Was ist eine PERC-Zelle?

Die PERC-Zelle (Passivated Emitter and Rear Cell), der vollständige Name „Emitter and Rear Passivated Cell“, ist eine natürliche Weiterentwicklung der herkömmlichen Aluminium-Rückfeldzellenstruktur (BSF).

 

Konventionelle BSF-Zellen weisen hinsichtlich ihrer photoelektrischen Umwandlungseffizienz systembedingte Einschränkungen auf, da die Rekombinationsgeschwindigkeit in der rückseitigen Aluminiumschicht nicht unter 200 cm/s gesenkt werden kann. Dadurch werden nur 60–70 % der auftreffenden Infrarotstrahlung reflektiert, was zu höheren photoelektrischen Verlusten führt. Im Gegensatz dazu besitzen PERC-Zellen eine zusätzliche Schicht auf der Rückseite. Diese Schicht kann mehr Sonnenlicht einfangen und in elektrische Energie umwandeln, wodurch PERC-Zellen effizienter sind als herkömmliche Zellen. PERC-Zellen reduzieren zudem die Rückrekombination und verhindern, dass Wärme mit längeren Wellenlängen die Zellleistung beeinträchtigt.

PERC-Zellen ergänzen die herkömmlichen BSF-Zellen um zwei Prozesse, die Rückpassivierung und die Laserstartphase, um die Umwandlungseffizienz zu verbessern, wodurch die Leistung deutlich gesteigert wird.

Entwicklungsgeschichte der PERC-Zellen

Die Entwicklungsgeschichte der PERC-Zellen lässt sich in vier Phasen unterteilen: Technologieprototyp, Knospung, Hochgeschwindigkeitswachstum und explosive Phase.

 

 

Vor- und Nachteile von PERC-Zellen

Vorteile: PERC-Zellen sind die am weitesten verbreitete Technologie auf dem Markt und zeichnen sich durch hohe Industrialisierungseffizienz und niedrige Produktionskosten aus. Durch das Aufbringen einer Siliziumoxidschicht auf die Rückseite der Zelle wird die Lichtabsorption und die Elektronenausbeute verbessert.

Nachteile:Die theoretische Wirkungsgradgrenze von PERC-Zellen ist relativ niedrig (24,5 %), und es gibt ein Problem der lichtinduzierten Degradation, insbesondere bei multikristallinen PERC-Zellen.

Technologische Reife: Die PERC-Technologie ist bereits sehr ausgereift, doch mit dem Upgrade und der Weiterentwicklung der p-Typ- zur n-Typ-Technologie sieht sich die PERC-Technologie einem Rückgang ihres Marktanteils gegenüber.

Kosteneffizienz: PERC-Zellen bieten Kostenvorteile und ihre Kosten liegen nahe an denen herkömmlicher Zellen, aber aufgrund des begrenzten Spielraums für Effizienzverbesserungen besteht die Gefahr, dass sie in Zukunft mit Wertminderungen und der Eliminierung von Vermögenswerten konfrontiert werden.

Marktnachfrage:Früher war sie der wichtigste Marktteilnehmer, doch mit der Weiterentwicklung der Technologie werden PERC-Zellen nach und nach durch neue N-Typ-Zelltechnologien wie TOPCon ersetzt.

PERC-Zellprozess

1. Texturierung

Zweck der Texturierung: Erzeugung einer samtartigen Oberfläche durch Nutzung des Prinzips der Lichtabsorption zur Reduzierung der Lichtreflexion, Erhöhung des Kurzschlussstroms (Isc), Vergrößerung der PN-Übergangsfläche und letztendlich Verbesserung des photoelektrischen Wirkungsgrads der Zelle. Entfernung der mechanisch beschädigten Schicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers sowie von Oberflächenöl und Metallverunreinigungen. (Polykristallines Silizium bildet eine grubenförmige, samtartige Oberfläche, einkristallines Silizium eine pyramidenförmige, samtartige Oberfläche) und erhöht die Absorption von Sonnenlicht durch das Silizium. Reaktionsgleichung der Texturierung: Si + 2 NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2 H₂↑.

Einkristall-Texturierungsmaterialien: Kaliumhydroxid, Wasserstoffperoxid, Salzsäure, Additive, Fluorwasserstoffsäure.

