高效N型背結前接觸和背結背接觸晶體硅太陽能電池

1、前瞻晶體硅太陽能電池未來產(chǎn)業(yè)化高效N型背結前接觸和背結背接觸晶體硅太陽能電池  編輯 陳晨 張巍 賈銳 張代生 邢釗   發(fā)表于：2012-11-05   來源：中國科學院微電子研究所太陽能電池研究中心摘要：Solarbe(索比)光伏太陽能網(wǎng)訊：摘要 文章綜述了N型背結背接觸和背結前接觸晶體硅太陽能電池的研究和產(chǎn)業(yè)化的最新進展。從原理上闡述了N型背結背接觸電池高效率的原因。從研究的角度，綜述和點評了國際上個研究小組在N型背結前接觸晶體硅電池方面的研究工作。論述了絲網(wǎng)印刷Al燒結法制備N型背結背接

2、觸電池方面的研究進展。關鍵詞 ：N型晶體硅，背結背接觸，背結前接觸，絲網(wǎng)印刷Al燒結，太陽能電池 0 引言 截至目前，世界上量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率超過20%的電池有兩種，均制備在磷(P)摻雜的N型單晶硅襯底上。2010年，美國SunPower公司的D. D. Smith 等人成功實現(xiàn)了面積為125×125 mm 2 的N 型背結背接觸(Back-junction Back-contact)單晶硅太陽能電池，其轉(zhuǎn)化效率高達24.2%。這成為了目前世界上量產(chǎn)效率最高的晶體硅電池結構之一。另一種 N 型電池是日本 Panasonic公司的HIT(Hetero-junction I

3、ntrinsic Thin-film)電池，量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率為 23%。展望未來，轉(zhuǎn)化效率超過 20%的N型晶體硅電池已成為傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池的發(fā)展趨勢，是當今國際研究和產(chǎn)業(yè)化的前沿。 本文旨在綜述N型背結背接觸和背結前接觸晶體硅太陽能電池的研究和產(chǎn)業(yè)化的最新進展。從原理上闡述N型背結背接觸電池高效率的原因。從研究的角度，綜述和點評了國際上個研究小組在N型背結前接觸晶體硅電池方面的研究工作。論述了Al推進法制備N型背結背接觸電池方面的研究進展。采用成本和效率兩個衡量標準考量這一技術方案的應用前景。并對未來進一步提高N型晶體硅電池的轉(zhuǎn)化效率給出了建議。 1 N 型背結背接觸晶體

4、硅電池高轉(zhuǎn)化效率機理首先，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。（2）選用摻磷的N型硅材料形成的電池則沒有光致衰減效應的存在。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合速率低于P型材料中電子的表面復合速率。因此，采用N型晶體硅材料少子空穴的復合將遠低于P型材料中的少子電子的復合。上述三大優(yōu)勢是 N 型晶體硅電池獲得高轉(zhuǎn)化效率的前提。其次，背結背接觸也是此類電池的另一重要特征。與傳統(tǒng)的常規(guī)電池相比，背結

5、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。因此可進一步優(yōu)化電極寬度從而達到提高串聯(lián)電阻的目的。（3）提供更好的優(yōu)化前表面陷光和實現(xiàn)極低反射率的潛力。 2 高效率 N 型背結前接觸太陽能電池的研究 在N型晶體硅太陽能電池中，背結前接觸電池是目前較容易產(chǎn)業(yè)化的方向之一，如圖1所示。早在 2009 年，荷蘭國家能源研究中心(ECN)采用液態(tài) B 擴散技術在 N 型太陽能級襯底上形成背部p 型發(fā)射極，并實現(xiàn)了N型 125×125cm 2電池片的規(guī)?；a(chǎn)。然而，采用液態(tài)B擴散技術存在著擴散溫度過高(9501000oC)，擴散均勻性

