光伏晶体硅的缺点（NaturereviewsMaterials）

通讯作者：Christophe Ballif

通讯单位：瑞士洛桑联邦理工学院

一、背景

晶硅（C-Si）光伏长期以来一直被认为是能源密集型和昂贵的。在过去的几十年中，制造链上的显着进步使C-Si成为一种低成本的电力来源。2020年已安装超过125 GW的C-Si模块，占整个光伏（PV）市场的95%，累计安装超过700 GW。有迹象表明，到2040-2050年，C-Si光伏可能成为世界上最重要的电力来源。

二、主要内容

在这篇综述中，作者们调查了硅光伏元件材料和工业加工相关的关键变化。在晶片层面，多晶硅成本的大幅降低和金刚石线锯切的普遍实施降低了单晶晶片的成本。同时，各种类型晶片中杂质和电子缺陷的浓度已经降低，从而允许工业装置中的高效率。生产线清洁度的提高，工具自动化的提高以及生产技术和电池架构的改进都有助于提高主流模块的效率。伴随着晶片尺寸的增加和先进组装技术的引入器件的效率也不断提高。这些改进减少了单元到模块的效率损失，并将加速主流模块的年度效率提升。总之，作者讨论其他光伏技术在大众市场上与硅竞争将需要什么。这篇综述以“Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry“为题发表在著名期刊Nature reviews Materials上。

三、内容详情

1． 从多晶硅原料到晶片

对于高效光伏电池和模块，需要具有低杂质浓度和少量晶体缺陷的硅晶体。硅加工始于冶金级硅（含~1%杂质），与HCl反应生成三氯硅烷（TCS），沸点为32°C的液体。通过一系列蒸馏循环获得纯度为9N至12N的TCS。随后，将TCS与H2一起送入冷却壁反应器中，其中将高纯度硅丝（几毫米宽）加热至1150℃。TCS在热硅丝表面热解离，并且硅沉积将长丝增厚成直径10-20cm的硅棒。这个过程通常被称为西门子过程，是硅光伏链中成本高且能耗高的部分，但内部罐反射涂层的改进和反应堆尺寸的增加降低了其成本和能源需求。在最大的反应堆中，现在可以在约100小时内生产高达10吨的高纯度硅，能耗为35-45kWh kg−1。然后将硅棒粉碎成块并用于硅锭的生长。根据影响材料质量的蒸馏循环次数，太阳能级硅的价格通常在US$6–7 kg−1（低质量硅），US$10–12 kg−1（高质量硅）。

为进一步降低成本，通过使用更大的管状硅丝，其减少由于其初始表面积增加的沉积时间。流化床反应器构成了沉积硅的另一种方法，可以将这一步骤的能源需求减半，但它们的市场份额很小。采用最先进的工艺，从沙子开始，生产1公斤纯化硅原料的总能耗约为60千瓦时用于制造冶金级硅，49千瓦时用于净化和生产多晶硅。然后使用两种主要技术制备硅锭：定向凝固（DS）和Czochralski（Cz）方法，Cz方法使用的电力大约是DS技术的四倍。随后将块和锭切成典型边长为156-210mm的（伪）方形砖，然后使用多丝锯切技术锯成晶片。

在这里，细钢丝在引导圆筒周围缠绕多次，同时看到多达数千个晶圆。20世纪80年代开发的原始工艺使用乙二醇溶液中的碳化硅颗粒浆料通过硅片进行切割。该过程具有显着的kerf损耗（线直径加上碳化硅颗粒直径的两倍），总计120-200μm。在2015年至2019年期间，金刚石线（钢丝与金刚石微粒）成为新标准，将kerf损失降低到50-70微米，并为近年来晶片价格的下降做出了重大贡献。结合减小的电池厚度和提高的电池效率，原始硅的数量显著减少。与10年前相比，每平方米模块面积的硅晶片成本现在惊人地低。典型的晶片厚度为170微米，到2020年，现场市场上高质量晶片的销售价格在多晶硅每片0.13-0.18美元和单晶硅每片0.30-0.35美元之间，典型尺寸为158.75×158.75 mm2。值得注意的是，对硅原料的强烈需求导致2021年价格大幅上涨2至3倍。加上光伏玻璃短缺，这导致整个光伏链的价格上涨，预计2022年和2023年随着新增产能的增加，价格将再次下跌。