Prozesskontrollpunkte des Texturierungsprozesses: ① Ausdünnungsgrad (Messgerät: elektronische Waage); ② Reflexionsvermögen (Messgerät: D8 Reflexionsmessgerät); ③ Oberflächenbeobachtung (Messgerät: Rasterelektronenmikroskop).

2. Diffusion

Zweck der Diffusion: Ausbildung eines PN-Übergangs. Das Bildungsprinzip eines PN-Übergangs beruht darauf, dass in einem Bereich des Kristalls P-Dotierstoffe, in einem anderen Bereich N-Dotierstoffe dominieren. Am Übergang diffundieren Löcher vom P- zum N-dotierten Bereich und freie Elektronen vom N- zum P-dotierten Bereich. Durch diese gegenseitige Diffusion entsteht eine Raumladungszone, deren elektrische Feldrichtung von N- zu P-dotiert verläuft. Diese Raumladungszone hemmt die Diffusion der Majoritätsträger und fördert die Drift der Minoritätsträger. Sobald sich ein Gleichgewicht einstellt, stabilisiert sich die Breite der Raumladungszone. Unter Lichteinfall werden im Inneren der Zelle Elektron-Loch-Paare erzeugt. Diese bewegen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu beiden Seiten und verbinden sich mit dem externen Stromkreis, wodurch ein Strom entsteht.

Diffusionsverfahren: Bei diesem Diffusionsverfahren wird Phosphor auf eine Seite des P-dotierten Siliziumwafers aufgebracht, um einen PN-Übergang zu bilden.

Diffusionsmaterialien: Phosphoroxychlorid, Sauerstoff, Stickstoff.

Chemische Diffusionsgleichung: 4POCl3+3O2 → 2P2O5+6Cl2↑; 2P2O5+5Si → 5SiO2+4P↓ Prozesskontrollpunkt des Diffusionsprozesses: Quadratischer Widerstand (Messgerät Quadratwiderstandstester).

Diffusionsmaterialien: Phosphoroxychlorid, Sauerstoff, Stickstoff.

3. Ätzen

Ätzprinzip: Mit einer Mischung aus HNO3 und HF wird die Unterseite und der Rand des Siliziumwafers nach der Diffusion korrodiert, das N-dotierte Silizium am Rand entfernt und die Ober- und Unterseite des Siliziumwafers voneinander isoliert.

Zweck des Ätzens: Während des Diffusionsprozesses diffundiert Phosphor zum Rand des Siliziumwafers, verursacht dort einen Kurzschluss und bildet eine Schicht aus phosphorhaltigem Siliziumdioxid (PSG) auf der Oberfläche. Das Ätzen dient dazu, den PN-Übergang am Rand und das PSG zu entfernen. Beim PERC-Batterieverfahren muss die Rückseite während des Ätzens poliert werden.

Reaktionsgleichung für das Kantenätzprinzip: Si + HNO3 + HF → H2 [SiF6] + NOx + H2O

Prozesskontrollpunkte des Ätzprozesses: ① Ätzverlust (Messgerät: elektronische Waage); ② Randleckageerkennung (Messgerät: Randleckagetester, Prüfstromwert:

Ätzmittel: Kaliumhydroxid, Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure.

4. Thermische Instandhaltung

Nach längerem Betrieb unterliegen die Komponenten der thermischen Oxidation einer Leistungsminderung, der sogenannten PID (Potential Induced Degradation). Dadurch sinkt die Leistung der Komponenten unter die Auslegungsnorm. Um PID entgegenzuwirken, muss nach dem Ätzen eine Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers aufgebracht werden. Unser Unternehmen verwendet hierfür derzeit das thermische Oxidationsverfahren, bei dem Sauerstoff mit hoher Temperatur durch ein Ofenrohr geleitet wird, um die Oberfläche zu oxidieren.

Gleichung der thermischen Oxidationsreaktion: Si + O2→ SiO2

Kontrollpunkt des thermischen Oxidationsprozesses: Hydrophilie (3~5S Diffusionsfläche ist doppelt so groß wie ursprünglich).

Materialien für die thermische Oxidation: Stickstoff, Sauerstoff.