6、差，表面摻雜濃度低不易形成很好的電極接觸等諸多問題。因此，研究人員開始尋求其他形成pn結的技術用來替代液態(tài)B擴散，制備N型高效電池。 Al燒結技術在P型晶體硅電池中被廣泛應用于形成鋁背場，是產(chǎn)業(yè)化中非常成熟的技術之一，它采用了絲網(wǎng)印刷Al漿燒結形成pn結。絲網(wǎng)印刷機和高溫燒結爐都是目前p型晶體硅電池生產(chǎn)所采用的設備，因此和目前生產(chǎn)線具有完全的兼容性。此外，該工藝還具有制備工藝步驟少的特點，和液態(tài)B擴散相比具有相當?shù)某杀緝?yōu)勢，具有很好的產(chǎn)業(yè)化應用前景。然而，將絲網(wǎng)印刷Al漿燒結工藝用在N型電池中形成p型發(fā)射極還處在研究階段。在工藝條件優(yōu)化方面還存在很多有待解決的問題，因此，國際上不少研

7、究機構都開展了相應的前沿研究。 圖 1：N型背結前接觸太陽能電池結構示意圖 2.1 德國弗朗霍夫太陽能研究所 (Fraunhofer ISE, German) 對于絲網(wǎng)印刷Al漿燒結工藝形成p型發(fā)射極及其在高效N型電池應用方面，德國弗朗霍夫太陽能研究所開展了大量的研究工作。2008 年，該研究所的Christian Schmiga等人在 EUPESEC大會上發(fā)表了采用Al推進技術制備N型背結前接觸電池的計劃，其效率預計會突破 20%。在背結前接觸N型高效電池中大多采用n + np +結構，前表面采用P擴散的方式形成n +淺表面場，擴散后的方塊電阻達到：1

8、20。注意到在Al推進形成N型電池的發(fā)射極工藝方面，高溫鏈式燒結后，背發(fā)射極表面的Al漿料和Al-Si共晶層被濃HCl和KOH溶液腐蝕去掉。通過該工藝優(yōu)化了背發(fā)射極表面的摻雜濃度達到10 19 cm -3，通過隨后生長的疊層介質(zhì)膜鈍化發(fā)射極表面降低復合。除此之外，絲網(wǎng)印刷用的Al漿料成分、厚度、質(zhì)量等，還有隨后的燒結條件都需要特別的優(yōu)化和設計以確保N型背發(fā)射結的特性。 2009年第24屆 EUPVSEC 大會上，Christian Schmiga等人報道了大規(guī)模生產(chǎn)的面積為148.5 cm 2的N型背結前接觸電池，量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率達到18.2%。該電池仍然沿用了絲網(wǎng)印刷Al漿料高溫燒結形

9、成p型發(fā)射極技術。前表面的電極則是采用氣溶膠印刷種子層然后電鍍實現(xiàn)的。同年，該研究所的Michael Rauer等人發(fā)表文章分別研究了該電池的兩大關鍵技術：Al推進形成p型發(fā)射結的優(yōu)化和發(fā)射極的表面鈍化優(yōu)化。文章重點研究了在絲網(wǎng)印刷Al高溫燒結后形成的發(fā)射極表面采用Al2O3和氫化非晶硅(a-Si:H)鈍化薄膜的特性。該文章認為燒結峰值溫度的持續(xù)時間極大影響了p型發(fā)射極的特性，時間過長或過短都不能形成完美的pn結，并且指出當燒結峰值時間增加時，結深會隨之增加，最終背結前接觸電池的開路電壓則表現(xiàn)出下降的趨勢。實驗證明采用DuPont PV322 的Al漿料經(jīng)燒結后的Al-p型發(fā)射極結深為3 &#

