n型晶體硅太陽電池最新研究進展的與評估

1、n型晶體硅太陽電池最新研究進展的分析與評估 2011-09-29 14:12:10 瀏覽：25338 次 來自： 分享：摘要：n型晶體硅具有體少子壽命長、無光致衰減等優(yōu)點，非常適合制作高效低成本太陽電池。結合PC1D模擬，對n型晶體硅太陽電池的最新研究成果進行了分析，指出n型晶體硅太陽電池要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須先解決P型硅表面鈍化、硼擴散和硼發(fā)射極金屬化等問題。最后預測了n型晶體硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化前景。關鍵詞：n型晶體硅；太陽電池；PC1D模擬0引言P型晶體硅太陽電池一直是光伏市場的主力，目前只有Sunpower和Sanyo公司以n型晶體硅制作太陽電池。2008年n型晶體硅太陽電池產(chǎn)量只占晶體硅太陽

2、電池總產(chǎn)量的8%。盡管如此，Sunpower的IBC(Interdigitatedback-con-tacted)電池以及Sanyo的HIT(Heter0junctionwithintrinsicthinlayer)電池卻是目前效率最高的兩款商品化太陽電池，轉換效率都在20%以上，實驗室效率更是高達23%，表明n型太陽電池在低成本高效太陽電池方面具有良好的發(fā)展?jié)摿?。本文將對近年來n型晶體硅太陽電池在材料性質、器件結構以及工藝技術方面的研究進展進行分析和評述。1材料性質發(fā)展初期，太陽電池主要應用于航天領域，所以在選擇基體時必須考慮材料的抗輻射能力。1963年Bell實驗室發(fā)現(xiàn)在高能輻射下n型太陽

3、電池性能衰減嚴重，穩(wěn)定后的轉換效率低于類似結構的P型太陽電池。這一結果使P型太陽電池成為太空應用的優(yōu)先選擇，其電池結構和生產(chǎn)技術得到不斷完善。在隨后太陽電池轉向地面應用的過程中，P型太陽電池結構得到沿用，P型晶體硅太陽電池成為主流。但是，在地面應用中并不存在太空輻射的威脅，因此P型晶體硅并不一定是最佳選擇。近年的研究成果證實了這一點。一方面，P型晶體硅在地面應用中仍然存在衰減，而n型晶體硅的性能則更為穩(wěn)定。早在1973年HFischer等就發(fā)現(xiàn)剛制作好的P型硼摻Cz硅太陽電池在光照下會出現(xiàn)明顯的性能衰減。1997年JSchmidt等證實硼摻雜Cz硅出現(xiàn)的光致衰減是由硼氧對導致的。由于n型磷摻雜

4、Cz硅中硼含量極低，所以由硼氧對所導致的光致衰減并不明顯。這一點已經(jīng)被很多實驗結果驗證。另一方面，在太陽能級硅材料中，n型晶體硅比P型晶體硅具有更長的少子壽命。據(jù)JZhao等報道，不同體電阻率的n型Cz硅少子壽命都在1ms以上，遠遠高于P型Cz硅的水平，甚至比P型Fz硅的少子壽命還要長。據(jù)ACuevas等報道，n型me硅的少子壽命達l00s，經(jīng)過磷吸雜后，可以提升到1ms。DMacdonald等對此進行了解釋：因為鐵等常見金屬雜質對電子的俘獲截面比對空穴的俘獲截面大，所以在低注人情況下，n型硅比P型硅具有更長的少子壽命。n型晶體硅的上述優(yōu)點引起了研究人員的興趣，使得n型晶體硅太陽電池在結構和工

5、藝方面獲得了快速發(fā)展。2電池結構與工藝按發(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結太陽電池3類。后者與前兩種結構差異較大，本文不作討論。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展進行討論。21鋁背發(fā)射極太陽電池圖1為鋁背發(fā)射極n型太陽電池結構示意圖。如圖1(a)所示，鋁背發(fā)射極太陽電池的結構與傳統(tǒng)P型太陽電池幾乎一樣，只是基體導電類型有所區(qū)別。為了了解鋁背發(fā)射極太陽電池的特性，采用PCID軟件對該結構進行模擬(參數(shù)設置為：硅片厚度200m；體電阻率3cm；擴散曲線模型

6、Erfc；光學部分由光線跟蹤軟件進行模擬)，結果如圖2所示。從模擬結果可以得出，要獲得高的轉換效率，需要滿足3個條件。(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。當體少子壽命從1000s縮短到100s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合速率。(3)太陽電池背表面要具有低表面復合速率。特別是在前兩個條件已經(jīng)滿足的情況下，背表面復合速率對太陽電池性能的影響變得明顯。圖1(a)所示結構的背表面具有大面積的金屬一半導體界面，這種界面的表面復合速率極高。在背表面沉積鈍化介質膜可以減小金屬一半導體的接觸面積，從而降低背表面復合

