钙钛矿电池工艺技术概述

锂电联盟会长 2023-12-03 13:05

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过去在60多年的时间里,已经有三代太阳能电池发展出来。第一代是以硅材料为基本材料的太阳能电池,是目前最成熟的主流商业电池;第二代是薄膜太阳能电池,以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池为代表,相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势,但部分因素也限制了这类电池的发展,如部分材料储量稀少或有毒性,制备过程复杂等;第三代为新型太阳能电池,主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。

钙钛矿电池在2009年才首次诞生,但因其在理论转换效率、发电能力、低生产成本、多应用场景等方面的优秀潜力,在学术界和产业界受到了大量的关注和重视。从2021年到2022年,钙钛矿领域投资额已经接近100亿元。在之前的几年中,据Web of Science统计,其上所发表研究的钙钛矿文章的数量增加到了惊人的10000篇/每年。

和晶硅电池一样,钙钛矿电池产业化进程将经历从0-1再从1-N过程,即从实验室、中试线、100MW产线到GW量产线逐步实现大规模化。目前钙钛矿电池产业仍处于从0-1阶段,但产业化进程不断提速。

一、单节钙钛矿电池工艺技术

1. 技术路线

单结钙钛矿电池作为薄膜电池的一种,为各类膜层堆叠三明治结构。其中,钙钛矿电池吸光层制备工艺总体参照硅基薄膜、铜铟镓硒薄膜等薄膜光伏制备工艺,分为湿法工艺和干法工艺两大类。其中,湿法工艺又包括狭缝涂布和丝网印刷。

湿法工艺溶液涂布法具有原料利用率高,成本较低,生产速率快,设备兼容度较高,钙钛矿层配方变化对涂布设备无底层改动要求等优势;而干法工艺真空镀膜法具有大面积厚度和均匀性更好控制,对基底平整度要求低等优势,理论上或适合晶硅叠层路线。

通常情况下钙钛矿电池企业在实验室阶段各种技术路线均会尝试进行初步论证,而走向大面积100MW中试产线时目前大多数企业选用湿法工艺进行钙钛矿组件制备,少数企业选择干法或涂布加蒸镀两步法工艺。无论选择哪种工艺技术路线,都还需要时间进行工艺包优化论证为实现GW级规模产业化做准备。

除吸光层外,单结钙钛矿电池核心层还包括电子传输层、空穴传输层。电子传输层和空穴传输层沉积技术路线较为相似,基本包括PVD(包含磁控溅射和蒸镀法),反应等离子沉积(RPD)和狭缝涂布三种。目前,产业界制备钙钛矿核心层主流路线包括PVD→>狭缝涂布(丝网印刷)→>RPD(PVD)、PVD→>PVD(气相沉积)→RPD(PVD)、PVD→狭缝涂布+PVD(蒸镀)→>RPD(PVD)三大类,不同技术路径均有优缺点,尚未形成统一的技术路径。

2. 涂布法钙钛矿电池整线工艺流程

涂布法钙钛矿电池整线生产工艺,分为前段电池制备和后端组件封装,累计超过30多个环节。前段工艺主要包括前电极制备、激光划线、钙钛矿吸光层、电子传输、空穴传输、背电极制备等,其中钙钛矿吸光层最为关键。后段工艺主要包括胶带贴合,丁基胶涂敷、层压及接线盒焊接、检测等工序。

二、钙钛矿叠层电池工艺技术

1. 晶硅/钙钛矿叠层电池

目前,TOPCon凭借较高的性价比、提效路径清晰等优势,率先大规模量产,进入推广红利期。相比TOPCon电池,异质结有更高的理论转换效率、更简化的工艺流程。TOPCon和异质结效率提升已趋近物理极限,与钙钛矿电池叠层将进一步推动光伏电池技术迭代发展。

目前晶硅/钙钛矿叠层电池处于研究阶段,在电池结构,制备工艺以及效率和成本上都将发生变化其中高效双端钙钛矿/TOPCon叠层电池技术挑战包括:1)TOPCon底电池P+发射极结构及钝化性能提升:2)TOPCon底电池n+poly界面形貌及光学性能提升:3)钙钛矿顶电池正面光学性能提升。

目前业界钙钛矿/TOPCon叠层电池企业研发如下针对性改善:1)单面抛光为钙钛矿生长提供低粗糙度平面,提升钙钛矿顶电池成膜品质和效率,同步提升TOPCon的Voc(钝化性能)和效率:2)超薄Poly-Si(多晶硅)减小吸光损失。Poly- Si可减薄至小于15nm,提升叠层电池效率,提升叠层电池稳定性。另外,TOPCOn电池高温制备,稳定性好,钙钛矿传输层可选择稳定性更好的高温制备膜层。

异质结/钙钛矿面临的工艺难点主要是电池绒面晶硅保角钙钛矿沉积,HJT与钙钛矿层,从器件结构,制备工艺和关键装备上二者完全匹配,只需要在低温金属化工艺之前增加四道钙钛矿工艺即可完成叠层制备。

2. 薄膜/钙钛矿叠层电池

CIGS是传统商业薄膜电池技术之一,窄带隙宽度可调,能与钙钛矿顶电池带隙匹配。CIGS电池的典型结构为衬底/Mo/CIGS(p型)/CdS(n型)/ZnO,这种极性结构限制了顶部钙钛矿只能是p-i-n(反式)结构。CIGS通常通过真空方法沉积,导致表面粗糙,因此挑战之一是在粗糙的CIGS电池表面保形生长钙钛矿顶子电池,或通过增加表面后处理工艺或者优化CIGS吸收层的沉积工艺改善表面粗糙度。

来源:91研报

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