图1 从原始硅到太阳能模块

2. 硅中的载流子寿命

(1) 提高加工过程中的有效寿命

在太阳能电池处理期间，晶片块内的缺陷密度可以显着改变。根据加工温度，沉淀物可以溶解或形成，取决于它们的溶解度和扩散性，吸收过程可以通过吸引和收集过渡金属到具有更高溶解度来去除过渡金属。

除了其在表面钝化中的作用外，氢气还对本体重组产生积极影响。它可以通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积的富含H的SiNx:H层引入，然后进行短退火（烧制）将氢释放到体硅中。氢化可有效改善缺陷密度较高的区域，方便通过吸收实现的改进。还发现氢化可以在更清洁的样品中更有效地改善载流子寿命，特别是当降低晶界的复合活性时。

(2) 批量寿命退化现象

太阳能电池制造过程结束时的载流子寿命很重要，但不足以确保持久有效的太阳能生产。例如，具有高氧浓度的硼掺杂p型C-Si，在Cz材料中，在照射下易于降解。这种效应在载体注射后数小时内降低了载流子寿命。2006年，人们发现BO-LID之后的寿命可以通过在样品中存在氢的情况下在150-300°C下包含过量电荷载体的过程来再生。降解-再生循环的动力学可以通过三态模型（退火，降解和再生状态）和更广义的模型来描述。通过暴露于200℃以上的高光强度少于1分钟。BO-LID不再是硼掺杂Cz硅太阳能电池的主要限制。此外，镓最近几乎完全取代硼来制造p型晶片，从而避免了BO-LID问题，即使锭中的镓分布不如硼分布均匀。

2012年发现的体硅中的另一种降解机制仅在室温以上的可测量时间尺度上发生，主要在p型材料中。因此，它被称为LeTID（光和高温诱导的降解）。与BO-LID类似，它基于过量电荷载体的存在，但对掺杂或氧水平没有明显的依赖性，也可以观察到再生。最近，还报道了基于n型晶片的样品结构的LeTID，只要它们含有高度掺杂的p型或n型层，而具有中等n型掺杂的样品似乎不受影响。硅块中氢的存在被认为是形成缺陷的先决条件，峰值点火温度和升温速率对LeTID的强度有很大影响。避免p型太阳能电池耗尽的可能措施是使用较低的点火温度或较薄的晶片，尽管这两者似乎都不符合当前的行业需求。在黑暗中或在载体注入下的热处理可能更适合于大规模生产中的实施。由于再生时间尺度比盖子长，因此对于p型太阳能电池加工来说，仍然是一个严重的问题。许多制造商发现缓解策略导致降解强度降低，但都需要额外的步骤和/或增加加工成本。

p型硅对这些降解现象将话题带回了60年来关于p型或n型硅是否更适合太阳能电池生产。早期的硅电池是在n型晶片上制造的，但是当空间应用成为一个大市场时，p型硅受到青睐，因为它对轨道上的电子辐射具有更好的抵抗力。随后，p型仍然是选择的基材，主要是因为用铝的后金属化方便地同时形成接触和背面场（BSF）。然而，使用n型材料更容易达到长寿命，大多数高效率（>23%）的电池依赖于长的体积寿命（>1 ms）。在加工方面，基于n型硅的太阳能电池显示出稍高的复杂性和更高的制造成本，因为BSF的磷和发射器的硼（晶片的区域显示与主体相反的掺杂）必须扩散，并且因为前后金属层都需要银基浆料。硼掺杂发射器也可能引起问题，因为其形成可能产生与氧相关的缺陷。这个问题可以通过高温（通常超过1000°C）的预处理步骤来避免溶解氧沉淀物，但代价是增加了工艺复杂性，这妨碍了其在工业中的使用。

