatedEmitterRearTotally-diffused),其結構特點是背表面擴散全覆蓋以降低電池的背面接觸電阻和復合速率。背面全背場擴散可以通過不同的工藝方式實現,主要包括管式擴散,外延生長法,離子注入法等。

           

            英利公司PANDA電池是采用雙面受光型PERT結構的大面積電池(239cm2),并且已實現量產,最高轉化效率為20.76%(Voc=650.3mV,Jsc=39.6mA/cm2,FF=80.63%),電池結構如圖9所示。其在普通化學制絨的N型Si片上,通過硼磷管式共擴散制備正面P型發射結和N型背面,然后通過PECVD技術在前后表面制備鈍化層和減反膜,正反面電極使用常規絲網印刷工藝完成。

           

            PANDA電池雙面發電的設計,能夠同時接受從正面和背面進入電池的光線從而實現雙面發電的功能;正面采用細密柵線的設計,減少了遮光面積,提高了電池的短路電流。與規?;a的IBC、HIT等N型電池相比,其結構簡單、制備成本低、工藝流程短,與現有的P型生產線相兼容,容易實現大規模量產。

           

            比利時IMECn-PERT電池是背結型大面積電池(225cm2),轉化效率達21.51%(Voc=675.9mV,Jsc=39.35mA/cm2,FF=80.9%),電池結構如圖10所示。正面為N型前表面場,背面為通過外延法生長的P型晶硅背發射結,再用ALD法生長Al2O3鈍化層鈍化背面。外延法生長背面P型發射結技術目前仍然處理實驗室研究階段,其量產可能性還有待驗證。

           

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          圖10 IMECPERT電池結構示意圖

           

            為了進一步降低背面復合速率實現背面整體鈍化,并去除背面開膜工藝,鈍化接觸技術近年來成為行業研究熱點。德國Fraunhofer開發的Topcon(TunnelOxidePassivatedContact)技術在小面積電池(4cm2)上實現25.1%的轉化效率(Voc=718mV,Jsc=42.1mA/cm2,FF=83.2%),電池結構如圖11所示。正面采用選擇性發射結結構,方塊電阻達150ohm/sq,并采用Al2O3/SiNx進行表面鈍化和減反射以降低表面復合速率和反射率。背面首先在電池背面采用濕化學方法制備一層超薄SiO2,厚度約1~2nm,然后再沉積一層20nm厚的磷摻雜非晶硅層,經過高溫退火后形成摻雜多晶硅,二者共同形成鈍化接觸結構,最后通過PVD的方法形成全背面金屬接觸。

           

            背面TopCon結構的隧穿效應示意圖如圖12所示,1~2nm厚的化學SiO2隧穿氧化層具有很好的選擇性,允許多子電子穿越同時阻擋少子空穴的復合,由于采用晶化處理,此鈍化結構具有很好的熱穩定性。Topcon全接觸鈍化結合全金屬電極的創新結構,克服了PERL電池結構由于局部開孔對載流子傳輸路徑的限制,實現了最短的電流傳輸路徑,將傳輸電阻損失降低為零,根本上消除了電流橫向傳輸引起的損失。

           

            相比較于PERL電池結構,TopCon結構無須背面開孔和對準,也無須額外增加局部摻雜工藝,極大地簡化了電池生產工藝,同時摻雜多晶硅層良好地鈍化特性以及背面金屬全接觸結構具有進一步提升轉換效率的空間,或可成為下一代產業化N型高效電池的切入點。

           

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          圖11 德國FraunhoferTopcon技術PERT電池結構示意圖

           

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          圖12 TopCon結構的隧穿效應示意圖

           

            3.3 N-PERT/PERL電池的研究和產業化現狀

           

            N-PERT/PERL電池由于比較大的效率提升潛力,相對比較簡單的電池結構,且與現有產業化生產比較好的兼容性,成為近些年行業研究的熱點,不同國家不同機構的研究人員開展了大量富有成效的工作。表2匯總了N-PERT/PERL電池的實驗室研究水平和產業化現狀,其中中國英利公司與ECN合作開發的PANDA雙面電池已經實現大規模量產,并充分利用了原有電池線的生產設備;韓國LG公司利用離子注入工藝和絲網印刷實現量產的電池效率達到21.5~22%,是比較高的量產效率。需要特別指出的是德國Fraunhofer利用Topcon技術制備的n-PERT電池轉化效率達25.1%,是非常值得產業界期待的技術路線。

           

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            表2 N-PERT/PERL電池研究和產業化現狀匯總

           

            3.4 IBC電池

           

            叉指狀背接觸電池IBC(InterdigitatedBackContact)最早是由Schwartz和Lammertz在1975年提出來的,它將pn結、基底與發射區的接觸電極以叉指形狀全部做在電池背面,完全消除了前表面柵線的遮光,同時無須考慮前表面減反射結構對電極接觸的影響,為前表面陷光結構和實現更低反射率提供了更大的優化空間和潛力。全背面電極由于不用考慮對電池光學方面的影響,設計時可以更加專注于電池電性能的提高。