10、181;m，在經(jīng)過Al2O3鈍化后的開路電壓達到685mV。2011年，該研究小組的Robert Woehl等人通過測試發(fā)射極飽和電流密度的方式進一步研究和優(yōu)化了絲網(wǎng)印刷Al高溫燒結形成p型發(fā)射極的特性。 N型背結前接觸電池的受光面(前表面)存在一個n + /n結(前表面場)。它的摻雜濃度和結深無法形成很好的歐姆接觸，導致串聯(lián)電阻增加影響最終的填充因子和轉(zhuǎn)化效率。2010 年，德國ISFH的Robert Bock等人首次引入了電極下方的高摻雜區(qū)以解決此問題。隨后，弗朗霍夫研究所的Marc Rudiger 等人也采納了該方案，開展了相關研究。 2.2 中國科學院微電子研究所太

11、陽能電池研究中心 從2009年，中國科學院微電子研究所利用自主研發(fā)的鋁漿料，通過鏈式燒結爐推進形成Al-p +發(fā)射極。在N型太陽能級硅襯底上制備了背結前接觸太陽能電池。目前，已研發(fā)了四代N型高效背結前接觸太陽能電池，開路電壓達到620mV。此外，從機理上通過模擬研究了優(yōu)化該電池結構的方案，并通過改變燒結條件和絲網(wǎng)印刷鋁漿的質(zhì)量研究了對電池的影響。圖2展示了我所太陽能研究中心研制的高效N型背結前接觸太陽能電池。 圖2: 中科院微電子研究所太陽能研究中心采用Al推進法形成p型發(fā)射極，研制的高效N型背結前接觸太陽能電池 3 高效N型插指背結背接觸(Interdigita

12、ted Back Contact Solar Cell, IBC)太陽能電池的研究N型插指背接觸太陽能電池的所有電極完全分布在電池的背面，受光面沒有任何電極。和傳統(tǒng) P 型晶硅電池相比，IBC電池完全消除了遮光損失，電池的光吸收特性可進一步得以優(yōu)化。除此之外，這一特點也為電極的接觸特性提供了優(yōu)化的空間，IBC電池的串聯(lián)電阻普遍低于傳統(tǒng)電池。因此，IBC電池在光吸收和電極接觸特性兩個方面都優(yōu)于P型晶體硅電池，是目前效率突破20%的N型高效電池結構之一(美國的SunPower公司于2011年報道了產(chǎn)業(yè)化的N型高效IBC電池，轉(zhuǎn)化效率達到22.4%)。 目前，在IBC電池中用于形成pn結的

13、工藝主要有：液態(tài)B擴散、絲網(wǎng)印刷Al燒結、B離子注入等。下表1總結了這三種工藝的研究和產(chǎn)業(yè)化前景。從表1分析可以看出，目前已經(jīng)用于產(chǎn)業(yè)化初步生產(chǎn)的是液態(tài)B擴散技術。然而，絲網(wǎng)印刷Al燒結形成pn技術的成本最低，也是最接近產(chǎn)業(yè)化的技術。對于絲網(wǎng)印刷Al燒結技術如果能夠?qū)⒆罱KIBC電池的效率提高到20%以上則非常具有產(chǎn)業(yè)化前景。因此，國際相關研究機構也紛紛將研究的重點集中在了采用絲網(wǎng)印刷Al燒結技術形成p型發(fā)射極上，此方面的典型代表為美國佐治亞理工大學。此外，在IBC電池的研究和產(chǎn)業(yè)化方面比較突出的研究機構有：德國的弗朗霍夫、ISFH 研究所、比利時IMEC等。但是，每個研究所的研究側(cè)重點有所不同

14、，各具特色，從中可以了解到絲網(wǎng)印刷Al燒結技術在IBC電池方面的應用現(xiàn)狀和未來產(chǎn)業(yè)化前景。 3.1 美國佐治亞理工大學光伏研究與教育中心 美國佐治亞理工大學光伏研究與教育中心早在2001年便開展的了關于絲網(wǎng)印刷Al形成p型發(fā)射極的研究工作了，是國際上開展此項研究工作較早的機構之一，工作非常系統(tǒng)。但是，遺憾的是該研究組并沒有開展Al-p+型發(fā)射極的IBC電池的應用研究。研究的方向主要有兩個：1、不同的燒結峰值溫度和絲網(wǎng)印刷Al層厚度對Al-p+發(fā)射極的結深和均勻性的影響。在V. Meemongkolkiat等人發(fā)表的文章中給出了形成p型發(fā)射極所需要的燒結溫度和絲網(wǎng)印刷Al層厚

