N型硅太陽電池總結(jié)

1、1 N型背結(jié)背接觸晶體硅電池高轉(zhuǎn)化效率機(jī)理 首先，與摻硼(B)的P型晶體硅材料相比，摻磷(P)的N型晶體硅材料具有如下優(yōu)勢：（1）N型材料中的雜質(zhì)（如一些常見的金屬離子）對少子空穴的捕獲能力低于P型材料中的雜質(zhì)對少子電子的捕獲能力。相同電阻率的N型硅片的少數(shù)載流子壽命比P型硅片的高（2）選用摻磷的N型硅材料形成的電池則幾乎沒有光致衰減效應(yīng)的存在。因此，N型晶體硅電池的效率不會隨著光照時間的加長而逐漸衰減。（3）N型材料的少子空穴的表面復(fù)合速率低于P型材料中電子的表面復(fù)合速率。因此，采用N型晶體硅材料少子空穴的復(fù)合將遠(yuǎn)低于P型材料中的少子電子的復(fù)合。（4）N型硅片對金屬污雜的容忍度要高

2、于P型硅片。對于Fe ,Cr,Co,W,Cu,Ni等金屬對P型硅片的影響均比N型硅片高。而對于Au卻是相反的。但是對于現(xiàn)代晶體制備工藝而言，Au污雜已不再是主要問題。(5)某些N型電池的生產(chǎn)工藝可以在200度以下進(jìn)行，符合低成本、高產(chǎn)量、高效率的要求。(6) N型硅電池組件在弱光下表現(xiàn)出比常規(guī)P型硅組件更優(yōu)異的發(fā)電特性。上述6大優(yōu)勢是N型晶體硅電池獲得高轉(zhuǎn)化效率的前提。按發(fā)射極的成分和形成方式區(qū)分，n型太陽電池可以分為鋁發(fā)射極、硼發(fā)射極和非晶硅晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池3類。按發(fā)射極的位置區(qū)分， n型太陽電池又可以分為前發(fā)射極和背發(fā)射極兩類。以下將對鋁背發(fā)射極、硼前發(fā)射極和硼背發(fā)射極太陽電池的研究進(jìn)

3、展進(jìn)行討論。背發(fā)射極要獲得高的 轉(zhuǎn)換效率，需要滿足 3個條件。 與傳統(tǒng)的常規(guī)電池相比，背結(jié)背接觸電池具有：（1）受光面無電極遮擋損失。（2）背電極優(yōu)化使得電池的串聯(lián)電阻提高。因此可進(jìn)一步優(yōu)化電極寬度從而達(dá)到提高串聯(lián)電阻的目的。（3）提供更好的優(yōu)化前表面陷光和實(shí)現(xiàn)極低反射率的潛力。 ( 1 ) 硅基體要具有長的體少子壽命。從圖2可以看出，體少子壽命對電池效率的影響非常明顯。當(dāng)體少子壽命從1000 # s縮短到 100 # s時，電池絕對效率下降超過4%。 ( 2 ) 太陽電池前表面要具有低摻雜濃度和低復(fù)合速率。 ( 3 ) 太陽電池背表面要具有低表面復(fù)合速率。特別是在前兩個條件已經(jīng)滿足

4、的情況下，背表面復(fù)合速率對太陽電池性能的影響變得明顯。背表面具有大面積的金屬一半導(dǎo)體界面，這種界面的表面復(fù)合速率極高。在背表面沉積鈍化介質(zhì)膜可以減小金屬一半導(dǎo)體的接觸面積，從而降低背表面復(fù)合。由于 n型單晶硅 ( F z 、 Cz )已被證實(shí)具有極長的體少子壽命，Si02、Si等鈍化介質(zhì)膜也被證實(shí)對重?fù)诫sn型硅表面具有良好鈍化效果。所以，近期的研究主要集中在電池背表面的鈍化上。前期研究發(fā)現(xiàn)，常用 的 S i O、S i介質(zhì)膜在重?fù)诫s P型硅表面上的鈍化效果并不理想，而等離子體化學(xué)氣相 沉 積 ( P E CVD)aS i和原子層沉積( AL D) Al203卻顯示出優(yōu)異的鈍化性能。 上述高效太

