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焦点热文:TOPCON路线之争:晶科、钧达LPCVD和与通威、晶澳的PECVD谁主沉浮

2022-11-21 08:51:18来源:海涵财经

TOPCon当前主要技术路线中,LPCVD(LowPressureChemicalVaporDeposition,低压力化学气相沉积法)技术成熟、良率稳

TOPCon当前主要技术路线中,LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,低压力化学气相沉积法)技术成熟、良率稳定,行业认可度较高,目前占据相对主导地位;PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,离子体增强化学的气相沉积法)虽然良率较低,但成膜速度快、绕镀小。有光伏行业分析师认为,2022年下半年或到2023年上半年,PECVD的技术突破值得关注。

Topcon的技术核心

在讲清楚这个问题之前,先要回顾一下TOPCON电池的核心结构。


(资料图)

Topcon电池的核心原理,就是在Pert的结构上多增加两层结构。

图中蓝色部分,超薄隧穿氧化硅层,是Topcon电池片结构的精髓;利用量子隧穿效应,既能让电子顺利通过,又可以阻止空穴的复合。

图中红色部分,掺杂多晶硅层,共同形成背面钝化接触效应。

典型的Topcon电池的制备流程,见下图。

从上图可以看出,Topcon电池的制备工艺,核心就是图中的棕色部分,亦即薄膜沉积工艺。

薄膜沉积:CVD技术路线之争

对于Topcon电池片设备而言,其他工序可以和原有的PERC电池片共享或者稍作升级。

但薄膜沉积工艺是Topcon电池技术的核心,在技术路线选择上,要尤其慎重。

PVD:物理气相沉积。顾名思义,就是使用蒸镀、溅射这些物理方式,使目标材料在基底上成膜。

CVD:化学气相沉积。和PVD不同,通过化学反应,在硅片表面形成一层固体薄膜。

从目前的几家主流的电池片厂商所采用的研发或者生产路线来看,大家不约而同的选择了CVD技术路线。其中不同的,是在CVD细分方向上的选择。

先来比较一下最主流的两种技术路线:LPCVD和PECVD。

无论采用哪一种技术路线,核心要解决的问题,就是尽量用更低的能耗、更快的速度、更好的质量来形成薄膜沉积。

而从常识出发,我们可以知道这是一个不可能三角,不可能有一种解决方案同时满足所有要素。

LPCVD

上图是一个典型的LPCVD的例子。所谓LP就是英文低压(Low Pressure)的缩写。

我们知道在常压下,气体分子运动速率快于化学反应速率,成膜时反应不完全形成孔洞,影响成膜质量。

通过真空泵将炉腔内抽成低压,而低压使得在适当温度下,分子的运动速率慢于化学反应速率,提高了成膜质量。

PECVD

PECVD同样也是CVD技术,差异在于PE(Plasma Enhancd),中文翻译就是等离子增强气相沉积。

与之前提到的抽低压技术不同,PECVD的工艺核心是在反应炉外增加一个可变频率的电场,也就是上图的RF+Match部分。

施加的电场把目标材料源气体电离,增加气体活性,实现在不升高温度的前提下提高气体的反应速率

ALD

PVD、CVD、ALD 技术均为薄膜气相沉积技术,但其工艺原理有所区别。

其中 PVD 是利用物理过程实现镀膜,CVD 和 ALD 均是通过化学反应制备固态物质实现镀膜。

ALD (Atomic Layer Deposition)技术是一种特殊的真空薄膜沉积方法,具有较高的技术壁垒。

通过ALD 镀膜设备可以将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面,每镀膜一次/层为一个原子层,根据原子特性,镀膜 10 次/层约为 1nm。