图2 硅中的缺陷产生与光和温度的关系

3. 太阳能电池工艺

(a) Al-BSF电池工艺

图4的左侧部分显示了典型的工业Al-BSF电池工艺。从掺杂硼的p型晶片开始，通过湿化学蚀刻光散射纹理。对于具有（100）晶体取向的单晶晶片，通过在苛性碱溶液中的各向异性蚀刻获得随机直立金字塔，而对于多晶材料，在酸性溶液中的各向同性蚀刻产生半球形凹坑。接下来，使用基于POCl3的磷扩散在约800-850℃下形成n型发射器，其中一批次约1200个晶片背对背地装载。磷原子扩散到小于0.5μm的Si体中，其扩散曲线被优化为横向电导率和发射体复合之间的折衷。使用湿化学蚀刻在扩散过程中在晶片表面形成的磷-硅酸盐-玻璃层和后部的寄生P-扩散区域。在相同的蚀刻步骤期间，后表面被化学平坦化。接下来，PECVD用于在发射器上沉积SiNx:H层，其中它用作抗反射涂层和带正电的表面钝化层。随后，使用多步骤丝网印刷工艺来形成金属触点。最后，在黑暗和“1太阳”照明下进行电流-电压测量。然后将电池按照其效率和短路电流与相关策略的函数排列在一个分箱矩阵中。在大多数高质量的工业生产线中，记录每个电池的电致发光图像并检查微裂纹或其他缺陷，并且还通过颜色变化对电池进行分类。

图3 典型太阳能电池结构的示意图

(b) 向PERC和其他设计的发展

2005-2010年左右引入工业Al-BSF电池制造的第一个发展是选择性发射器设计。该设计包括金属触点下的重掺杂发射器和金属触点之间的轻掺杂发射器。选择性发射器同时实现良好的电接触和低平均发射器复合。它们可以通过使用增强触点下掺杂的激光掺杂工艺或通过触点之间区域的蚀刻工艺来制造。在过去的十年中，银浆和新配方在非常轻掺杂的发射器上取得了重大进展，这些发射器与较窄的线印刷（目前小于40μm）相结合，减少发射器区域中的重组和在它的表面。因此，目前Al-BSF太阳能电池的主要限制是全面积后接触处的复合，这将其效率限制在20%以上。

PERC架构通过添加三个处理步骤来提升这一瓶颈。首先，在发射器扩散和表面清洁/反向蚀刻之后，在晶片的两侧生长薄的（<2nm）热氧化物以改善表面钝化。其次，在电池的后部沉积薄（<20nm）Al2O3和较厚的SiNx:H层，或者通过两层的PECVD或使用Al2O3的原子层沉积和SiNx:H的PECVD。第三，后部的电介质钝化通过激光烧蚀局部打开-激光技术的最新发展为该工艺的工业化提供了很多帮助-。PERC设计的两个主要优点是减少了后侧复合，从而增加了开路电压，提高了后反射率，从而增加了短路电流。

1989年新南威尔士大学使用FZ晶片和光刻密集型加工技术展示了基于PERC概念的第一个高效电池。设备制造商，行业和研究机构之间经过20多年的合作，从这一创新概念中制造出具有成本效益的太阳能电池，从而在2010年实现PERC模块的商业化。

由于后部重组减少，大量重组成为PERC电池的主要限制因素，也引发了研究者们对高质量单晶晶片的兴趣。除非使用镓掺杂，否则BO缺陷在另外的步骤中会失活，该步骤包括将电池堆叠到在约200℃下穿过带炉的载体上，同时通过堆叠中的串联连接电池保持高正向电流。注入硅电池的高温和高载流子浓度增加了氢在硅中的扩散系数。由于效率提高超过了额外加工步骤的成本，因此在2016年至2020年期间发生了从Al-BSF到PERC的快速工业转型。到2020年底，超过70%的电池市场是PERC技术，80%的晶片市场是单晶Cz晶片。工业PERC工艺可显着提高效率，单晶Si平均效率为22-23%，生产线上生产的完整晶片的典型记录值约为23.5%。