5、陽電池均采用了TiP dAg前電極結(jié)構(gòu)以及背表面鈍化方案 ，這種結(jié)構(gòu) 目前只能在實(shí)驗(yàn)階段實(shí)現(xiàn)。 以上結(jié)果證明鋁背發(fā)射極結(jié)構(gòu)能在 F z和 C z硅基體上獲得較高效率，但是該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到mc硅基體時效果并不理想。這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的 p - n結(jié)位于電池背表面，大量光生載流子需要從前表面附近遷移到背表面才能被內(nèi)建電場分離，mc硅材料較短的體少子壽命導(dǎo)致光生載流子在遷移過程中大量復(fù)合，從而導(dǎo)致電池效率降低。 硼前發(fā)射極太陽電池 與鋁背發(fā)射極結(jié)構(gòu)相比，少子壽命對硼前發(fā)射極太陽電池的影響較小。從這點(diǎn)看，該結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于n型mc硅等質(zhì)量較差的材料。 從 P C I D模擬結(jié)果還可以看出， 要獲得高轉(zhuǎn)換效率，必

6、須盡量降低前表面摻雜濃度和前表面復(fù)合速率，因而對擴(kuò)散和表面鈍化提出了很高要求。此外，實(shí)際應(yīng)用中，硼發(fā)射極表面金屬化也是一個有待解決的問題。以下將對這 3方面進(jìn)行討論。 ( 1 ) 硼擴(kuò)散 硼擴(kuò)散的方法很多，按硼源分，有液態(tài) BBr3。以及各種用于絲網(wǎng)印刷和旋涂的商品化硼漿 ， 從擴(kuò)散設(shè)備來分主要有管式擴(kuò)散和鏈?zhǔn)綌U(kuò)散兩種。YKo ma t s u等研究發(fā)現(xiàn)，在眾多硼擴(kuò)散方式中，用氮?dú)鈹y帶液態(tài) BBr3。進(jìn)行管式擴(kuò)散的效果最好。與其它方法相比，該方法更有利于避免金屬污染。采用該擴(kuò)散方法，硅片有效少子壽命比用其它方法擴(kuò)散的樣品高5倍以上。硼擴(kuò)散存在的一個問題是均勻性難以控制。在擴(kuò)散前期，BBr3反應(yīng)

7、生成 B2O3。后者沉積在硅片表面，并在高溫作用下擴(kuò)散進(jìn)入硅基體。這與磷擴(kuò)散時 POCl3先生成 P2 O5再沉積到硅片表面的過程相類似。不同的是P2O5在850時為氣相，可以均勻沉積在硅片表面。而 B2O3 的沸點(diǎn)較高，擴(kuò)散過程中一直處于液相狀態(tài)，難以均勻覆蓋在硅片表面，擴(kuò)散均勻性因而難以控制。 硼擴(kuò)散的另一個問題是高溫導(dǎo)致材料性能變壞。一方面，硼原子在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較低。與磷擴(kuò)散相比，硼擴(kuò)散需要用更高溫度或更長時間來獲得相同的方塊電阻。另一方面，硼前發(fā)射極太陽電池多采用磷擴(kuò)散來制作背表面場，一般還采用熱氧化方法來制作掩模。多次高溫不僅浪費(fèi)能源，還會導(dǎo)致硅片少子壽命下降。多次高溫嚴(yán)重限制了m

8、c硅的應(yīng)用。 ( 2 ) 前表面鈍化 如前所述，ALD A12O3以及PECVD a - S i 對P型硅表面具有良好的鈍化效果，但將其應(yīng)用到硼前發(fā)射極結(jié)構(gòu)時還必須考慮該介質(zhì)膜的透光率。a - S i 對短波段具有較強(qiáng)吸收，厚度不宜過大。ARichter等認(rèn)為 aSi的最佳厚度為 81 0nm。A12O3 則無論在鈍化效果還在透光率方面都比a - S i好，但是 AL D Al2O3的沉積速度較慢影響了它的應(yīng)用。VI _Mi h a i l e t c h i等用硝酸氧化生成SiO2并用PECVD沉積SiNx組成疊層鈍化膜，采用這種鈍化膜的硼前發(fā)射極太陽電池比只使用SiNx單層膜鈍化的樣品效率