读起来可能有点拗口,用图例可能会看得更清晰一点。

对照上图,我们可以看到ALD主要分为几个步骤的循环。

铝源注入:加热后的三甲基铝(TMA)蒸汽注入为金属铝源,其中TMA包含一个铝原子+三个前驱体原子。

气体清洗一:使用惰性气体,将多余的 TMA 蒸气和反应副产物甲烷带出反应室。

氧源注入:水蒸气脉冲进入反应室和 TMA 前驱体吸附的表面继续进行表面化学反应。

气体清洗二:清洗气体把多余的水蒸气和反应副产物甲烷带出反应室。

上面的过程循环往复,每次循环实现镀膜一层原子,直到镀到目标厚度停止。

使用ALD设备镀膜,可以实现三大优点,即三维共形性、均匀性(致密且无孔)、原子级的厚度控制。

最终镀成的膜,长成这样,尤其适合不规则形状的均匀镀膜。

从上图可以明显的看到,由于镀膜质量不均匀一开始PVD技术就出局了。

而CVD和ALD技术,在改进后还在一争高下。

当然,ALD技术良好的成膜质量,也是以牺牲了成膜速度为代价的。

在工业化量产的领域,则需要寻找质量、效率、经济性的平衡点

TOPCON电池流程厂商简单梳理

制绒(捷佳伟创,金舟)。硼扩(拉普拉斯做得最好,北方华创,捷佳伟创也会做),背面碱抛光(捷佳伟创,金舟)。

背面隧穿氧化层和多晶硅层沉积(LPCVD,PECVD,PVD三种路线),LPCVD先通过热氧化方式长1-1.5nm的遂穿氧化层,再长本征非晶硅层,结合磷扩散,形成掺杂多晶硅层。PECVD先用PECVD方式长1-1.5nm的遂穿氧化层,再长掺杂非晶硅层,厚度约为100-150nm之间。

PVD方式和PECVD差不多。LPCVD做的最好的是拉普拉斯,PECVD做的比较好的是捷佳伟创和红太阳两家,北方华创和金辰其次,红太阳的设备在通威,晶澳,中来都有在试用demo机,PEALD微导在做,由于隧穿氧化层通过有机硅的方式实现生长,成本会更高,PEALD这条路线未来不会选择。PVD中来在做。

退火,掺杂非晶硅层晶华,形成掺杂多晶硅。磷从非激活态变成激活态刻蚀清洗,链式设备把表面PSG去掉,再通过碱刻蚀把正面绕镀的多晶硅去掉,然后做槽式清洗,把正面的BSG掩膜,背面PSG掩膜去掉(捷佳伟创,金舟等)正面氧化铝钝化,管式ALD(捷佳,微导)或板式ALD(理想)。正背面氮化硅钝化,管式PECVD(捷佳,红太阳)。丝网印刷,在正背面形成金属化电极(迈为,科隆威,捷佳伟创)。电注入或光注入(迈为,奥特维,科隆威)。测试分选(迈为等)

写在最后

从技术原理来看,三种技术路线在新型电池技术领域都有应用空间,其中 PVD 应用环节相对单一,CVD 和 ALD 可能的应用环节较多。

捷佳伟创、金辰股份是为数不多同时布局LPCVD、PECVD设备的企业。2022年4月,捷佳伟创在接受机构投资者调研时表示,公司在TOPCon技术路线上进行了全面布局,能够提供包含LPCVD及PE-poly在内的TOPCon整线工艺设备及配套的自动化设备,目前两种设备均在客户端使用情况良好。

金辰股份管式PECVD样机已试用于晶澳科技、晶科能源等客户。该公司N型TOPCon 电池平均效率大于24%,最高效率 24.5%。

效率上限决定了何种电池技术路径有更长远的利润释放,是电池技术路径升级的判断标准,而成本决定了短期何种电池技术可以最早实现量产。

另外除工艺设备外,激光设备也是TOPCon产业链不可忽视的环节。

“激光在硼扩当中的应用是最近关注度比较高的新技术,理论上一次硼扩技术可以把TOPCon电池效率提升0.4个百分点,目前实际应用是在0.2个百分点,未来可能还有0.2个百分点的效率提升空间。如果效率能够持续提升,该技术也能够在TOPCon领域得到大规模的应用。”上述光伏行业分析师称。

帝尔激光产品包括激光扩硼设备。公司是激光加工设备龙头,2020年完成TOPCon硼掺与开膜技术工艺论证。

材料方面,银浆国产化将帮助TOPCon进一步降本。目前,TOPCon银浆国产化率仅约20%,国产化进程亟待加速。

据帝科股份2021年年报,公司“N型TOPCon电池硼扩发射极接触银铝浆产品开发”已处于中试阶段;2022年5月,帝科股份在互动平台表示,公司应用于TOPCon电池的成套导电银浆已实现大规模量产出货。

当然实验室理论和工业量产,永远不是同一件事,一切没有规模化量产印证的技术都是泡沫。

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责任编辑:hnmd004