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光伏電池片領(lǐng)域降本增效是推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的內(nèi)在牽引力，其中以提升光電轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo)的光伏電池片技術(shù)變革是推動(dòng)降本增效的關(guān)鍵舉措之一。2015年至2020年，光伏電池片經(jīng)歷了BSF到PERC的應(yīng)用技術(shù)迭代；2021年以來(lái)，以TOPCon、XBC、HJT為代表的新型高效光伏電池片技術(shù)開(kāi)始逐步進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。在光伏電池片技術(shù)的變革過(guò)程中，設(shè)備是支撐工藝和產(chǎn)能落地的基礎(chǔ)和核心，新設(shè)備技術(shù)需要均衡成本、性能等核心要素，因此設(shè)備廠商需要與下游客戶緊密配合，根據(jù)新的工藝特點(diǎn)提供兼顧成本、效率的系統(tǒng)性解決方案，具有較高的技術(shù)和產(chǎn)品壁壘。

比如在光伏電池片核心工藝設(shè)備方面，拉普拉斯利用核心技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)不斷創(chuàng)新持續(xù)滿足下游客戶的多項(xiàng)需求，包括：

①使用氣態(tài)硼源，結(jié)合低壓氛圍、高溫等特點(diǎn)攻克工藝難題，率先實(shí)現(xiàn)硼擴(kuò)散設(shè)備規(guī)?；慨a(chǎn)和應(yīng)用，突破N型電池片量產(chǎn)工藝瓶頸；

②率先實(shí)現(xiàn)光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD大規(guī)模量產(chǎn)，可高質(zhì)量滿足高效光伏電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的工藝需求；

③自研水平放片工藝，有效提升產(chǎn)能，滿足大硅片、薄硅片的生產(chǎn)需求，降低成本；

④自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)核心零部件熱場(chǎng)，創(chuàng)造性地進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，提高光伏電池片效率和良率，并提升設(shè)備可靠性等。

光伏發(fā)電的基本原理

光生伏特效應(yīng)（即“光伏效應(yīng)”）是指當(dāng)物體受到光照時(shí)，因光能被吸收，電子發(fā)生躍遷，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

根據(jù)半導(dǎo)體的特性，半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種電流載體（指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，簡(jiǎn)稱“載流子”），其中電子帶負(fù)電、空穴帶正電，半導(dǎo)體材料中某種載流子占大多數(shù)，則稱它為多子，占小部分的即為少子。硅片最基本的材料是“硅”，純凈的硅不導(dǎo)電，但可以通過(guò)在硅中摻雜來(lái)改變特性：在硅晶體中摻入硼元素，即可做成P型硅片；摻入磷元素，即可做成N型硅片。因硼元素和磷元素價(jià)位特點(diǎn)不同，P型硅片中空穴作為多子主要參與導(dǎo)電，電子是少數(shù)載流子（少子）；N型硅片中電子作為多子主要參與導(dǎo)電，空穴是少子，上述P（Positive，正電）和N（Negative，負(fù)電）即根據(jù)硅片多子的正負(fù)電情況進(jìn)行的命名。

PN結(jié)（結(jié)是指交叉，譯自英文“PNjunction”）是光伏電池片的基本結(jié)構(gòu)單元，其通常形成于同一塊硅片中P型區(qū)域和N型區(qū)域的交界處，可以通過(guò)向P型硅片表面擴(kuò)散磷元素或者向N型硅片表面擴(kuò)散硼元素制得。

光伏電池片發(fā)電即是利用PN結(jié)位置產(chǎn)生的自由電子的電位差來(lái)產(chǎn)生電流，當(dāng)太陽(yáng)光照射在電池片表面時(shí)，電子吸收能量變?yōu)橐苿?dòng)的自由電子，同時(shí)在原來(lái)的位置形成空穴，自由電子受到內(nèi)電場(chǎng)的作用會(huì)向N區(qū)移動(dòng)，同時(shí)對(duì)應(yīng)空穴向P區(qū)移動(dòng)，當(dāng)連接電池正負(fù)極形成閉合回路時(shí)，自由電子受到內(nèi)電場(chǎng)的力從N區(qū)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線向P區(qū)移動(dòng)，在外電路產(chǎn)生電流。