7、，所以圖1(b)所示的結構更有利于獲得高轉換效率。由于n型單晶硅(Fz、Cz)已被證實具有極長的體少子壽命，Si02、SiNx等鈍化介質膜也被證實對重摻雜n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Si02、SiNx介質膜在重摻雜P型硅表面上的鈍化效果并不理想，而等離子體化學氣相沉積(PECVD)a-SiE和原子層沉積(ALD)Al2O3卻顯示出優(yōu)異的鈍化性能。2008年CSchmiga等采用Al2O3Si02疊層介質膜鈍化電池背表面，在1Ocm、4cm2的Fz硅片上制作出效率達2O1%的鋁背發(fā)射極太陽電池。這是鋁背發(fā)射極太陽電池的最高效率。在

8、同樣結構上，采用a-SiSi02疊層介質膜進行背表面鈍化的樣品轉換效率為195%。2009年RBock等采用a-Si鈍化電池背表面，在3cm、4cm2。的Cz硅片上制作出鋁背發(fā)射極太陽電池，效率達200%。與參考文獻相比，盡管該電池并沒有采用陷光效果更好的倒金字塔結構，也沒有采用鈍化效果更好的Al203鈍化膜，但是該電池的效率只比最高效率低01。更值得注意的是，此結果是在Cz硅片上獲得的，表明n型晶體硅太陽電池在低成本高效太陽電池領域具有良好的發(fā)展前景。上述高效太陽電池均采用了TiPdAg前電極結構以及背表面鈍化方案，這種結構目前只能在實驗階段實現(xiàn)。為了滿足產(chǎn)業(yè)化要求，2006年CSchmig

9、a等采用絲網(wǎng)印刷前、背電極的方式制作了如圖1(a)所示的電池結構，在4cm、100cm2的Cz硅上獲得170%的轉換效率。以上結果證明鋁背發(fā)射極結構能在Fz和Cz硅基體上獲得較高效率，但是該結構應用到mc硅基體時效果并不理想。這是因為該結構的p-n結位于電池背表面，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建電場分離，mc硅材料較短的體少子壽命導致光生載流子在遷移過程中大量復合，從而導致電池效率降低。22硼前發(fā)射極太陽電池硼前發(fā)射極太陽電池的基本結構如圖3所示。采用PC1D軟件對該結構進行模擬(背表面復合速率SR一105cms-1，其余模擬參數(shù)與圖2一樣)，得到如圖4所示的結果。與鋁背

10、發(fā)射極結構相比，少子壽命對硼前發(fā)射極太陽電池的影響較小。從這點看，該結構適合應用于n型mc硅等質量較差的材料上。從PCID模擬結果還可以看出，要獲得高轉換效率，必須盡量降低前表面摻雜濃度和前表面復合速率，因而對擴散和表面鈍化提出了很高要求。此外，實際應用中，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方面進行討論。(1)硼擴散硼擴散的方法很多，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，從擴散設備來分主要有管式擴散和鏈式擴散兩種。YKomatsu等研究發(fā)現(xiàn)，在眾多硼擴散方式中，用氮氣攜帶液態(tài)BBr3。進行管式擴散的效果最好。與其它方法相比，該方法更有利于避免金屬

11、污染。采用該擴散方法，硅片有效少子壽命比用其它方法擴散的樣品高5倍以上。硼擴散存在的一個問題是均勻性難以控制。在擴散前期，BBr3。反應生成B203。，后者沉積在硅片表面，并在高溫作用下擴散進入硅基體。這與磷擴散時P0Cl3。先生成P2O5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的沸點較高，擴散過程中一直處于液相狀態(tài)，難以均勻覆蓋在硅片表面，擴散均勻性因而難以控制。硼擴散的另一個問題是高溫導致材料性能變壞。一方面，硼原子在硅中的擴散系數(shù)較低。與磷擴散相比，硼擴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

12、多采用磷擴散來制作背表面場，一般還采用熱氧化方法來制作掩模。多次高溫不僅浪費能源，還會導致硅片少子壽命下降。多次高溫嚴重限制了mc硅的應用。(2)前表面鈍化如前所述，ALDA1203。以及PECVDa-Si對P型硅表面具有良好的鈍化效果，但將其應用到硼前發(fā)射極結構時還必須考慮該介質膜的透光率。a-Si對短波段具有較強吸收，厚度不宜過大。ARichter等認為a-Si的最佳厚度為810nm。A1203則無論在鈍化效果還在透光率方面都比a-Si好，但是ALDA1203。的沉積速度較慢，影響了它的應用。VD._Mihailetchi等用硝酸氧化生成Si02并用PECVD沉積SiNx組成疊層鈍化膜，采