5. Rückpassivierung

Rückseitenpassivierung: Auf der Rückseite wird Al2O3+SiNx abgeschieden; die AlOx-Schicht dient hauptsächlich der Rückseitenpassivierung zur Verbesserung von Voc und Isc; die SiNx-Schicht dient hauptsächlich dem Schutz der AlOx-Schicht, um zu verhindern, dass die rückseitige Aluminiumpaste in die Rückseitenpassivierungsschicht eindringt und deren Passivierungswirkung zerstört.

Rückpassivierungsformel: Al(CH3)3 + N2O → Al2O3 + N2 + CH4 + C + H2 SiH4 + NH3 → SiNx + H2

Zweck der Rückseitenpassivierung: Reduzierung der Rekombinationsrate der Rückseite, Verbesserung des Ansprechverhaltens der Rückseitenbatterie im langwelligen Bereich und Reparatur des Rückseitenzustands.

Materialien zur Rückpassivierung: Trimethylaluminium, Lachgas, Argon, Ammoniak, Silan.

6. PECVD

PECVD: Dabei werden Mikrowellen oder Radiofrequenzen genutzt, um das Gas, das die Atome des Films enthält, zu ionisieren und lokal ein Plasma zu erzeugen. Das Plasma ist chemisch sehr reaktiv und reagiert leicht, um den gewünschten Film (SiNx:H) auf dem Substrat abzuscheiden.

PECVD-Funktion: Bildung eines Antireflexionsfilms auf der Oberfläche der Batterie zur Verbesserung der Absorption von Sonnenlicht; Durchführung einer Oberflächen- und Körperpassivierung; Verhinderung der Korrosion der Batterie durch Metallionen, Wasser usw.; Verbesserung der Leerlaufspannung (Uoc) der Batterie; Reflexion des langwelligen Lichts zurück auf den Siliziumwaferkörper zur erneuten Absorption und Verbesserung des Kurzschlussstroms (Isc).

PECVD-Prozesskontrollpunkte: Reflektivität, Reflektivität (Messung der Instrumentenellipsenabweichung).

7. Rückseitiger Laser

Aluminiumoxid und Siliziumnitrid auf der Rückseite sind nichtleitende Materialien. Vor dem Aufbringen des rückseitigen elektrischen Feldes muss ein Teil des Aluminiumoxids und Siliziumnitrids entfernt werden, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem rückseitigen Feld und dem Siliziumsubstrat herzustellen. Das Laserrillenverfahren ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Laserstrahl gemäß einem bestimmten Muster direkt auf die rückseitige Passivierungsschicht gerichtet wird.

8. Siebdruck

Siebdruck: Elektroden und elektrische Felder auf die Oberfläche von Siliziumwafern drucken und anschließend nacheinander Rückseitenelektroden, Rückseiten-elektrische Felder und positive Elektroden drucken;

Siebdruckmaterialien: Positivelektroden-Sieb, Rückseitenelektroden-Sieb, Rückseiten-Elektrofeld-Sieb, Vorderseiten-Silberpaste, Rückseiten-Silberpaste, Rückseiten-Aluminiumpaste, Rakel.

9. Sintern

Der Zweck des Sinterns: die Herstellung eines guten ohmschen Kontakts zwischen Elektrode und Siliziumscheibe.

Der Aufbau des Sinterofens: Beladungsbereich-Trocknungsbereich-Sinterbereich-Kühlbereich-Entladebereich.

Lichtdämpfung: das Phänomen der verminderten Effizienz, die durch Licht in der Anfangsphase der Nutzung von Solarzellen verursacht wird.

Elektrische Injektionsmethode: Das Prinzip der Lichtabklingverhinderung beruht auf der Steuerung der Wertigkeit und Verteilung von Wasserstoff in Solarzellen durch elektrische Mittel, um Defekte und Verunreinigungen zu passivieren. Es handelt sich um einen durch Strom eingebrachten Wasserstoffpassivierungsmechanismus.

AOI (Automatische Optische Inspektion) steht für automatische optische Inspektion. Sie wird hauptsächlich zur Farbsortierung und Sichtprüfung von Solarzellen eingesetzt. Die AOI-Inspektion gliedert sich in zwei Teile: den optischen Teil und den Bildverarbeitungsteil. Das zu prüfende Bild wird durch den optischen Teil erfasst; der Bildverarbeitungsteil dient der Analyse, Verarbeitung und Beurteilung.