报道了更高的值（例如，来自LONGi Solar的24.0%），但没有明确指示确切的接触结构或制造环境。因它包含本地Al-BSF，所以工业'PERC'电池是PERC和PERL（无源发射器，后部局部扩散）太阳能电池的混合物。但是由于这种局部Al-BSF是合金化的而不是扩散的，因此该单元既不是纯PERC也不是纯PERL单元。另一种工业c-Si电池结构是钝化发射器，后完全扩散技术（PERT）。这种设计对于n型衬底特别有意义，对于这种衬底，Al-BSF和Al接触的组合形成是不可能的。相反，它包括硼扩散和磷扩散过程。由于它们的晶片极性，n型PERT电池不易受到硼相关降解效应的影响，并且具有比p型PERC电池更高的效率潜力，这是由于整体寿命对某些金属杂质的敏感性较低。

然而，如果要求更高的初始寿命，则工艺复杂性更高并且基板可能更昂贵。通过将两个接触极性放置在交叉指背接触设计中可以避免前面接触的阴影。通过这种设计，目前报告的两个最高指定面积效率对于p型基板为26.1%，对于n型基板为26.7%。在其高效模块中成功实现了总面积效率高达25.0%左右的反向接触电池。尽管如此，所有效率高于25%的太阳能电池都是以更复杂的工艺为代价的，例如，使用光刻技术来定义触点。因此，一个重要的研究趋势是开发更简单的工艺流程，使电池效率高于25%。

图4 使用不同结构制造太阳能电池的示意工艺流程

图5 晶硅太阳能电池的典型性能特征

4.高温钝化接触

在PERC和PERT太阳能电池中，金属在两侧局部接触硅。这导致显着的复合，限制了开路电压。这个问题引发了人们对开发钝化触点的兴趣，钝化触点由抑制硅表面缺陷的层堆叠组成，但确保选择性地向金属电极收集电荷。受到使用金属-绝缘体-半导体结构而不是金属-半导体结构的肖特基二极管性能改进的启发，1972年有人建议太阳能电池使用金属-绝缘体-半导体结构。到1983年，已出现高达695mV的开路电压，为了增强与高温处理的兼容性，提出用简并掺杂硅代替金属。为了提高效率，一些研究实验室仍然在前面包括轻微的磷扩散。与此同时，受多晶硅发射极双极晶体管研究的启发，其他研究团队使用半绝缘多晶硅开发了电池。钝化多晶硅触点在2010年之后变得流行，因为它们提供表面钝化并耐受高处理温度。

因此，它们与公认的吸收，金属化和氢化过程兼容，并且当应用于整个表面时，提供良好的导电性而不会将光电流拥挤到小的接触区域。夹在晶片和多晶硅膜之间的薄层氧化硅具有平衡表面钝化和接触电导率的关键作用。这种氧化物层可以化学生长，这是一种对工业化很有吸引力的工艺，因为它可以很容易地集成到晶片清洁程序中。以这种方式生长的氧化物通常只有1.0-1.5 nm厚，即足够薄以使电荷载流子从晶片隧道到多晶硅。氧化物的热生长是半导体加工中的标准步骤。得到的氧化物通常更厚且化学计量更多，因此是绝缘的。为了建立电接触，可以使用增加后续处理步骤的热预算来打开导电针孔。通过本征层的低压化学气相沉积和随后的掺杂剂植入或扩散可以获得一层高度掺杂的多晶硅。原位掺杂也是可能的。或掺杂的非晶硅层通过PECVD或溅射生长，随后退火以使它们结晶并活化它们的掺杂剂。最后，应用氢化处理来钝化界面氧化物中或其与硅晶片的界面处的缺陷。为了提高到商业晶片尺寸，后侧通常与工业金属化接触：沉积一层SiNx:H，然后丝网印刷金属网格。在随后的烧制步骤中，糊剂通过SiNx:H蚀刻以接触多晶硅膜，并且从SiNx:H释放的氢钝化界面缺陷。为了避免金属损坏氧化物层，多晶硅厚度必须超过200nm。各种工业都遵循类似的概念