影響光伏發(fā)電效率的核心要素

光伏發(fā)電的本質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)化為電能，因此減少光學(xué)損失和電學(xué)損失是提升光伏電池片轉(zhuǎn)換效率的兩個(gè)關(guān)鍵方向。光學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是材料表面的反射及遮擋損失，包括電池片前表面和背表面的反射以及組件玻璃的反射、電池柵線的遮擋等。目前減少光學(xué)損失的主要方法包括：

①利用化學(xué)方法對(duì)硅片表面進(jìn)行腐蝕，形成絨面，增加陷光作用；

②制備減反膜降低反射率，例如玻璃減反膜、電池表面的氮化硅減反膜；

③優(yōu)化電池柵線，減少柵線遮擋損失，例如使用多主柵及新型高效的XBC電池技術(shù)。

目前，制絨、減反膜、多主柵等技術(shù)目前應(yīng)用已較為廣泛，發(fā)展較為成熟，XBC電池技術(shù)正在進(jìn)入快速發(fā)展階段，XBC電池的PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒(méi)有金屬電極遮擋的影響，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線來(lái)降低串聯(lián)電阻從而提高填充因子。

電學(xué)損失產(chǎn)生的主要原因是光伏電池片體內(nèi)及表面電子和空穴的復(fù)合，復(fù)合率越低，光電轉(zhuǎn)換效率就越高。電池片表面的表面態(tài)（懸掛鍵、雜質(zhì)、晶格失配和損傷層等）以及電池片內(nèi)部存在的雜質(zhì)，它們都會(huì)成為載流子的復(fù)合中心。

對(duì)于解決材料本身的內(nèi)部缺陷及雜質(zhì)等引起的問(wèn)題，單晶硅要優(yōu)于多晶硅，N型電池要優(yōu)于P型電池；對(duì)于電池表面的復(fù)合中心，通過(guò)改變光伏電池的結(jié)構(gòu)，如引入鈍化膜（主要為Al2O3、SiNx）、隧穿氧化及摻雜多晶硅層等方式，可以有效延長(zhǎng)電池片內(nèi)部少子壽命，減少?gòu)?fù)合導(dǎo)致的電學(xué)損失。

隨著單晶硅片已基本取代多晶硅片以及以Al2O3、SiNx為代表的鈍化膜技術(shù)在此前的PERC技術(shù)也已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在材料方面引入N型硅片襯底及電池片結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步加強(qiáng)鈍化效果（如引入隧穿氧化及摻雜多晶硅層）是目前進(jìn)一步降低電學(xué)損失的成熟有效方式，應(yīng)用該等改善材料和進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變的包括了TOPCon、XBC及HJT等新型高效光伏電池片技術(shù)。

②具有多方面優(yōu)勢(shì)的N型光伏電池片技術(shù)已日趨成熟

光伏電池片的生產(chǎn)是以硅片為基礎(chǔ)材料，通過(guò)擴(kuò)散摻雜元素、多層鍍膜等多步驟處理后，形成基本發(fā)電單元的過(guò)程。其中，以P型硅片作為襯底通過(guò)磷元素?cái)U(kuò)散或摻雜最終制作出的電池片為P型電池片，代表性是基于PERC技術(shù)產(chǎn)品；以N型硅片作為襯底通過(guò)硼元素?cái)U(kuò)散或摻雜最終制作出的電池片為N型電池片，具有代表性的為N型TOPCon、N型IBC、N型HJT等新型高效光伏電池片。N型電池片相較于P型電池片具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)：

A、高轉(zhuǎn)換效率：N型電池片的少數(shù)載流子壽命顯著高于P型電池，能夠極大提升電池的開(kāi)路電壓和短路電流，帶來(lái)更高電池轉(zhuǎn)化效率，如N型TOPCon的轉(zhuǎn)換效率理論可達(dá)28.7%，顯著高于PERC的24.5%；

B、低衰減率：N型電池片襯底硅片主要摻入磷元素，在材料中不會(huì)形成硼氧原子對(duì)（導(dǎo)致P型電池光致衰減的主要因素），因而N型電池片的初始光誘導(dǎo)衰減幾乎為零，整體衰減率較低；