9、提高2%。該疊層鈍化膜 的鈍化效果甚至比熱氧氧化SiO2和PECVD SiN的疊層膜好。 ( 3 ) 金屬化目前的商品化銀漿并不適用于硼前發(fā)射極，這是因?yàn)殂y和P型硅之間的接觸電阻較大，特別是在硼發(fā)射極表面存在“ 硼耗盡區(qū)”時。硼耗盡區(qū)是指硅片表面硼含量較低的薄層區(qū)域， 該區(qū)域的存在不利于硅片和銀電極間通過隧穿效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。RLago等。研究發(fā)現(xiàn)， 采用銀鋁漿代替銀漿料可以有效降低接觸電阻，但是在燒結(jié)過程中，發(fā)射極的部分區(qū)域會熔融到鋁當(dāng)中。這可能導(dǎo)致發(fā)射極局部區(qū)域被電極貫穿，使p-n結(jié)短路。在銀鋁漿中加入適量硅可以降低硼發(fā)射極被電極貫穿的幾率，但是摻硅的銀鋁漿導(dǎo)電性比銀漿料差，這將導(dǎo)致柵線

10、體電阻增大。在關(guān)于硼前發(fā)射極太陽電池的研究中還有一個報道值得關(guān)注，盡管很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)硼前發(fā)射極太陽電池在暴曬較長時間后沒有出現(xiàn)明顯的光致衰減，但是JZhao等在2003年發(fā)現(xiàn)，采用 n型Cz、Fz硅基體制作的硼前發(fā)射極太陽電池在存放兩三年后出現(xiàn)了嚴(yán)重的性能衰減 ， 對該樣品進(jìn)行暴曬，衰減還會加劇。目前仍然沒有足夠證據(jù)判斷上述現(xiàn)象的起因，一種解釋是硼發(fā)射極 中的硼原子與硅材料體內(nèi)或環(huán)境中的氧形成硼一氧對，從而引起光致衰減。 3 硼背發(fā)射極太陽電池 硼背發(fā)射極太陽電池結(jié)構(gòu)如圖 5所示。硼發(fā)射極位于電池背表面，可以免受紫外光照射， 避免硼發(fā)射極出現(xiàn)光致衰減。此外，位于電池背表面的P型金屬電極不會對電池

11、造成遮擋，可以通過增加電極寬度的方法來降低金屬柵線的體電阻，甚至可以采用蒸鍍鋁制作電極。由此，硼發(fā)射極的金屬化問題得以解決 。硼背發(fā)射極太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)語 對 n型晶體硅太陽電池的3種主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，所得出的 基本結(jié)論如下。 ( 1 ) 相比較而言，鋁背發(fā)射極電池制作工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前主要困難集中在背發(fā)射極表面的鈍化上。 ( 2 ) 硼前發(fā)射極電池遇到的困難較多，主要包括硼擴(kuò)散、硼發(fā)射極表面鈍化以及表面金屬化 3個方面，其長期穩(wěn)定性也有待驗(yàn)證。但是，硼前發(fā)射極不僅適用于Fz和Cz硅，還可以應(yīng)用于mc硅，這是該結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢。 ( 3 ) 硼背發(fā)射極結(jié)構(gòu)盡管與鋁背發(fā)射極結(jié)構(gòu)

12、一樣受材料質(zhì)量的制約，但是它與全背電極結(jié)構(gòu)的結(jié)合能使電池效率大幅提高。硼背發(fā)射極 結(jié)構(gòu)是一種很有前景的高效 太陽電池結(jié)構(gòu)。 PCC太陽電池圖3 SunPower 公司A-300 太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖美國 SunPower 公司利用點(diǎn)接觸( Point-contact cell , PCC)及絲網(wǎng)印刷技術(shù),于2003年研制出新一代背面點(diǎn)接觸太陽電池A-300 ,見圖 3 ,效率為 20 % ,并通過進(jìn)一步改進(jìn) ,使效率達(dá)到了 21.5%。并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。采用 N型硅材料作為襯底 ,載流子壽命在 1ms 以上。正表面沒有任何電極遮擋 ,并通過金字塔結(jié)構(gòu)及減反射膜來提高電池的陷光效應(yīng)。電池前后表面利用

13、熱氧鈍化技術(shù)生成一層 SiO2 鈍化層 ,降低了表面復(fù)合并增加了長波響應(yīng) ,從而使開路電壓得以提高。在前表面的鈍化層下又進(jìn)行了淺磷擴(kuò)散以形成 N+前表面場 ,提高短波響應(yīng)。 背面電極與硅片之間通過 SiO2 鈍化層中的接觸孔實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)接觸 ,減少了金屬電極與硅片的接觸面積 ,進(jìn)一步降低了載流子在電池背表面的復(fù)合速率 ,提高了開路電壓。較為出色的陷光、鈍化效果,以及采用了可批量生產(chǎn)的絲印技術(shù),使A-300成為新一代高效背接觸硅太陽電池的典型代表。HITTM 異質(zhì)結(jié)高效 N型硅太陽電池日本三洋公司HITTM 太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖2000 年日本三洋公司研制出 10 cm2采用 HIT( Heteroj