制造商致力于大规模生产具有钝化后触点的n型电池。

例如，6个“工业电池显示生产线的效率高达25.25%，平均效率超过23.5%，通常导致模块的效率高达22.5%。对于p型晶片，迄今为止报道的最高电池效率为26.1%，这是通过将两种极性的钝化触点和叉指式背触点设计组合而获得的。据报道，两侧接触的p型电池的效率为26.0%，前部为标准（非钝化）p型接触，后部为结形成n型钝化接触。p型触点的形成在实验上比n型触点更具挑战性，这归因于电子的c-Si-SiO2界面态的捕获截面高于空穴或硼扩散过程中的缺陷产生原子穿过界面氧化物。后者可以通过在界面氧化物上使用无硼缓冲层或通过将硼掺杂层与氧合金化来缓解，这延迟了硼扩散。或者，通过使用低热预算使硅层结晶，可以大大降低硼扩散，如快速热退火或共同放电的情况。两侧具有顶层结构的高效太阳能电池的设计仍在开发中。

主要困难是在正面结合高透明度，钝化和电导率。除了减小接触厚度之外，目前改善前-顶透明度的研究趋势包括将多晶硅定位在金属方，用更透明的材料代替多晶硅或将多晶硅与氧或碳合金化。两种合金化策略都会导致透明度和电导率之间的权衡。第二个困难是在纹理表面上应用TOPCon结构，其中p型触点再次比n型触点更成问题。迄今为止，在前后部具有全面积TOPcon钝化触点的设备中达到的最佳效率为22.6%。

5.低温钝化接触

形成钝化触点的另一种途径依赖于氢化无定形硅（a-Si:H）。早在1979年，内在的a-Si:H就被发现为c-Si提供了良好的表面钝化。在20世纪90年代早期，证明了使用-Si:H层设计高效硅太阳能电池的能力。随着这项大规模能源生产技术的衰退，许多具有薄膜硅光伏专业知识的研究实验室在过去15年中加入了这项工作。他们的成功表明两个领域之间存在强烈的协同作用。这种硅异质结（SHJ）器件的一个关键特征是它们的高Voc（通常为730-750 mV）。基于异质结结构的器件保持当前世界记录的反向接触电池效率为26.7%，大面积晶片丝网印刷细胞两侧接触效率为25.3%，2021年记录为26.3%，未指定金属化。SHJ的几条生产线报告平均效率在23.5–24.5%之间。在钝化材料中，固有a-Si:H具有作为具有相对窄的带隙（在1.6和1.9eV之间）的单相材料的特性，以包含很少或没有固定电荷并且在没有任何电场的情况下提供优异的化学钝化。

窄带隙在晶硅和a-Si:H之间引起小的导带和价带偏移。这使得电子和空穴能够通过相对厚的层（>10nm）a-Si:H而不会引起严重的电阻。这种电导率和出色的化学钝化相结合，使-Si:H独一无二，可用于钝化触点。与晶硅类似，a-Si:H可以使用磷和硼掺杂n型和p型。然而，在a-Si:H中掺杂不如在c-Si中那样有效。因为掺杂固有地在a-Si:H中产生缺陷，所以直接沉积在c-Si晶片上的掺杂层不能提供优异的钝化。因此，太阳能电池器件通常在晶片和掺杂的a-Si:H层之间结合薄的（<10nm）固有a-Si:H层用于表面钝化。这种结构最初被称为具有固有薄层的异质结（HIT，现在是松下商标），现在简单地称为硅异质结。