15、度。并通過實驗系統(tǒng)的研究了對傳統(tǒng)P型晶體硅電池的開路電壓的影響。隨著Al層厚度的增加，峰值燒結溫度的降低，最終電池的開路電壓隨之增加，最高值可達到634 mV。 該研究小組還研究并發(fā)表了絨面和非絨面上進行絲網(wǎng)印刷Al漿料后燒結形成p型發(fā)射極的對比數(shù)據(jù)。從對比結果看在絨面上，電池的開路電壓會受到燒結工藝的影響，但是在非絨面的襯底上這種影響就可忽略不計。這為隨后的IBC電池的特性優(yōu)化提供了實驗依據(jù)。 3.2 德國弗朗霍夫太陽能研究所 (Fraunhofer ISE, German) 早在2008年，F(xiàn). Granek等人在第23屆EUPVSEC大會上就公布了采用液態(tài)B

16、擴散技術形成的N型IBC電池，制備在N型FZ襯底上的IBC電池實驗室效率高達21.3%。早在當時該研究所已經(jīng)掌握了N型IBC電池高效率的關鍵技術和核心。文章指出：前表面場的表面摻雜和濃度分布、發(fā)射區(qū)的面積比例、p型發(fā)射極的摻雜濃度和分布是優(yōu)化電池效率的關鍵。除此之外，N型單晶硅襯底的少子壽命和表面復合速率、背表面pn結的鈍化和隔離、電極的高溫燒結等也是保證高效率必不可少的因素。二維Mapping光電轉(zhuǎn)化效率測試(LBIC)表明：發(fā)射極具有很高的量子效率，在電池背部應增加發(fā)射極的面積，但應該和圖形的周期對應共同優(yōu)化。2011年，J. Krause等人系統(tǒng)的研究了絲網(wǎng)印刷Al燒結形成p型發(fā)射極，試

17、圖將絲網(wǎng)印刷技術應用于IBC電池的p型發(fā)射極的形成工藝中。該研究系統(tǒng)的分析了Al在高溫燒結過程中與Si的反應過程，進而研究了燒結條件如：Al 絲網(wǎng)印刷層的厚度、峰值燒結溫度、帶速等對p型結深的影響。通過電化學電容-電壓(ECV)測試出結深和表面濃度的變化規(guī)律。 隨后，R. Woehl 等人采用絲網(wǎng)印刷Al燒結工藝在N型FZ單晶硅襯底上制備了適合大規(guī)模量產(chǎn)的IBC電池，面積為16.65cm2的電池的轉(zhuǎn)化效率為19.7%。N型FZ單晶硅襯底的厚度為190 µm。整個工藝流程共12步，采用和產(chǎn)業(yè)化兼容的設備完成。注意到：IBC電池最終的p型發(fā)射極和n型電極接觸是通過共燒結完成的，

18、極大節(jié)省了工藝步驟。由于IBC電池多采用插指結構，n型電極(Ag 漿料)和p型電極(Al漿料)交叉分布在電池的背表面。需采購可精確對準的絲網(wǎng)印刷機完成n和p電極的兩次印刷。在成本控制方面，除了常規(guī)P型晶硅電池的設備外，一條采用絲網(wǎng)印刷Al燒結技術形成p型發(fā)射極的50MW插指背接觸IBC電池生產(chǎn)線，還要添置圖形化燒蝕SiN x的激光設備，或者研制低成本適合絲網(wǎng)印刷的抗HF酸腐蝕劑。完成電池后的總工藝步驟可以控制在10步之內(nèi)，最終產(chǎn)業(yè)化電池的轉(zhuǎn)化效率有望突破20%。 3.3 德國ISFH研究中心 (Institute fur Solarenergieforschung Hameln,Ge