C、弱光效應(yīng)好：N型電池片弱光條件下光譜響應(yīng)好，提升早晚等弱光情況下的發(fā)電能力；

D、高雙面率：雙面率高達(dá)85%以上，有效提升發(fā)電增益；E、低溫度系數(shù)：傳統(tǒng)P型電池片溫度每升高一度，輸出功率就降低0.4%~0.5%，而N型電池溫片度系數(shù)僅有前者一半左右，發(fā)電量顯著高于P型電池片。

從光伏電池片技術(shù)降本增效的發(fā)展目標(biāo)和趨勢(shì)來(lái)看，在解決了生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)攻關(guān)、生產(chǎn)工藝提升、成本優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題后，TOPCon和XBC兩種技術(shù)路線下的N型電池片已實(shí)現(xiàn)落地量產(chǎn)，其中已量產(chǎn)TOPCon的代表性主流廠商包括晶科能源、鈞達(dá)股份、中來(lái)股份等，已量產(chǎn)或投產(chǎn)XBC的廠商為愛(ài)旭股份及隆基綠能。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)

N型光伏電池片具有高轉(zhuǎn)換效率、低衰減率、弱光效應(yīng)好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但是，N型硅片需要在硅片表面擴(kuò)散硼元素以達(dá)到形成PN結(jié)的目的，而硼擴(kuò)散設(shè)備一直是困擾N型光伏電池片量產(chǎn)的難題，所以最早大規(guī)模量產(chǎn)的單晶硅電池是P型的PERC。

硼原子相對(duì)于其擬擴(kuò)散進(jìn)入的襯底硅原子而言，原子質(zhì)量較小，對(duì)硅原子的替代需要更高的能量，硼擴(kuò)散工藝相對(duì)于磷擴(kuò)散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，工藝難度大，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。

行業(yè)內(nèi)原有工藝采用三溴化硼作為擴(kuò)散硼源，通過(guò)氮?dú)鈹y源的方式通入設(shè)備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴(kuò)散過(guò)程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導(dǎo)致形成的PN結(jié)不均勻，同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物為粘稠狀物質(zhì)，設(shè)備需要頻繁維護(hù)，稼動(dòng)率低，運(yùn)營(yíng)成本極高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)，很好地解決了前述技術(shù)瓶頸：

①采用三氯化硼作為擴(kuò)散硼源，在一定溫度下通過(guò)飽和蒸汽壓的方式通入設(shè)備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴(kuò)散過(guò)程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結(jié)，解決N型電池PN結(jié)制備均勻性較差的難題；

②使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴(kuò)散相比，在設(shè)備營(yíng)造的特殊反應(yīng)氛圍下，副產(chǎn)物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低。

TOPCon電池片由PERC電池片的基礎(chǔ)架構(gòu)升級(jí)而來(lái)，主要差別在于硼擴(kuò)散與隧穿氧化及摻雜多晶硅層的制備：

A由于襯底硅片由P型變?yōu)镹型，所以需要在襯底表面進(jìn)行硼擴(kuò)散以制備P+發(fā)射極；

B背面由隧穿氧化及摻雜多晶硅層構(gòu)成，以多晶硅層的制備方式劃分，主要分為三種技術(shù)路線，分別為L(zhǎng)PCVD、PECVD及PVD，其中LPCVD相較于PECVD、PVD在技術(shù)成熟度、成膜質(zhì)量（均勻性好、致密度高）方面具有優(yōu)勢(shì)，隨著石英管壽命的提升以及雙插工藝（雙插，即一個(gè)舟齒放置兩塊硅片，相較于單插，硅片放置量提升一倍）的不斷成熟，LPCVD已成為下游客戶的主流選擇。除上述外，TOPCon生產(chǎn)過(guò)程涉及的其他設(shè)備則與PERC大體相同，主要環(huán)節(jié)包括清洗制絨、刻蝕、正面氧化鋁（Al2O3）沉積、雙面氮化硅（SiNx）沉積、絲網(wǎng)印刷等。