PECVD是最常用于a-Si:H层的沉积方法。a-Si:H中的电荷传输效率低于c-Si，这是由于电荷迁移率低几个数量级。由于a-Si:H仅对少数载流子向前金属网格的横向传输贡献可忽略不计，因此通常需要额外的透明导电氧化物层。主要使用与氧化锡合金化的氧化铟，尽管存在其他合金化合物甚至无铟替代品。横向电荷传输也发生在晶片本身中，这放松了对透明导电氧化物的约束。对于电子来说，这主要是由于主要使用n型晶片，电子的迁移率高于Si中的空穴以及晶片和空穴电极之间的接触电阻较高，有利于电子接触放置在器件的照明侧。尽管技术上可行，但不包括透明导电氧化物的方法尚未使用，因为a-Si:H膜的直接金属化是微妙的。可以说，结合更宽的带隙a-Si:H的低迁移率有助于使非常薄的层有效地“屏蔽”电极的影响以确保钝化和载流子选择性，从而导致具有a-Si:H的高效太阳能电池每侧约10nm的堆叠。光学上，当使用-Si:H作为窗口接触时，a-Si:H的小带隙诱导寄生光吸收。

在涉及a-Si:H的所有方法中，后处理步骤必须保持在200-250℃以下：在200℃以上的温度下析氢导致性能下降（主要是通过钝化损失）。这种影响可以减轻157158，甚至可以逆转到高达400°C的温度，但在450°C以上，-Si:H的钝化能力不断丧失。因此，银丝网印刷浆料不能像标准电池加工那样在高温下烧结，而是需要使用低固化温度浆料。

6. 最小化单元到模块的损耗

从单个晶圆移动到完整模块，模块功率与单个单元功率之和之间存在系统差异。这些功率之比称为电池模块（CTM）功率比，通常约为95-97%。同样，模块效率低于平均电池效率，导致CTM效率比通常为85–90%。经过几十年相当标准化的晶片和模块尺寸，2019年出现了范式转变，出现了更大的晶片和更具侵略性的组装技术。行业目标的这种变化旨在提高CTM效率比，因为高模块效率可以节省模块成本和每W的安装成本。主要的CTM损耗是几何的，源于模块中单元的非统一覆盖（覆盖率仅为典型模块总面积的约90%）。这种损失占绝对效率差异的1.5%以上，但在计算功率CTM损失时不考虑，这解释了其较高的值。光学损失是由于光在空气-玻璃界面处的反射，空气中的细胞与嵌入封装中的细胞之间的反射差异，封装中的吸收损失以及互连带或线的额外阴影。光学增益也会发生。最后，电损耗来自电池的电互连。电池串的改进（多个细胞的串联互连）使得能够从2012年的通常两个或三个1.5mm宽的busbar转变为2014年的五个或六个0.9mm宽的busbar。最近的高效模块包含9到12个busbars甚至多达18到21个导线。它提高了电池和模块线的生产率并减少了由于模块中的电池间距引起的损耗。然而，较大的晶片产生更多的电流，这增加了给定互连的电损耗。将电池切成两半可将互连损耗减少四倍。

通过半切割单元串联和并联连接组装光伏模块，提高其对热点的可靠性。因此，大多数光伏行业在2020年转向更大尺寸（通常为166毫米，182毫米或210毫米横向晶片尺寸）和半电池模块。电池切割过程至关重要，必须进行定制，以最大限度地减少边缘缺陷并保持高性能，特别是对于基于具有长载流子寿命和扩散长度的材料的高效器件。模块级显着的串联电阻降低可以抵消切割时电池效率的适度损失。最近几家公司提出了一种创新的平铺带状方法，它使用与重叠点处平坦的多棒互连的一半或三分之一晶片，从而在连续单元之间产生负间隙。值得注意的是，大多数商业模块在玻璃上包含防反射涂层，通常由具有低折射率的多孔玻璃层组成。对于正常入射，该层将空气-玻璃界面处的加权太阳反射从4%降低到约1.3-2%，并且在倾斜入射角处获得更大的益处。在层压板内部，如果带状物的表面有凹槽，则可以很大程度上恢复由互连带反射的光，从而以倾斜角度反射光，从而能够在玻璃-空气界面处进行全内反射并在电池中吸收。电线互连的圆形形状-正在成为标准-部分实现了这种效果。结合多种方法，光学增益可以补偿光和电损耗，导致CTM功率比超过100%。然而，CTM效率比总是保持在100%以下，主要是由于模块面积大于总电池面积的事实。总的来说，成本仍然是大规模生产的主要驱动力，并决定实施许多已经技术证明的先进战略。