           

            IBC電池的核心問題使如何在電池背面制備出質量較好、成叉指狀間隔排列的p區和n區。傳統的技術路線是液態硼擴散和光刻技術,但需要高溫工藝,且均勻性較差;為避免多步光刻及擴散工藝所帶來的復雜操作,可在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴散掩膜層,掩膜層上的硼經擴散后進入N型襯底形成p+區,而未印刷掩膜層的區域,經磷擴散后形成n+區。另外,使用離子注入技術[21]可獲得均勻性好、結深精確可控的p區和n區,具有很好的發展前景,但成本較高,尚未產業化。

           

            美國SUNPOWER公司IBC電池已實現量產,電池結構如圖13所示,實驗室最高轉換效率達25%(Voc=706mV,Jsc=42.1mA/cm2,FF=82.8%),量產平均效率達23%。其電池前表面通過金字塔結構及減反膜來提高電池的陷光效應。電池的背表面由硼擴散p+區域和磷擴散n+區域呈指狀交叉分布,正反表面均覆蓋SiO2鈍化膜,降到了表面復合并增加了長波響應,從而提高了開路電壓。在前表面的鈍化層下進行淺磷擴散以形成n+前表面場,提高短波響應。P型和N型金屬電極通過絲網印刷方式實現,透過SiO2介質膜上的孔槽與Si襯底實現點接觸,減少了金屬電極與硅片的接觸面積,進一步降低了電極表面的復合,提高了開路電壓。但是,IBC電池制程工藝復雜,多次使用掩膜、光刻等半導體技術,成本幾乎為常規電池的兩倍,因此如何簡化工藝,開發低成本的IBC技術并推向產業化應用是業界關注的重點和難點。

           

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          圖13 美國SUNPOWER公司IBC電池結構示意圖

           

            表3匯總了IBC電池部分機構&公司研究現狀,電池效率普遍在22%以上,美國Sunpower公司IBC電池已實現量產,實驗室最高效率達25%。天合公司的大面積IBC電池,簡化了工藝流程,最高轉換效率達22.9%,通過工藝優化預計可達到23.8%。另外,天合與澳大利亞國立大學(ANU)共同研發的小面積電池效率達24.37%。顯示了IBC電池在結構方面的優勢及強大發展潛力。

           

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           表3 IBC電池研究現狀匯總

           



          3.5 HIT電池

           

            HIT電池正面首先沉積很薄的本征非晶硅層作為表面鈍化層,然后沉積硼摻雜的p+型非晶硅層,兩者共同構成正面空穴傳輸層。沉積后硅片靠近表面由于能帶彎曲,阻擋了電子向正面的移動。相反對空穴而言,由于本征層很薄,空穴可以隧穿后通過高摻雜的p+型非晶硅。在背面同樣沉積本征非晶硅薄膜和摻磷的n+非晶硅層,同樣由于能帶彎曲,阻擋了空穴向背面的移動,而電子可以隧穿,兩者共同構成了電子傳輸層。通過在電池正反兩面沉積選擇性傳輸層,使得光生載流子只能在吸收材料中產生富集然后從電池的一個表面流出,從而實現兩者的分離。

           

            1992年三洋公司的Makoto Tanaka和Mikio Taguchi第一次成功制備了HIT(Heterojunctionwith Intrinsic ThinLayer)電池。HIT電池結構簡單,其中間襯底為N型晶體硅,通過PECVD方法在P型a-Si和c-Si之間插入一層10nm厚的i-a-Si本征非晶硅,在形成pn結的同時本征a-Si:H具有很好的鈍化晶體硅表面缺陷的作用,極大地降低了晶體硅的表面復合,復合速率可降至3cm/s,確保了電池很高的開路電壓。電池背面為20nm厚的本征a-Si:H和N型a-Si:H層,在鈍化表面的同時可以形成背表面場。由于非晶硅的導電性較差,因此在電池兩側利用磁控濺射技術濺射TCO膜進行橫向導電,最后采用絲網印刷技術形成雙面電極,使得HIT電池有著對稱雙面電池結構,一定程度上減少了電池的熱應力和機械應力,并允許薄硅片的使用,同時電池背面可以利用地面的反射光發電,提高了發電量。整個制備過程都是在低于200℃下進行的,可避免高溫工藝對硅片的損傷。并且,N型HIT電池沒有光致衰減效應,且溫度穩定好,溫度系數僅為-0.25%/°C,即使在戶外高溫度條件下工作,仍能表現出很好的輸出特性。

           

            日本Panasonic公司于2009年收購三洋公司后,繼續HIT電池的開發,其電池結構如圖14所示,實驗室最高轉換效率達24.7%(Voc=750mV,Jsc=39.5mA/cm2,FF=83.2%),量產平均效率達22.5%。

           

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           圖14 日本Panasonic公司的HIT電池結構示意圖

           

            表4匯總了HIT電池部分機構&公司研究現狀,電池效率普遍在22%以上,顯示了HIT電池在結構方面的優勢及發展潛力。需要特別指出的是,美國Silevo利用隧穿氧化鈍化層制備大面積HIT電池效率達23.1%,非常具有大規模量產的前景。