14、unction wit h int rinsic Thinlayer)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽能電池。在P型氫化非晶硅和N 型氫化非晶硅與N型硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜 ,采取該工藝措施后,改變了PN結(jié)的性能。因而使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.7 %,開路電壓達(dá)到 719 mV ,并且全部工藝可以在200 以下實(shí)現(xiàn)。其制備過程如下：它是利用PECVD在表面織構(gòu)的n型CZ-Si片（250µm厚）的正面沉積一層10nm厚的本征a-Si:H和P型a-Si:H層，然后再在 c-Si 片的背面沉積一層 20nm 的本征 a-Si:H 和 n 型 a-Si:H 層。利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積

15、TCO 透明導(dǎo)電膜，同時它也具有抗反射作用。然后再用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在電池的兩面制作 Ag 電極。整個制備過程都是在低于 200下進(jìn)行的。雙面結(jié)構(gòu)的 HIT 電池由于能接收到來自地面的反射光，不論地面是否光滑，它都能發(fā)出比單面電池至少多 8.1%的電能。2003 年，Sanyo 公司又把面積為 100cm2 的 HITTM 太陽電池的轉(zhuǎn)換效率的最高記錄改寫為 21.2%，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)也已獲得 18.5% 發(fā)射結(jié)鈍化-全背場擴(kuò)散（PERT）N型硅太陽電池 PERT太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖趙建華博士在澳大利亞新南威爾士大學(xué)期間設(shè)計(jì)的一種 N 型硅太陽電池。面積為 22cm2的 N 型 FZ單晶硅太陽電池

16、效率達(dá)到 21.5%。電池采用電阻率為 0.9 cm的 FZ 單晶硅片，正表面 KOH 腐蝕倒金字塔結(jié)構(gòu)，淺磷擴(kuò)散形成前表面場（FSF），背面淺硼擴(kuò)散形成發(fā)射結(jié)，然后在兩面生長高質(zhì)量的 SiO2 鈍化層，通過光刻工藝在前電極下實(shí)現(xiàn)重磷擴(kuò)散，背電極的點(diǎn)接觸處實(shí)現(xiàn)重硼擴(kuò)散。前電極采用電鍍工藝鍍銀背電極熱蒸發(fā)鋁形成點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)。最后前面沉積 ZnS/MgF2 雙層減反射薄。這種結(jié)構(gòu)的電池雖然效率不錯，但是比現(xiàn)在的 P 型硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，并不適合工業(yè)化生產(chǎn)。N+NP太陽電池 N+NP太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖 J. Schmidt, A. G. Aberle等人2006年利用幾乎和現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)P型硅太陽電池完

17、全相同的方法制備出N+NP太陽電池14。實(shí)驗(yàn)室效率為19%（4cm2前電極為蒸鋁電極），產(chǎn)業(yè)化效率為17%（100 cm2前電極為絲網(wǎng)印刷銀電極）其結(jié)構(gòu)如圖6。在N型基片上正面擴(kuò)散磷形成N+層，背面發(fā)射結(jié)是絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結(jié)而成。值得指出的是這種結(jié)構(gòu)的電池發(fā)射結(jié)在背面，少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度至少要大于基片厚度， 所以對少子壽命要求很高。 背接觸背結(jié)（BC-BJ）太陽電池 BC-BJ 太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖德國Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室的F.Granek,M.Hermle等人2008年提出下面圖7的結(jié)構(gòu)，在1cm N型FZ硅片上得到了21.3%效率15。該電池結(jié)構(gòu)采用160µm N型硅片，首先正面制備金字塔結(jié)構(gòu)，然后擴(kuò)散磷形成N+前表面場（FSF），最后用SiO2鈍化表面再鍍SiNx減射膜。背面通過擴(kuò)散阻擋層實(shí)現(xiàn)硼和磷的擴(kuò)散形成P+發(fā)射結(jié)和N+背表面場。電極都在背面，采用絲網(wǎng)印刷然后電鍍的工藝完成。 PERL太陽電池PERL N型硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖J.Benick,B.Hoex 等人采用PERL結(jié)構(gòu)8，基片采用1cm N型FZ硅片，表面制備倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)，正面擴(kuò)散硼形成P+發(fā)射結(jié)，然后在其上用Al2O3作為鈍化層20,21，上面沉積SiNx減反射膜。背面采用SiO2