7. 持续的行业改进

平均模块效率每年绝对增加约0.3-0.4%，随着向单硅和新型模块设计10的过渡，这种趋势正在加。效率的提高将在未来十年继续，最后，通过我们描述的一系列改进，应该达到单结硅模块的最大实际效率（主流模块为23-24%，高端模块可能为25%）（更好的材料，改进的钝化，更好的接触糊剂，改进/改进的电池结构，包括钝化触点，改进的模块组件）。

与此同时，可靠性仍然至关重要，因为降低预期的年度退化率会降低计算出的电力水平化成本。根据过去的经验和加速测试，许多制造商对产品性能提供25年甚至30年的保证，通常在每年通常0.5-0.7%的线性（相对）下降范围内。除了上述块状硅材料的降解之外，c-Si模块还受到各种降解模式的影响。模块外部的（接地的）与高压串中的晶片之间的电位差可导致电位诱导的降解；紫外线引起聚合物变黄；热和机械应力可以破坏电池和互连；腐蚀会降低接触；密封剂可以分层等等。这些影响可以通过电池水平修改（例如，使用更密集的富含Si的氮化硅层来防止电位诱导的降解）或模块级修改（例如使用更具电阻性和更多电阻的封装聚合物和背面）来最小化。对紫外线稳定。还存在一些技术特定的降解机制。例如，21世纪初制造的SHJ模块的降解率略高于同一时期使用标准多晶BSF电池制造的模块。大规模工业采用钝化接触技术可能会加速这些策略的成熟，使这些模块与今天的标准相比达到类似甚至改进的可靠性。

国际电工委员会（IEC）测试标准定义了检测光伏模块设计和制造缺陷的标准程序。然而，它们的设计并不是为了保证模块在每种气候下的25年或30年寿命，因为它们不能准确地再现现场的现实情况。行业中经常使用更严格的测试顺序，更长的周期和更严格的标准（如紫外线，热量和电流），为制造商提供更好的保险，保证其有效性，特别是在更换材料或供应商以实现更好的效率或更低时成本。在建立投资数亿美元的大型太阳能园区时，可靠性测试始终是一个主要问题，光伏模块可靠性科学不断发展，以提高故障的可预测性。

在所有增长情景中，大多数观察到的历史趋势预计将继续。对于主流模块，价格压力将迫使供应链中的所有利益相关者降低成本，激励他们最大限度地减少能源和材料的消耗，特别是通过使用更薄的晶片，更少的银（可能被铜取代）和更少的包装材料，同时提高模块效率。即使对年产量增长（16%）和价格学习曲线（18%）进行保守估计，到2030年预计成本将进一步降低30-40%。我们可以预期，整个链的投资成本将继续显着降低。值得注意的是，如果在中国采购，过去6年10 GW（年产量）PERC太阳能电池制造（从晶片到电池）的资本支出从大约12-1.5亿美元减少到2.8亿美元。在这个水平上，贬值超过6年。高效率的产品需要更高的资本支出投资，针对快速增长的光伏公司在过去几年中青睐PERC电池。

8. 硅的替代技术

2020年市场份额接近95%，供应链完善，设计标准化，硅在光伏行业占据主导地位。尽管其他光伏技术具有潜在的优势（如减少薄膜的材料使用），但占据较大的市场份额对他们来说是一项挑战，因为他们必须表现出比硅更好的价格和/或效率，至少具有相同的可靠性。基于铜-铟-镓硒化物或CdTe的薄膜技术已经证明模块效率高于19%。基于已证明的电池效率，钙钛矿具有相似的性能，串联配置更好。其他成熟技术，如薄膜硅，由于基本效率限制（低于15%）而被放弃，聚合物或染料敏化太阳能电池等替代技术尚未达到进入主流市场的效率水平。到目前为止，CdTe光伏模块可以跟上硅光伏模块大幅降价的趋势。然而，碲的可用性很可能成为多TW年产量的限制。目前使用记录值为29.1%的薄GaAs器件获得了用于非集中光的最佳单结太阳能电池效率。然而，估计的生产成本比传统的硅光伏模块高出100倍以上，迫使最近停止唯一的中试模块生产线。任何试图在未来5-10年内进入市场的新单结技术都将局限于利基市场（高功率密度，轻质，建筑包层，汽车）。对于c-Si大规模生产，26%的太阳能电池效率被许多人认为是实际限制。因此，一个悬而未决的问题是，在效率方面接下来会有什么。

