光伏掺镓硅片成新风向？让隆基、协鑫、晶科、中环、晶澳等都看好的技术有什么魅力?
掺镓硅片的推广将是P型路线竞争力的又一次提升，P型一直被诟病的缺点就是硼氧复合对导致的光致衰减，N型掺磷不掺硼几乎没有光致衰减。而在掺镓P型硅片推广后，彻底解决了硼氧复合对的问题，N型的优势会有所减弱。
01
前言：掺镓硅片成为行业新风向
近期，关于光伏掺镓硅片有两条头条新闻（分别来源于晶澳太阳能和隆基股份的官网）：
第一是晶澳太阳能宣布，自产高效多栅电池和组件产线全部具备切换掺镓硅片能力。早在2019年晶澳太阳能就已获得日本信越集团数项晶硅掺镓技术及P型掺镓硅片在电池片生产中的专利授权，并拥有了这些专利在多个国家和地区的使用权。
第二是隆基与日本信越化学工业株式会社正式签署全球、非排他性、包含交叉许可模式的专利许可协议，使用掺镓技术相关专利的隆基产品将在全球范围内受到保护，免于被诉。（☞☞隆基股份与日本信越集团签订掺镓相关专利许可协议）
那么为什么两家业内的一线企业几乎同时宣布大规模切换掺镓硅片呢？
02
背景原因：信越化学专利到期，国内光伏企业掌握制造能力
掺镓硅片技术源自日本信越化学，该公司在半导体硅片领域有接近30%的市占率。我们通过Google patent检索到了该专利，有欧洲和美国两个版本，都是在2000年获得专利授权的。
从有效期来看，欧洲版的专利已经失效，但美国版的专利仍在有效期之内，Google Patent显示美国版专利预计于今年6月15日到期。
一方面是信越化学的掺镓专利即将到期，另一方面，经过近几年的积累，国内的厂商也已经掌握了掺镓硅片的生产技术。
经整理可以看出，2018年在审和授权的掺镓硅片相关专利达18项，为近年来的高峰，大部分是隆基股份申请的。其他的企业如中环、晶科、晶澳、阿特斯也均有相关专利，可以认为一线的硅片企业都拥有相关的生产技术。
03
进一步解决单晶Perc电池的衰减问题，Perc电池竞争力的又一次提升
根据隆基股份披露的资料可知，光照引起的晶体硅电池光衰，一般主要有三类，一是硼氧复合体光衰BO-LID，二是高温引起的辅助衰减LeTID，三是紫外光引起的表面钝化衰减UVID。在温度较低时，硼氧复合体的光衰是掺硼p型PERC电池的主要初始光衰机制，即p型单晶电池如果使用掺硼硅片制作，BO-LID被认为是单晶电池初始光衰的最主要原因。
因为单晶硅片使用石英坩埚制作，单晶拉晶一般需要使用全熔工艺，坩埚内部的涂层不能很好的阻挡来自于石英坩埚的氧元素，在拉晶并冷却的过程中氧留在硅片中，使单晶硅片中的氧浓度一般有10ppma以上。相比之下，多晶硅片使用半熔工艺，铸锭多晶有效的涂层技术、更大的挥发面积以及较小的坩埚接触面积可以有效减少氧的扩散。
因此，一般情况下，多晶硅片只有靠近坩埚的部分有接近10ppma的氧，硅片内部的氧含量一般是单晶硅片的十分之一左右，约1ppma。因此在BO-LID上，单晶长期占劣势。在单晶PERC电池量产之前，普遍的认识是单晶产品光衰比多晶大。晶体硅组件的首年质保，常规单晶组件的首年光衰质保一般为3%，而多晶为2.5%，差异就来自于单多晶BO-LID的初始光衰不同。
在晶体硅电池进入PERC时代之后，BO-LID的影响程度进一步显现。PERC电池使用背钝化技术，增加了长波段入射光子的有效吸收，将电池效率在铝背场电池结构上提升约1%。然而电池背面产生的光生少数载流子（电子）需要经历较远的路径才可以被正面的pn结有效分离并被电极收集。因此，虽然背钝化使PERC的效率大幅提升，却由于硅片本身的BO-LID，使电池的初始光衰增大到了5%以上。
多种技术方案均被尝试应用到BO-LID的降低上。显然，降低硼含量会降低PERC电池的效率，而降低氧含量的技术会使硅片成本增加。目前产业界最常用的方法是光注入或者电注入，2006年，Konstanz University的Alex Herguth发现在较高温度的光照（光注入）或者使用正向电流（电注入），可以使BO-LID经历衰减-再生的过程，且后续持续的光照或者电注入不会使电池的开路电压下降，这就是LIR（光致再生）现象。
光注入可以使用卤素灯、LED、激光等光源。2017年，隆基联合澳大利亚新南威尔士大学、武汉帝尔激光公开了联合研发的LIR技术。
