下图是太阳能电池在过去60年的效率发展历程。
晶体硅太阳电池的研究是由空间太阳电池的应用所带动起来的，上个世纪四五十年代，晶体硅电池的效率发展比较缓慢，到1955年前后才突破10%，应用了浅结技术之后效率接近15%。1960-1980年间，效率提升较慢。从1985年开始，以澳大利亚新南威尔士大学为代表的科研团队开始各种技术研发的竞争，快速地推动了转换效率的提升。
下面对各个电池结构进行分析：
结构1：PESC发射极表面钝化电池结构。
主要是使用薄层SiO2钝化发射极表面。最大限度地减少发射极表面载流子复合中心，提高光生载流子的传输距离，从而提高电池的转换效率。
目前使用SiO2做PESC结构的厂商不多，个人了解到的是一些台湾厂商还有这种工艺。这是因为，目前普遍使用的SiNx减反膜本身就有比较好的钝化效果，再使用SiO2做钝化层，虽然具有一定的效果，但作用还是有限的。
此外，在工艺控制上，额外的钝化层对生产过程的洁净度要求更高。如果工艺控制不佳，SiO2成膜后其表面会出现黑点，SiNx镀膜后变成白点，造成电池外观不良，从而大幅降低良品率。
结构2：PERC钝化的发射级和背面电池结构。
在对发射极进行钝化的基础上，通过背面钝化来更进一步提升效率。在晶硅电池研究中，影响电池效率的工艺因素太多，我们一般从开路电压来判断一种电池结构是否具有潜力。电池背面全部用SiO2钝化，可以实现700mV的开压。但是背面全部钝化，铝背场和Si衬底的接触问题就难以处理。要实现良好的接触，进入必须与Si衬底实现有效的金半接触，必然会破坏钝化层，从而失去钝化效果。所以PERC电池的背面结构必须设计成局部接触的形式。所以整个PERC结构的设计核心，就在于背面的图形结构的设计。1990年PERC电池的转换效率达到23%。
结构3：PERL钝化正面的发生级，背面是局部扩散的结构。
在PERC电池基础上，为了能够进一步降低PERC电池背面金半接触电阻电阻，从而提高电池效率，研究者开始考虑对背面接触区域进行局部扩散，从而产生了PERL电池结构。
PERL电池开压优势明显，很快就超越了PERC电池，通过不断优化，其转换效率达到了24.7%，后来世界权威的测试机构Sandia又将这个数据值修正为25%，从而长期占据了晶体硅电池的世界转换效率记录。
结构4：PERT电池结构与PERL结构只有一个区别，PERL是背面局部扩散，而PERT是背面全扩散。
PERT结构在P型电池上与PERC、PERL相比没有太多优势，PERT的优势在于做N型电池。
结构5：MWT结构：电池正面没有Busbar，组件封装时电极焊接全在背面。
严格地来说MWT不属于一种电池结构设计，而属于金属电极设计。MWT将正面的Busbar去掉，减少了遮光面积，提高了光线利用率。制造工艺上，在电池打孔，金属电极穿孔而过从背面接到负电级。
MWT电池的焊接与常规电池完全不同，对组件生产线需要进行较大的改造。同时对电池制造工艺的要求也很高。用激光打孔，硅片会有应力产生，隐裂的风险大幅增加。浆料通过孔洞穿越至背面，其与P型界面接触造成短路的风险也大幅提高，电池漏电比例会大幅增加。不过MWT电池，在电池结构不变的前提下能够有效提高转换效率，这个是它最根本的优势。
结构6：IBC电池正面没有电极，电极和PN结都是在背面。
正面结构与常规电池类似，有绒面，有钝化层，有减反层；其背面N型层与P型层相互交替，在N/P界面上形成PN结。电极从N型与P型上分别导出，整个电池正面没有任何电极和Busbar，焊接从背面进行。
IBC电池，背面焊接技术与传统的不一样，电池技术也很复杂，已知阿特斯与天合在做。主要有掩膜法与离子注入法，工艺要求都比较高，成本也高。
IBC电池的成本比PERC电池还要高不少，但是由于光线的利用率高很多，转换效率上也很有优势。
结构7： HIT：技术是三洋公司的，在N型硅片衬底上先做一层本征非晶Si，再在本征层上做P型或者N型非晶硅。所以，HIT电池是一种利用薄膜工艺技术，制作的N型电池，其开压可以到725mv，效率在23%以上。
有很多中国公司也在研究三洋的HIT技术，但效率一致不太好，后来发现在衬底上做一层超薄的SiO2过渡层电池效率可以明显地提高。由于三洋的HIT技术专利已经到期，三洋公司也被收购，国内就把这种改进的HIT电池结构称作HJT电池。
三洋公司的HIT结构并未说明是否在衬底上做过SiO2，或许该工艺本身就存在氧化硅。但是衬底上做这种超薄SiO2，实现起来不难，但做到均匀、可靠就比较困难了，这最终会导致成品率的问题。
