高效N型背結(jié)前接觸和背結(jié)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(jié)前接觸和背結(jié)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(xué)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(jié)背接觸和背結(jié)前接觸晶體硅太陽能電池的研究和產(chǎn)業(yè)化的最新進(jìn)展。從原理上闡述了N型背結(jié)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(jié)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(jié)法制備N型背結(jié)背接

2、觸電池方面的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞 ：N型晶體硅，背結(jié)背接觸，背結(jié)前接觸，絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)，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(jié)背接觸(Back-junction Back-contact)單晶硅太陽能電池，其轉(zhuǎn)化效率高達(dá)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(jié)構(gòu)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(dāng)今國際研究和產(chǎn)業(yè)化的前沿。 本文旨在綜述N型背結(jié)背接觸和背結(jié)前接觸晶體硅太陽能電池的研究和產(chǎn)業(yè)化的最新進(jìn)展。從原理上闡述N型背結(jié)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(jié)前接觸晶體硅電池方面的研究工作。論述了Al推進(jìn)法制備N型背結(jié)背接觸電池方面的研究進(jìn)展。采用成本和效率兩個衡量標(biāo)準(zhǔn)考量這一技術(shù)方案的應(yīng)用前景。并對未來進(jìn)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(jié)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(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。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(jié)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(jié)

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(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)化前表面陷光和實現(xiàn)極低反射率的潛力。 2 高效率 N 型背結(jié)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(jié)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(kuò)散技術(shù)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)模化生產(chǎn)。然而，采用液態(tài)B擴(kuò)散技術(shù)存在著擴(kuò)散溫度過高(9501000oC)，擴(kuò)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(jié)的技術(shù)用來替代液態(tài)B擴(kuò)散，制備N型高效電池。 Al燒結(jié)技術(shù)在P型晶體硅電池中被廣泛應(yīng)用于形成鋁背場，是產(chǎn)業(yè)化中非常成熟的技術(shù)之一，它采用了絲網(wǎng)印刷Al漿燒結(jié)形成pn結(jié)。絲網(wǎng)印刷機和高溫?zé)Y(jié)爐都是目前p型晶體硅電池生產(chǎn)所采用的設(shè)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(kuò)散相比具有相當(dāng)?shù)某杀緝?yōu)勢，具有很好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。然而，將絲網(wǎng)印刷Al漿燒結(jié)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(gòu)都開展了相應(yīng)的前沿研究。 圖 1：N型背結(jié)前接觸太陽能電池結(jié)構(gòu)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(jié)工藝形成p型發(fā)射極及其在高效N型電池應(yīng)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(jìn)技術(shù)制備N型背結(jié)前接觸電池的計劃，其效率預(yù)計會突破 20%。在背結(jié)前接觸N型高效電池中大多采用n + np +結(jié)構(gòu)，前表面采用P擴(kuò)散的方式形成n +淺表面場，擴(kuò)散后的方塊電阻達(dá)到：1

8、20。注意到在Al推進(jìn)形成N型電池的發(fā)射極工藝方面，高溫鏈?zhǔn)綗Y(jié)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(dá)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(fù)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(jié)條件都需要特別的優(yōu)化和設(shè)計以確保N型背發(fā)射結(jié)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(jié)前接觸電池，量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.2%。該電池仍然沿用了絲網(wǎng)印刷Al漿料高溫?zé)Y(jié)形

9、成p型發(fā)射極技術(shù)。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(guān)鍵技術(shù)：Al推進(jìn)形成p型發(fā)射結(jié)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?zé)Y(jié)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(rèn)為燒結(jié)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(jié)，并且指出當(dāng)燒結(jié)峰值時間增加時，結(jié)深會隨之增加，最終背結(jié)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(jié)后的Al-p型發(fā)射極結(jié)深為3 &#

10、181;m，在經(jīng)過Al2O3鈍化后的開路電壓達(dá)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(jìn)一步研究和優(yōu)化了絲網(wǎng)印刷Al高溫?zé)Y(jié)形成p型發(fā)射極的特性。 N型背結(jié)前接觸電池的受光面(前表面)存在一個n + /n結(jié)(前表面場)。它的摻雜濃度和結(jié)深無法形成很好的歐姆接觸，導(dǎo)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(guān)研究。 2.2 中國科學(xué)院微電子研究所太