而另一解决LID的有效方法即是使用掺镓硅片，掺镓替代掺硼之后，彻底的解决了硼氧复合对的问题，能够几乎完全抑制光衰减，在高效电池上具备很大的潜力。早先由于信越化学专利限制的问题一直未能推广，今年信越化学专利到期后掺镓硅片也就迎来了批量推广的机会。
另外，除了BO-LID以外，掺镓硅片对高温之下的LeTID也有一定的抑制作用。德国Konstanz大学做了实验对比，分别测试了掺硼并进行磷（P）吸杂的电池、掺镓（Ga）并进行磷吸杂的电池在不同温度下的少子寿命（少子寿命降低说明存在光衰现象），发现掺硼和掺镓的PERC电池都存在LeTID光衰，但掺镓电池的LeTID仍然是小于掺硼电池的。
04
镓的分凝系数导致掺镓硅片电阻率较难控制，成品率略下降
我们认为掺镓硅片的推广将是P型路线竞争力的又一次提升，P型一直被诟病的缺点就是硼氧复合对导致的光致衰减，N型掺磷不掺硼几乎没有光致衰减。而在掺镓P型硅片推广后，彻底解决了硼氧复合对的问题，N型的优势会有所减弱。
在生产中，由于镓在硅中的分凝系数极低，仅为0.008，与常规的硼元素0.8的分凝系数相比，差了100倍。因为分凝系数太小，作为掺杂剂在掺杂时就难以控制浓度，也不容易准确控制晶体的电阻率，拉制目标电阻率的合格单晶晶体存在一定的难度，实际生产中掺镓硅棒的电阻率分布范围比较大，合格部分比例比普通的掺硼硅片低比较多。
目前晶澳和隆基已经基本解决了掺镓硅片电阻率范围过大的问题，但镓分凝系数低的问题仍然存在，因此成品率、单炉产出会略低于掺硼硅片，成本也会略高于掺硼硅片。但由于隆基对掺硼和掺镓硅片的报价是相同的，我们判断总的成本升高应不超过5%，折合到每瓦硅片的成本上升不超过2分钱，考虑到其在降低衰减、提高效率上的优异效果，仍然是Perc路线一次巨大的竞争力提升。
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来源：申建国电新团队
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前言：掺镓硅片成为行业新风向
近期，关于光伏掺镓硅片有两条头条新闻（分别来源于晶澳太阳能和隆基股份的官网）：
第一是晶澳太阳能宣布，自产高效多栅电池和组件产线全部具备切换掺镓硅片能力。早在2019年晶澳太阳能就已获得日本信越集团数项晶硅掺镓技术及P型掺镓硅片在电池片生产中的专利授权，并拥有了这些专利在多个国家和地区的使用权。
第二是隆基与日本信越化学工业株式会社正式签署全球、非排他性、包含交叉许可模式的专利许可协议，使用掺镓技术相关专利的隆基产品将在全球范围内受到保护，免于被诉。（☞☞隆基股份与日本信越集团签订掺镓相关专利许可协议）
那么为什么两家业内的一线企业几乎同时宣布大规模切换掺镓硅片呢？
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背景原因：信越化学专利到期，国内光伏企业掌握制造能力
掺镓硅片技术源自日本信越化学，该公司在半导体硅片领域有接近30%的市占率。我们通过Google patent检索到了该专利，有欧洲和美国两个版本，都是在2000年获得专利授权的。
从有效期来看，欧洲版的专利已经失效，但美国版的专利仍在有效期之内，Google Patent显示美国版专利预计于今年6月15日到期。
一方面是信越化学的掺镓专利即将到期，另一方面，经过近几年的积累，国内的厂商也已经掌握了掺镓硅片的生产技术。
经整理可以看出，2018年在审和授权的掺镓硅片相关专利达18项，为近年来的高峰，大部分是隆基股份申请的。其他的企业如中环、晶科、晶澳、阿特斯也均有相关专利，可以认为一线的硅片企业都拥有相关的生产技术。
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进一步解决单晶Perc电池的衰减问题，Perc电池竞争力的又一次提升