HIT电池制造工艺，对设备和过程控制要求很严格，而且制造过程中大量使用半导体清洗液，其运营成本也相当高。
2014年，松下收购三洋后，在HIT电池的技术上研发的新产品打破了25%的世界纪录。
结构8：HIT-IBC 是一种背接触技术和异质结耦合电池结构。
该结构在N型硅片衬底的背面做了一层非晶的本征层，然后在本征层上交叉地做非晶P型层和N型层，在N/P层的界面上形成PN结，分别从N型层和P型层引出电极。而电池的正面使用绒面和减反膜减反，并用钝化层钝化，正面没有任何电极和Busbar。通过这种电池结构，2014松下创造了25.57%的世界记录。
日本公司偏向于去AIST检测（日本产业技术综合研究所，产总研），而欧洲美国很少用AIST测试。国内的公司如果希望进入日本市场，AIST提供的测试数据会更让日本客户信服。
关于PERC工艺路线可以分为两种：一种是常在实验室使用的所谓强化版路线，相比普通电池技术，多了背面抛光、表面热氧化、背面的介质层生长、背面的接触区域层图形化。大规模生产中，采用简化版工艺路线居多，主要是减掉了热氧化层的步骤。
热氧化法是SiO2表面钝化最佳方法，其余的SiO2生长方案效果都不理想。但由于热氧化工艺成本较高，且外观问题不易解决，所以应用不多。
PERC电池规模化生产中，设备供应商都有配合提供工艺设计方案。设备选型，一方面是选择设备成熟度，另外一方面就是工艺成熟度。
PERC电池的核心，就是背面的钝化层（介质层）。钝化层主要是SiO2、AlOx。SiO2的缺点在于其抗腐蚀性很差，只能用热氧化法生长，成本难以下降。目前，AlOx的应用更为广泛。
AlOx的生长方案主要有 PECVD、PVD 、LPECVD、ALD等等。我们曾将市场上的所有的AlOx生长技术方案进行了对比分析，用不同的成膜工艺制作了寿命样片，通过对比寿命样片的少子寿命来分析各种成膜技术的潜力。最终发现， ALD技术的少子寿命指标明显由于比其他技术方案，排名第二位的是PECVD技术。
ALD是一种原子层沉积技术，最大的优势是成膜效果均匀稳定。针对硅表面高低起伏台阶，ALD技术可以在各个位置都保持均匀的成膜厚度和质量。
梅耶博格的设备采用的是PECVD氧化铝成膜技术，优势在于集成度很好，无论是新的设备还是改造旧设备，都可以把氧化铝与背面的氮化硅层合二为一，一次工艺路线全部成型。
梅耶博格设备的缺点，首先PECVD技术做氧化铝，工艺性能与ALD有差距，只不过电池上的差距不会特别明显，两种方案基本是0.3%左右效率差距（因为是小批量制作，所以不能排除差异是否是由其他阶段工艺导致）。采用梅耶博格设备目前效率可达20.6%。
此外，PECVD技术生长AlOx，其化学品TMA的耗量相当高，只不过目前TMA已实现国产化，成本还在可接受的范围之内。
另外，就是PECVD的粉尘：机器腔体较大，会有AlOx粉末充斥在腔体里，很难清洁。
IDEAL ENERGY应该是目前最成熟的国产ALD设备解决方案供应商。该款设备首先是板式的承载方式，生产兼容性和上下料自动化程度高；其次使用了ALD技术，能够在板式大腔体工艺路线上实现原子层沉积，这些优势导致其前景乐观。
该款设备问题在于：集成度还需要提高，目前只有一个ALD成膜方案，没有与背面氮化硅方案集成在一起。后续期待该公司的新产品。
中电的设备：中电做PERC电池较早，目前设备是当初的实验性机台，但在设计之初就预留了量产化改造的窗口。目前，中电研发团队正完全依靠自身力量进行设备改造和升级。
该设备采用原子层沉积技术，配备多种气体源管路，适用不同钝化膜的工艺研究。目前，可以做到20.8%的转换效率，后续改造完成后，还有进一步提高的空间。
群友问答：
1、单多晶的前景如何？目前业内的中电是做单多晶还是只做单晶？
关于单多晶前景：从技术角度初出发，我支持单晶。多晶的晶界是不确定因素，这种不确定因素导致多晶电池效率分布范围和效率波动比单晶电池更大。在高效电池方面，例如PERC电池结构，可以在多晶衬底上实现19.2%的转换效率。但是，由于高效电池对衬底品质的要求更高，多晶PERC的效率分布离散型会更大。
电池结构越好，对于衬底要求越高，对于单晶多晶，本身没有好坏，但是对于高效电池技术，需要稳定可靠的衬底，这方面单晶有优势。
2、什么样的电池结构比较适合未来应用与发展？