Das Grundprinzip der EL-Prüfung besteht darin, einen Vorwärtsstrom von 1-40 mA durchzulassen. Die SolarzelleDie elektrische Energie regt die Atome im Grundzustand sowohl beidseits der Wirkungs- als auch der Diffusionszone an. Die angeregten Atome sind instabil und emittieren spontan Strahlung im nahen Infrarotbereich (900–1700 nm). Der intrinsische Übergang in der spontanen Strahlung wird durch den Einfluss des Filters und den Belichtungsgrad des Films erklärt. Über den Zusammenhang zwischen Minoritätsträgerlebensdauer, -dichte und Lichtintensität lässt sich anhand des Belichtungsgrads des Films feststellen, ob Defekte im Siliziumwafer vorhanden sind.

Im IV-Test wird der Wirkungsgrad der Solarzelle unter simuliertem Sonnenlicht geprüft. Die Testbedingungen sind AM1.5, die Testtemperatur liegt zwischen 23 °C und 27 °C, die Testlichtintensität zwischen 950 W/m² und 1050 W/m². Das Testgerät muss vor Gebrauch mit einem Standardblatt kalibriert werden.

Produktionsprozess für einseitige und doppelseitige P-PERC-Batterien

MINUTE ZelleLayout

Im Jahr 2024 wird der Anteil der N-Typ-Batterien, der von TOPCon repräsentiert wird, den der P-Typ-PERC-Batterien vollständig übersteigen, und die Branche erwartet, dass der Anteil 70 % erreichen wird.

Laut einer Studie präsentierten auf der SNEC 2024 über 53 Unternehmen TOPCon-Produkte, 7 Unternehmen stellten BC-Batterieprodukte vor, während P-Typ-Batterien kaum noch zu finden waren. Innerhalb nur eines Jahres hat sich der Marktanteil von P-Typ-Komponenten also deutlich verringert, und N-Typ-Batterien haben sich mit erstaunlicher Geschwindigkeit zum verdienten Hauptakteur entwickelt.

Die Lebensdauer von PERC-Batterien neigt sich dem Ende zu. Gleichzeitig stellt sich für Photovoltaikhersteller die Frage nach der sachgemäßen Entsorgung der alten, großflächigen PERC-Produktionsanlagen.

Beispielsweise gaben die führenden Unternehmen Tongwei und Aixu bekannt, dass sie ihre PERC-Batterieproduktionslinien auf N-Typ TOPCon umgestellt haben bzw. dies planen, während Junda-Aktien die Wertminderung von Vermögenswerten priorisieren.

Laut Angaben des chinesischen Photovoltaik-Industrieverbandes erreichte der durchschnittliche Wirkungsgrad von p-Typ-PERC-Multikristallin-Siliziumzellen im Jahr 2023 21,4 %, ein Anstieg um 0,3 Prozentpunkte gegenüber 2022. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von p-Typ-PERC-Monokristallinzellen lag bei 22,7 %, ein Anstieg um 0,2 Prozentpunkte gegenüber 2022. Im Jahr 2023 verwendeten alle p-Typ-Monokristallinzellen die PERC-Technologie und erzielten einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 23,4 %, was ebenfalls einem Anstieg um 0,2 Prozentpunkte gegenüber 2022 entspricht.

Im Jahr 2023 handelte es sich bei den neu in Betrieb genommenen Massenproduktionslinien hauptsächlich um Produktionslinien für n-Typ-Zellen. Mit der schrittweisen Freigabe der Produktionskapazitäten für n-Typ-Zellen sank der Marktanteil von PERC-Zellen auf 73,0 %.

Im Jahr 2023, wenn die Größe der gängigen PERC-Zellen zunimmt, werden 9-Grid-Technologien und höher zum neuen Marktstandard werden, wobei die 9BB-Technologie etwa 12,9 % des Marktes ausmacht, die 10BB-Technologie etwa 38,4 % des Marktes und die 11BB-Technologie und höher etwa 48,7 %.

Entwicklung der Marktanteile verschiedener wichtiger Netztechnologien für PERC-Zellen von 2023 bis 2030.