XBC電池片制造工序較PERC差異較大，但也需要使用LPCVD制備隧穿氧化和摻雜多晶硅層，N型XBC則還需要硼擴(kuò)散設(shè)備進(jìn)行硼摻雜。

②硼擴(kuò)散設(shè)備是制備N(xiāo)型電池片PN結(jié)的主要設(shè)備

N型光伏電池片具有高轉(zhuǎn)換效率、低衰減率、弱光效應(yīng)好和低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但是，N型硅片需要在硅片表面擴(kuò)散硼元素以達(dá)到形成PN結(jié)的目的，而硼擴(kuò)散設(shè)備一直是困擾N型光伏電池片量產(chǎn)的難題。

硼原子相對(duì)于其擬擴(kuò)散進(jìn)入的襯底硅原子而言，原子質(zhì)量較小，對(duì)硅原子的替代需要更高的能量，硼擴(kuò)散工藝相對(duì)于磷擴(kuò)散需要的溫度更高（由850℃上升至1050℃左右），且擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，工藝難度大，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。行業(yè)內(nèi)原有工藝采用三溴化硼作為擴(kuò)散硼源，通過(guò)氮?dú)鈹y源的方式通入設(shè)備，其通入狀態(tài)為小液滴，在擴(kuò)散過(guò)程中，容易造成硼源在硅片表面分布不均勻，導(dǎo)致形成的PN結(jié)不均勻，同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物為粘稠狀物質(zhì)，設(shè)備需要頻繁維護(hù)，稼動(dòng)率低，運(yùn)營(yíng)成本極高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，主要用于研發(fā)。

低壓水平硼擴(kuò)散技術(shù)，很好地解決了前述技術(shù)瓶頸：

A采用三氯化硼作為擴(kuò)散硼源，在一定溫度下通過(guò)飽和蒸汽壓的方式通入設(shè)備，通入狀態(tài)為氣態(tài)，擴(kuò)散過(guò)程中硼源在硅片表面分布均勻，形成更均勻的PN結(jié)，解決N型電池PN結(jié)制備均勻性較差的難題；

B使用氣態(tài)三氯化硼作為摻雜源，與傳統(tǒng)三溴化硼液態(tài)源硼擴(kuò)散相比，在設(shè)備營(yíng)造的特殊反應(yīng)氛圍下，副產(chǎn)物為粉末狀的氧化硼，石英管壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低。

③LPCVD是制備高質(zhì)量隧穿氧化及摻雜多晶硅層的成熟設(shè)備

目前N型電池片隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備的技術(shù)路線分為L(zhǎng)PCVD方案（LPCVD+磷擴(kuò)散設(shè)備）、PECVD方案（PECVD+退火）、PVD方案（PVD+退火）。LPCVD憑借技術(shù)成熟、成膜質(zhì)量高、產(chǎn)能大等優(yōu)點(diǎn)成為下游客戶最主流的解決方案；PECVD方案則在成膜效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)，部分廠商也進(jìn)行了采納；少部分廠商基于PVD低繞鍍等優(yōu)勢(shì)則選擇了PVD方案。

在未將光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD推向市場(chǎng)之前，主要行業(yè)痛點(diǎn)在于：

ALPCVD原成熟應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，但光伏相對(duì)于半導(dǎo)體的成本控制要求更高，隧穿氧化及摻雜多晶硅層對(duì)光伏電池片轉(zhuǎn)換效率提升帶來(lái)的收益與相應(yīng)增加的工序成本相比較必須具有經(jīng)濟(jì)性，此外還有大產(chǎn)能的需求，對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)造、工藝設(shè)計(jì)提出了特殊的要求；B

石英管損耗較高，增加了生產(chǎn)成本；C鍍膜均勻度較差。

拉普拉斯結(jié)合上述痛點(diǎn)創(chuàng)造性地進(jìn)行了氣流控制設(shè)計(jì)、載片設(shè)計(jì)、非對(duì)稱熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、硅片載具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、自適應(yīng)串級(jí)溫控設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)石英管壽命和提升產(chǎn)能，并自研新型石英管涂層技術(shù)進(jìn)一步延長(zhǎng)石英壽命，完成了光伏級(jí)大產(chǎn)能LPCVD的量產(chǎn)落地，為客戶產(chǎn)品中隧穿氧化及摻雜多晶硅層制備提供成熟的LPCVD解決方案。

原標(biāo)題：技術(shù)整理：光伏發(fā)電原理和光伏電池片前沿技術(shù)