能够满足光伏行业需求的结构，才能适应未来的发展。光伏行业的根本需求是什么？是快速提高转换效率，同时降低制造成本，缩小光电与火电的差距，实现平价上网。
我们知道，制造业的成本下降，除了技术工艺本身优势之外，就是要依靠生产制造的规模效应实现成本降低。假设有一种技术，可以大幅提升电池效率，但是与现有规模化生产技术不兼容，要求将现有产线全部推翻，那么这种技术是否适合光伏行业？个人认为不适合，因为电池厂不敢贸然使用，只有新兴工厂敢尝试，但一两家新兴工厂又如何能够快速形成规模效应？
因此，能够兼容现有产线，能够大幅提高效率，能够快速工业化复制，实现大规模生产的技术才是适合现阶段形势的。PERC之所以受欢迎，就是因为它不用推翻现有产线，就能够大幅提升效率。
在PERC电池之后，PERL技术将成为技术优化的热点，因为他只在PERC工艺基础上增加了一步，只要有好的解决方案设备路线，后续市场也很广阔。
3、LID的问题：
PERC电池的光衰已经从4%降到2%左右，但普通电池的光衰只有1.5%左右，因而影响PERC应用的一个重要因素就是光衰。
新南威尔士大学和中电合作解决LID问题，已经对其基本原理已经有了比较深入的了解。目前，在行业内主流的技术方案是光照+热处理，Despatch、CT等都有类似设备提供。其基本原理就是将缺陷从衬底的体内激发出来，激发出来后，利用在介质层中的残留氢原子来钝化缺陷，达到修复目的。
题外篇：单多晶之争
最近很多人和我讨论单多晶问题。从技术角度出发，单多晶技术，只在拉晶/铸锭上有较大差别。电池、组件、系统上的技术方案基本上是通用的。有人提到RIE技术能够有效提升多晶电池效率，还能结合金刚线工艺降本。实际上，在单晶上也能用，只是单晶绒面的减反射功能已经足够好，RIE的作用无法体现。对于多晶，虽然RIE可以大幅减反，提高效率，但其效果主要在蓝光近紫外部分，做成组件后，玻璃和EVA的吸收又使得这一效果没有那么明显。未来，低成本石英玻璃和高透EVA或许可以解决这一问题，但这对单晶也一样。
多晶是为了满足低成本的需求开发的，本身也在不断优化。有段时间，“类单晶”火了一下，用铸锭法生长类似单晶的硅片。但这种技术后来退出了主流，因为有严重的品质分化问题。后来，先后有两组团队给我宣讲过他们的多晶硅片技术，一个是让多晶硅片的晶粒尽量长得更大，可以理解为“类单晶”的弱化版；另一个是让晶粒长得更小，但取向更为一致。后来，取向一致的小晶粒方案成为主流。取向一致的晶粒，其晶界位错会更小些，有利于减少复核；大晶粒方案也无法避免品质分化，无法保障产品质量稳定，这是最致命的。
有一年，公司高管批评我们研发团队只会做单晶不会做多晶。于是，我们花了相当大的力气在多晶工艺的优化和技术研发，但这个工作不好做。因为各家的片源质量不同，同一家片源不同批次的质量也不同。同一个技术方案和工艺参数，无法得出准确可靠的结论。那个时候，我们养成了留片子的**惯，一遇到质量好品质稳定的硅片，先冻结起来，留着做产品开发、技术实验和工艺验证。
硅片、电池，都只是光伏发电系统的一个组成。对于光伏系统而言，最重要的是可靠性，而可靠性需要用一致性来保证。硅片端的不一致性，会通过电池、组件两个制造环节放大，最后体现到系统端。最近几年光伏电站虽然是以多晶为主流，但已经有越来越多的人发现，在弱光效应、温度效应、以及可靠性上，单、多晶出现了越来越多的差别。
现在的高效硅片技术（掺Ga、N型），高效电池技术（PERC、PERL、PERT），高效组件技术（双面、双玻、1500V）都可以在单多晶硅片上进行应用。但是，越是高效技术，对衬底的品质要求就越高。我相信PERC多晶电池可以做到19%以上，综合其他工艺技术实现20%以上的效率也不是不可能。但是，其效率分布和工艺稳定性都会成为关键的问题。
单晶要想成为市场主流，一方面其硅片本身要能够通过技术革新实现持续的成本下降；另一方面，要实现上下游的技术整合和市场资源的整合。硅片技术和电池、组件以致系统集成技术并不是孤立的。我们在硅片、电池和组件端费尽心力提高1%的效率，在系统端可能一个不经意的排布问题就全部浪费掉了。需要打通整个工业链条才能真正发挥出作用。
感谢中电 吕俊 先生与群友们的大力分享。
吕俊，南京大学/日本国家材料研究所（NIMS）联合培养博士，NIMS青年研究员，现任中电电气（南京）光伏有限公司技术研发总监，中电电气南京电力科技有限公司总经理。
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