           

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           表4 HIT電池研究現狀匯總

           

            HIT電池雖然發展迅速,但是仍然存在許多問題,一定程度上限制了其大規模量產。首先其生產過程中的每一步工藝要求都非常嚴格,比如由于非晶硅薄膜生長對表面質量要求很高,所以對前道晶硅的表面清潔凈化技術提出非常高的要求。其次,非晶硅薄膜無法承受較高溫度的后續工藝,后道必須使用高成本低溫工藝和材料。另外,TCO薄膜成本較高,且產量有限。所以在保證高效的情況下,大規模的量產還需要進一步的研究。到目前為止,只有panasonic公司的HIT電池成功實現了產業化,但其對HIT電池的相關參數以及制備過程無詳細報道,而世界各地的科研小組至今沒有能達到或重復其實驗效果。

           

            大規模量產方面,據報道日本松下(Panasonic)現有HIT產能共1GW,160MW為一條產線。電池量產轉換效率約為22.5%,馬來西亞工廠HIT組件成本約為0.7美元/瓦。所有硅片電池均為125mm×125mm,主要原因是薄片化(初始硅片厚度150μm,制成電池后厚度為110μm),如果采用156mm×156mm硅片在絲網印刷段容易碎片。最早投入使用的HIT組件至今大約11年,累計衰減僅為2%~3%。

           

            另外,Solarcity收購Silevo,計劃在美國建設1GWHIT電池工廠。歐洲聯合研究中心最近公布“MW級先進光伏制造工廠計劃(X-GWp),核心目標是推動新型高效(22-25%)HIT電池的量產,預計在2017年建設產能1GW的工廠。

           



          3.6 HBC電池

           

            日本Panasonic公司的HBC電池(Hetero-junctionBackContact)是將HIT技術運用于IBC結構的電池。其電池結構如圖所示,創造了實驗室最高轉換效率25.6%的世界紀錄(Voc=740mV,Jsc=41.8mA/cm2,FF=82.7%)。HBC電池與HIT電池相比最大的特點是前表面沒有柵線電極,極大降低了柵線對太陽光的遮擋損失,確保了電池高的Isc。其正面先生長“一個鈍化效果非常好的鈍化層”鈍化表面,再沉積SiNx減反膜降低反射率。背面先沉積一層本征a-Si:H,再沉積呈指狀交叉分布N型a-Si:H層和P型a-Si:H層,非晶硅薄層極好地鈍化效果確保了電池的高開路電壓,最后用電鍍工藝制備背面的正負電極,由于不用考慮對電池光學方面的影響,電極設計時可以更加專注于電池電性能的提高,確保了電池高的填充因子。


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          圖15 日本Panasonic公司的HBC電池結構示意圖

           



          4.總結

           

            本文重點介紹了幾種N型高效單晶電池的結構特點和研發現狀。與傳統的P型晶硅電池相比,N型晶硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等天然優勢,具有更大的效率提升空間和潛力,是高效電池技術路線的必然選擇,而且隨著電池新技術的引入,N型晶硅電池的效率優勢會越來越明顯。德國Fraunhofer實驗室PassDop技術的N-PERL電池和Topcon技術的N-PERT電池最高效率分別達到23.2%和25.1%,具有很好的發展潛力。日本Panasonic公司的HBC電池創造了電池效率25.6%的世界紀錄。而Sunpower公司的IBC電池和Panasonic公司的HIT電池已經實現了大規模量產,平均效率達到22%以上。

           

            不斷追求效率提升和成本降低,是光伏行業永恒的主題。隨著市場對效率和品質的要求越來越高,單晶N型電池由于自身的天然優勢,必然會成為市場的追逐的方向。N型單晶電池將是未來幾年高效電池產業化的熱點技術,其市場份額在可預見的未來必將會有重大突破,甚至成為主流。


          新聞鏈接:

          晉能集團與SunEdison聯合研發的n型單晶硅異質結太陽能電池技術,具有制造過程溫度低、能耗低、高效率、無光致衰減、無PID、雙面發電的顯著特點,量產電池效率可穩定達到22%以上,并將逐步提升至25%。目前業界公認采用n型單晶硅異質結技術的太陽能電池不僅具有效率高的優點,同時,其單瓦的發電量較常規技術還可增加高達20%,但是其制造成本居高不下,是阻礙其成為市場主流的致命短板。一旦攻克低成本、大批量生產的難關,n型單晶硅異質結太陽能產品將顛覆目前的主流單晶和多晶硅太陽能產品的市場主導地位,可將光伏發電的成本降低20%以上。

          晉能清潔能源有限公司總工程師楊立友博士表示,“n型單晶硅異質結高效太陽能電池組件項目,是晉能集團落實山西省委省政府‘高碳資源低碳發展、黑色煤炭綠色發展’、打造綜合能源集團、實現轉型跨越發展的重要項目,符合晉能集團對太陽能制造領域‘技術迭代、生產智能化、制造柔性化’的戰略。


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