今天，进一步提高效率的唯一经过验证的概念是多结配置中太阳能电池的组合。使用硅作为底部电池，4端串联器件的效率高达32.8%（Si上的GaAs），4端三结器件的效率达到35.9%（Si上的增益/GaAs）。单片晶片键合三结的效率达到33.3%，而到目前为止，III-V在硅led上的直接外延效率超过25%。制备高质量III-V薄膜的高成本将（充其量）将这些设备限制在利基市场几年。目前，高效和低成本光伏的最有希望的途径是钙钛矿顶部电池在硅底部电池上的整体集成。

2018年，报道了第一批效率超过25%的串联器件。一些设备的效率超过29%，最佳认证的4平方厘米设备超过26%，所有这些设备都使用SHJ底部电池。这种设备的模块级效率潜力超过30%，三结配置甚至更高，在考虑完整的光伏系统时可以提高模块成本。通过将现有Si模块生产线与钙钛矿顶部电池所需的工具进行升级，可以快速采用行业，类似于从Al-BSF到PERC电池生产的异常快速发展。主要的挑战将是可靠产品的演示，因为钙钛矿装置对内在和外在的降解机制特别敏感，包括通过暴露于空气湿度紫外线和高温或通过电偏置。最终，高带隙和低带隙薄膜太阳能电池（如钙钛矿/钙钛矿）的结合可以结合高效率和低成本，从而弥补了晶硅光伏技术的凋亡。尽管如此，除了竞争之外，也欢迎所有光伏技术的协同进步到2050年达到100%可再生能源的目标。

图6 从单元到模块

四、结论

硅光伏技术以惊人的速度发展以降低成本，在商业产品的电池和模块级获得稳定的效率提升。许多先进的研发工作仍在继续，通过改进当前的行业标准流程或开发低成本方法和硬件来进一步改进硅材料并降低其成本，并改进电池制造，以实现包含钝化的下一代产品联系人。结合模块技术的改进（更大面积，半电池，瓷砖带，带状电池，多丝，反向接触方法），这将确保进一步缩小当今创纪录的实验室c-Si太阳能电池之间的效率差距。其他技术获取或保持较大的市场份额将具有挑战性。除了利基应用（仍然构成大量机会）之外，晶硅的地位表明太阳能技术需要超过22%的模块效率，成本低于0.2 W−1在未来5年内在大众市场上具有竞争力。

由于与区域相关的系统成本，可以通过将硅与更高带隙的顶部电池相结合来获得更高效率的方法，其中钙钛矿是吸收剂的主要候选者。即使在TW规模下，也可以制造硅PV器件，没有任何稀有或稀有材料，并且替代材料可以用于关键元素（例如，在SHJ电池中用锌和/或锡代替铜和铟代替银）。提供世界向可再生能源必要过渡所需的电力和能源没有技术限制，政治意愿和经济杠杆目前是主要障碍。正如国际能源署所说，硅光伏工业在过去三十年里已经从能源部门的好奇心变成了“电力新王”。光伏将在全球能源经济脱碳和缓解气候变化方面发挥核心作用，硅技术将继续成为未来几十年的关键参与者。

文献信息：Christophe Ballif, Franz- Josef Haug, Mathieu Boccard, et al. Status and perspectives of crystalline silicon photovoltaics in research and industry. Nature reviews Materials. 2022

Doi: 10.1038/ s41578-022-00423-2

https://www.nature.com/articles/s41578-022-00423-2

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