11、陽能電池研究中心 從2009年，中國科學(xué)院微電子研究所利用自主研發(fā)的鋁漿料，通過鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐推進(jìn)形成Al-p +發(fā)射極。在N型太陽能級硅襯底上制備了背結(jié)前接觸太陽能電池。目前，已研發(fā)了四代N型高效背結(jié)前接觸太陽能電池，開路電壓達(dá)到620mV。此外，從機理上通過模擬研究了優(yōu)化該電池結(jié)構(gòu)的方案，并通過改變燒結(jié)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(jié)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(jìn)法形成p型發(fā)射極，研制的高效N型背結(jié)前接觸太陽能電池 3 高效N型插指背結(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(dá)到22.4%)。 目前，在IBC電池中用于形成pn結(jié)的

13、工藝主要有：液態(tài)B擴(kuò)散、絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)、B離子注入等。下表1總結(jié)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(kuò)散技術(shù)。然而，絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)形成pn技術(shù)的成本最低，也是最接近產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。對于絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)技術(shù)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(guān)研究機構(gòu)也紛紛將研究的重點集中在了采用絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)技術(shù)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(xué)。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(gòu)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(jié)技術(shù)在IBC電池方面的應(yīng)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(xué)光伏研究與教育中心 美國佐治亞理工大學(xué)光伏研究與教育中心早在2001年便開展的了關(guān)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(gòu)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(yīng)用研究。研究的方向主要有兩個：1、不同的燒結(jié)峰值溫度和絲網(wǎng)印刷Al層厚度對Al-p+發(fā)射極的結(jié)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(jié)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(jié)溫度的降低，最終電池的開路電壓隨之增加，最高值可達(dá)到634 mV。 該研究小組還研究并發(fā)表了絨面和非絨面上進(jìn)行絲網(wǎng)印刷Al漿料后燒結(jié)形成p型發(fā)射極的對比數(shù)據(jù)。從對比結(jié)果看在絨面上，電池的開路電壓會受到燒結(jié)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(kuò)散技術(shù)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(dá)21.3%。早在當(dāng)時該研究所已經(jīng)掌握了N型IBC電池高效率的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵。除此之外，N型單晶硅襯底的少子壽命和表面復(fù)合速率、背表面pn結(jié)的鈍化和隔離、電極的高溫?zé)Y(jié)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(yīng)增加發(fā)射極的面積，但應(yīng)該和圖形的周期對應(yīng)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(jié)形成p型發(fā)射極，試

17、圖將絲網(wǎng)印刷技術(shù)應(yīng)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?zé)Y(jié)過程中與Si的反應(yīng)過程，進(jìn)而研究了燒結(jié)條件如：Al 絲網(wǎng)印刷層的厚度、峰值燒結(jié)溫度、帶速等對p型結(jié)深的影響。通過電化學(xué)電容-電壓(ECV)測試出結(jié)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(jié)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(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)，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(zhǔn)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(shè)備外，一條采用絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)技術(shù)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(shè)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(jié)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(dá)到19.0%。在該文章中，作者經(jīng)過二維數(shù)學(xué)模擬得到采用此技術(shù)的IBC 電池的最終極限轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)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(shù)。

20、該電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖3：ISFH面積為3.97cm 2的IBC電池結(jié)構(gòu)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(jié)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(xué)電容-電壓(ECV)和掃描電子顯微鏡(SEM)研究了Al在高溫?zé)Y(jié)后硅界面的形貌以及硅表面的p型發(fā)射極的結(jié)深。該研究論文首次觀察到了在高溫?zé)Y(jié)后的硅表面形成了類似小金字塔形狀的尖峰，進(jìn)一步對這一尖峰進(jìn)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(guān)注絲網(wǎng)印刷燒結(jié)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?zé)Y(jié)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(jìn)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(shù)，如光刻、電子束蒸發(fā)等方法制備絲網(wǎng)印刷Al燒結(jié)p型發(fā)射極的IBC電池，這成為IMEC不同于德國研究機構(gòu)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(dá)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(jié)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(jié)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(dá)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(jié)果表明發(fā)射區(qū)的轉(zhuǎn)化效率較基區(qū)高，因此在設(shè)計中應(yīng)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(xué)光刻。這是處于保證較高效率的需要，但是同時帶來了產(chǎn)