根据隆基股份披露的资料可知，光照引起的晶体硅电池光衰，一般主要有三类，一是硼氧复合体光衰BO-LID，二是高温引起的辅助衰减LeTID，三是紫外光引起的表面钝化衰减UVID。在温度较低时，硼氧复合体的光衰是掺硼p型PERC电池的主要初始光衰机制，即p型单晶电池如果使用掺硼硅片制作，BO-LID被认为是单晶电池初始光衰的最主要原因。
因为单晶硅片使用石英坩埚制作，单晶拉晶一般需要使用全熔工艺，坩埚内部的涂层不能很好的阻挡来自于石英坩埚的氧元素，在拉晶并冷却的过程中氧留在硅片中，使单晶硅片中的氧浓度一般有10ppma以上。相比之下，多晶硅片使用半熔工艺，铸锭多晶有效的涂层技术、更大的挥发面积以及较小的坩埚接触面积可以有效减少氧的扩散。
因此，一般情况下，多晶硅片只有靠近坩埚的部分有接近10ppma的氧，硅片内部的氧含量一般是单晶硅片的十分之一左右，约1ppma。因此在BO-LID上，单晶长期占劣势。在单晶PERC电池量产之前，普遍的认识是单晶产品光衰比多晶大。晶体硅组件的首年质保，常规单晶组件的首年光衰质保一般为3%，而多晶为2.5%，差异就来自于单多晶BO-LID的初始光衰不同。
在晶体硅电池进入PERC时代之后，BO-LID的影响程度进一步显现。PERC电池使用背钝化技术，增加了长波段入射光子的有效吸收，将电池效率在铝背场电池结构上提升约1%。然而电池背面产生的光生少数载流子（电子）需要经历较远的路径才可以被正面的pn结有效分离并被电极收集。因此，虽然背钝化使PERC的效率大幅提升，却由于硅片本身的BO-LID，使电池的初始光衰增大到了5%以上。
多种技术方案均被尝试应用到BO-LID的降低上。显然，降低硼含量会降低PERC电池的效率，而降低氧含量的技术会使硅片成本增加。目前产业界最常用的方法是光注入或者电注入，2006年，Konstanz University的Alex Herguth发现在较高温度的光照（光注入）或者使用正向电流（电注入），可以使BO-LID经历衰减-再生的过程，且后续持续的光照或者电注入不会使电池的开路电压下降，这就是LIR（光致再生）现象。
光注入可以使用卤素灯、LED、激光等光源。2017年，隆基联合澳大利亚新南威尔士大学、武汉帝尔激光公开了联合研发的LIR技术。
而另一解决LID的有效方法即是使用掺镓硅片，掺镓替代掺硼之后，彻底的解决了硼氧复合对的问题，能够几乎完全抑制光衰减，在高效电池上具备很大的潜力。早先由于信越化学专利限制的问题一直未能推广，今年信越化学专利到期后掺镓硅片也就迎来了批量推广的机会。
另外，除了BO-LID以外，掺镓硅片对高温之下的LeTID也有一定的抑制作用。德国Konstanz大学做了实验对比，分别测试了掺硼并进行磷（P）吸杂的电池、掺镓（Ga）并进行磷吸杂的电池在不同温度下的少子寿命（少子寿命降低说明存在光衰现象），发现掺硼和掺镓的PERC电池都存在LeTID光衰，但掺镓电池的LeTID仍然是小于掺硼电池的。
04
镓的分凝系数导致掺镓硅片电阻率较难控制，成品率略下降
我们认为掺镓硅片的推广将是P型路线竞争力的又一次提升，P型一直被诟病的缺点就是硼氧复合对导致的光致衰减，N型掺磷不掺硼几乎没有光致衰减。而在掺镓P型硅片推广后，彻底解决了硼氧复合对的问题，N型的优势会有所减弱。
在生产中，由于镓在硅中的分凝系数极低，仅为0.008，与常规的硼元素0.8的分凝系数相比，差了100倍。因为分凝系数太小，作为掺杂剂在掺杂时就难以控制浓度，也不容易准确控制晶体的电阻率，拉制目标电阻率的合格单晶晶体存在一定的难度，实际生产中掺镓硅棒的电阻率分布范围比较大，合格部分比例比普通的掺硼硅片低比较多。
目前晶澳和隆基已经基本解决了掺镓硅片电阻率范围过大的问题，但镓分凝系数低的问题仍然存在，因此成品率、单炉产出会略低于掺硼硅片，成本也会略高于掺硼硅片。但由于隆基对掺硼和掺镓硅片的报价是相同的，我们判断总的成本升高应不超过5%，折合到每瓦硅片的成本上升不超过2分钱，考虑到其在降低衰减、提高效率上的优异效果，仍然是Perc路线一次巨大的竞争力提升。
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来源：申建国电新团队
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