北極星太陽能光伏網訊:1 前言：摻鎵矽片成為行業新風向
近期，關於光伏摻鎵矽片有兩條頭條新聞（分別來源於晶澳太陽能和隆基股份的官網）：
第一是晶澳太陽能宣布，自產高效多柵電池和組件產線全部具備切換摻鎵矽片能力。早在2019年晶澳太陽能就已獲得日本信越集團數項晶矽摻鎵技術及P型摻鎵矽片在電池片生產中的專利授權，並擁有了這些專利在多個國家和地區的使用權。
第二是隆基與日本信越化學工業株式會社正式籤署全球、非排他性、包含交叉許可模式的專利許可協議，使用摻鎵技術相關專利的隆基產品將在全球範圍內受到保護，免於被訴。
那麼為什麼兩家業內的一線企業幾乎同時宣布大規模切換摻鎵矽片呢？
2 背景原因：信越化學專利到期，國內光伏企業掌握製造能力
摻鎵矽片技術源自日本信越化學，該公司在半導體矽片領域有接近30%的市佔率。我們通過Google patent檢索到了該專利，有歐洲和美國兩個版本，都是在2000年獲得專利授權的。
從有效期來看，歐洲版的專利已經失效，但美國版的專利仍在有效期之內，Google Patent顯示美國版專利預計於今年6月15日到期。
一方面是信越化學的摻鎵專利即將到期，另一方面，經過近幾年的積累，國內的廠商也已經掌握了摻鎵矽片的生產技術。
經整理可以看出，2018年在審和授權的摻鎵矽片相關專利達18項，為近年來的高峰，大部分是隆基股份申請的。其他的企業如中環、晶科、晶澳、阿特斯也均有相關專利，可以認為一線的矽片企業都擁有相關的生產技術。
3進一步解決單晶Perc電池的衰減問題，Perc電池競爭力的又一次提升
根據隆基股份披露的資料可知，光照引起的晶體矽電池光衰，一般主要有三類，一是硼氧複合體光衰BO-LID，二是高溫引起的輔助衰減LeTID，三是紫外光引起的表面鈍化衰減UVID。在溫度較低時，硼氧複合體的光衰是摻硼p型PERC電池的主要初始光衰機制，即p型單晶電池如果使用摻硼矽片製作，BO-LID被認為是單晶電池初始光衰的最主要原因。因為單晶矽片使用石英坩堝製作，單晶拉晶一般需要使用全熔工藝，坩堝內部的塗層不能很好的阻擋來自於石英坩堝的氧元素，在拉晶並冷卻的過程中氧留在矽片中，使單晶矽片中的氧濃度一般有10ppma以上。相比之下，多晶矽片使用半熔工藝，鑄錠多晶有效的塗層技術、更大的揮發麵積以及較小的坩堝接觸面積可以有效減少氧的擴散。因此，一般情況下，多晶矽片只有靠近坩堝的部分有接近10ppma的氧，矽片內部的氧含量一般是單晶矽片的十分之一左右，約1ppma。因此在BO-LID上，單晶長期佔劣勢。在單晶PERC電池量產之前，普遍的認識是單晶產品光衰比多晶大。晶體矽組件的首年質保，常規單晶組件的首年光衰質保一般為3%，而多晶為2.5%，差異就來自於單多晶BO-LID的初始光衰不同。
在晶體矽電池進入PERC時代之後，BO-LID的影響程度進一步顯現。PERC電池使用背鈍化技術，增加了長波段入射光子的有效吸收，將電池效率在鋁背場電池結構上提升約1%。然而電池背面產生的光生少數載流子（電子）需要經歷較遠的路徑才可以被正面的pn結有效分離並被電極收集。因此，雖然背鈍化使PERC的效率大幅提升，卻由於矽片本身的BO-LID，使電池的初始光衰增大到了5%以上。
多種技術方案均被嘗試應用到BO-LID的降低上。顯然，降低硼含量會降低PERC電池的效率，而降低氧含量的技術會使矽片成本增加。目前產業界最常用的方法是光注入或者電注入，2006年，Konstanz University的Alex Herguth發現在較高溫度的光照（光注入）或者使用正向電流（電注入），可以使BO-LID經歷衰減-再生的過程，且後續持續的光照或者電注入不會使電池的開路電壓下降，這就是LIR（光致再生）現象。
光注入可以使用滷素燈、LED、雷射等光源。2017年，隆基聯合澳大利亞新南威爾斯大學、武漢帝爾雷射公開了聯合研發的LIR技術。
而另一解決LID的有效方法即是使用摻鎵矽片，摻鎵替代摻硼之後，徹底的解決了硼氧複合對的問題，能夠幾乎完全抑制光衰減，在高效電池上具備很大的潛力。早先由於信越化學專利限制的問題一直未能推廣，今年信越化學專利到期後摻鎵矽片也就迎來了批量推廣的機會。
另外，除了BO-LID以外，摻鎵矽片對高溫之下的LeTID也有一定的抑制作用。德國Konstanz大學做了實驗對比，分別測試了摻硼並進行磷（P）吸雜的電池、摻鎵（Ga）並進行磷吸雜的電池在不同溫度下的少子壽命（少子壽命降低說明存在光衰現象），發現摻硼和摻鎵的PERC電池都存在LeTID光衰，但摻鎵電池的LeTID仍然是小於摻硼電池的。
4 鎵的分凝係數導致摻鎵矽片電阻率較難控制，成品率略下降
我們認為摻鎵矽片的推廣將是P型路線競爭力的又一次提升，P型一直被詬病的缺點就是硼氧複合對導致的光致衰減，N型摻磷不摻硼幾乎沒有光致衰減。而在摻鎵P型矽片推廣後，徹底解決了硼氧複合對的問題，N型的優勢會有所減弱。
在生產中，由於鎵在矽中的分凝係數極低，僅為0.008，與常規的硼元素0.8的分凝係數相比，差了100倍。因為分凝係數太小，作為摻雜劑在摻雜時就難以控制濃度，也不容易準確控制晶體的電阻率，拉制目標電阻率的合格單晶晶體存在一定的難度，實際生產中摻鎵矽棒的電阻率分布範圍比較大，合格部分比例比普通的摻硼矽片低比較多。
目前晶澳和隆基已經基本解決了摻鎵矽片電阻率範圍過大的問題，但鎵分凝係數低的問題仍然存在，因此成品率、單爐產出會略低於摻硼矽片，成本也會略高於摻硼矽片。但由於隆基對摻硼和摻鎵矽片的報價是相同的，我們判斷總的成本升高應不超過5%，折合到每瓦矽片的成本上升不超過2分錢，考慮到其在降低衰減、提高效率上的優異效果，仍然是Perc路線一次巨大的競爭力提升。
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