19、rman ) 德國ISFH研究中心的R. Bock 等人在2010年宣布了采用絲網(wǎng)印刷Al燒結形成的p型發(fā)射極的N型IBC電池，N型單晶CZ硅(厚度：150 µm)的IBC電池的轉(zhuǎn)化效率達到19.0%。在該文章中，作者經(jīng)過二維數(shù)學模擬得到采用此技術的IBC 電池的最終極限轉(zhuǎn)化效率可高達21.6%。前表面場采用熱氧化的SiOx 和PECVD生長的SiNx鈍化，背表面則采用兩種鈍化方案：1、SiOx (10nm)/SiNx(150nm) 2、AlOx (20nm)/SiNx (150nm)。為了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化他們嘗試了采用皮秒激光器選擇性的腐蝕掉SiN層，取代了成本很高的光刻技術。

20、該電池的結構示意圖如圖3所示。圖3：ISFH面積為3.97cm 2的IBC電池結構圖 RBock等人早在2008年就已經(jīng)深入研究了絲網(wǎng)印刷Al燒結形成的Al-p+型發(fā)射極。采用了如二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)、電化學電容-電壓(ECV)和掃描電子顯微鏡(SEM)研究了Al在高溫燒結后硅界面的形貌以及硅表面的p型發(fā)射極的結深。該研究論文首次觀察到了在高溫燒結后的硅表面形成了類似小金字塔形狀的尖峰，進一步對這一尖峰進行觀察發(fā)現(xiàn)外層被100200nm的硅層覆蓋，內(nèi)部則完全是Al內(nèi)核。 該研究小組還非常關注絲網(wǎng)印刷燒結形成的Al-p+型發(fā)射極的表面鈍化的優(yōu)化工作。通過發(fā)射區(qū)飽和電流研

21、究了非晶硅鈍化的Al摻雜的p型發(fā)射極的鈍化特性。研究小組對高溫燒結后，通過去除表面殘余的Al漿料，然后去除Al-Si共晶層后的表面采用PECVD沉積20nm的非晶硅層鈍化，得到了490±120 fA/cm2的發(fā)射極飽和電流。該鈍化方案有望進一步提高IBC電池的開路電壓。 3.4 比利時微電子研究中心(IMEC, Belgium) 比利時微電子研究中心主要從科研角度，以高效率作為目的，采用不被產(chǎn)業(yè)接受的高成本技術，如光刻、電子束蒸發(fā)等方法制備絲網(wǎng)印刷Al燒結p型發(fā)射極的IBC電池，這成為IMEC不同于德國研究機構的特點。2010年，龔春(Chun Gong)等人在N

22、型300 µm厚度的CZ硅襯底上制備了面積為4.5cm2的Al-p+發(fā)射極IBC電池，效率達到19.1%。在發(fā)表的文章中，系統(tǒng)的研究了IBC電池中的前表面場對電池的特性影響(不同的表面摻雜濃度和雜質(zhì)分布，如圖4所示)。從效率的對比試驗結果發(fā)現(xiàn)：第三組樣品的前表面場(表面摻雜濃度：1×10 19 cm -3，結深：0.5µm)IBC電池的效率最高，主要原因是短路電流提高，其最高值可達到39.3mA/cm2。除此之外，本文還研究測試了發(fā)射區(qū)的光電轉(zhuǎn)化效率，結果表明發(fā)射區(qū)的轉(zhuǎn)化效率較基區(qū)高，因此在設計中應該盡量增加發(fā)射區(qū)的比例，從而得到更高的短路電流。 圖 4：前表面場的SIMS縱向摻雜濃度分布 值得注意的是：在IBC電池的制備過程中，該研究小組使用了微電子工藝如：分別在定義n型區(qū)域和電極的形成工藝兩次用到了光學光刻。這是處于保證較高效率的需要，但是同時帶來了產(chǎn)