13、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提高2%。該疊層鈍化膜的鈍化效果甚至比熱氧氧化Si02和PECVDSiNx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，這是因為銀和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來實現(xiàn)歐姆接觸。RLago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，但是在燒結過程中，發(fā)射極的部分區(qū)域會熔融到鋁當中。這可能導致發(fā)射極局部區(qū)域被電極貫穿，使p-n結短路。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

14、是摻硅的銀鋁漿導電性比銀漿料差，這將導致柵線體電阻增大。盡管存在以上問題，研究人員仍然開發(fā)出大量新材料、新工藝，使硼發(fā)射極太陽電池的性能得到不斷完善。2002年JZhao等采用PERT結構，在09cm、4cm2的Fz硅上制作出效率達219%的硼前發(fā)射極太陽電池。該電池采用TCA氧化以及Alneal工藝進行鈍化，開路電壓達695mV，顯示出良好的鈍化效果。采用同樣結構，JZhao還在不同體電阻率的Cz硅片上制作PERT電池，其效率都在210%以上。2008年JBenick等采用PERL結構，在1cm、4cm2的Fz硅上制作出效率達234%的硼前發(fā)射極太陽電池。該電池硼發(fā)射極采用ALDA12O3。

15、進行鈍化，開路電壓達7036mV。234%的轉換效率是目前n型硅太陽電池的最高記錄，而且這個效率是在未采用選擇性發(fā)射極結構的情況下獲得的。2009年在未對硅基體進行制絨的情況下，ARichter等通過優(yōu)化a-Si鈍化膜厚度和硼發(fā)射極摻雜工藝，在1cm、4cm2的Fz硅上制作出如圖3所示的硼前發(fā)射極太陽電池，轉換效率達178%。該電池的特別之處在于采用了COSIMAE金屬化工藝。該工藝先在a-Si鈍化膜上蒸鍍鋁電極，在隨后的退火過程，電極下的a-Si溶解到鋁中，使鋁電極與硅基體接觸。采用COSIMA工藝，電池的填充因子達到8O2，表明這種金屬化工藝應用在硼擴散發(fā)射極上的效果良好。2009年YKo

16、matsu等采用硼發(fā)射極與磷背表面場同時擴散的方法，在1.8cm、156cm2的n型mc硅上制作出圖3所示結構的硼前發(fā)射極太陽電池，效率達164%。該電池采用絲網(wǎng)印刷銀鋁漿的方法實現(xiàn)硼發(fā)射極的金屬化，并采用了前文所述的硝酸氧化Si02PECVDSiNx疊層介質膜作鈍化。這一結果證明硼前發(fā)射極太陽電池不僅適用于Fz和Cz硅，還可以應用于更為便宜的mc硅，因此具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。在關于硼前發(fā)射極太陽電池的研究中還有一個報道值得關注，盡管很多實驗證實硼前發(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

17、年后出現(xiàn)了嚴重的性能衰減，對該樣品進行暴曬，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或環(huán)境中的氧形成硼一氧對，從而引起光致衰減。23硼背發(fā)射極太陽電池硼背發(fā)射極太陽電池結構如圖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。2006年JZhao等在12cm、22cm2的n型Fz硅片上制作出效率達227%的背發(fā)射極PERT太陽電池，采用相同結構，在

18、4555cm的n型Cz硅上制作的樣品效率達2O8%。據(jù)WPMulligan等報道，Sunpower公司采用光刻技術制備的IBC電池轉換效率超過23，而采用大規(guī)模生產(chǎn)技術制作的149cm2樣品最高效率為215%，平均效率超過2O%。IBC電池是一種特殊的硼背發(fā)射極太陽電池，其最大特點是所有電極均位于電池背表面，這樣可以減少前電極造成的遮光損失。IBC電池的背表面由硼擴散P+區(qū)域和磷擴散n+區(qū)域呈十指交叉狀分布，表面覆蓋SiO2鈍化介質膜，P型和n型金屬電極透過SiO2介質膜上的孔槽與硅基體接觸。SunpowerIBC電池成功地實現(xiàn)商品化證明硼背發(fā)射極太陽電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但與鋁背發(fā)射極太陽電池一樣，由于其p-n結位于電池背表面，所以必須采用高少子壽命的硅材料作為基體。這在一定程度上限制了該電池結構的發(fā)展。3結語本文對n型晶體硅太陽電池的3種主要結構進行了分析，并對近年的相關研究成果進行了比較和評估，所得出的基本結論如下。(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