N型硅太陽電池總結剖析

1、1 N型背結背接觸晶體硅電池高轉化效率機理 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（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。（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結太陽電池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

3、展進行討論。背發(fā)射極要獲得高的 轉換效率，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。 ( 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

4、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。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。由于 n型單晶硅 ( F z 、 Cz )已被證實具有極長的體少子壽命，Si02、Si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 S i O、S i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 ( 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)。 以上結果證明鋁背發(fā)射極結構能在 F z和 C z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。 硼前發(fā)射極太陽電池 與鋁背發(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。 從 P C I D模擬結果還可以看出， 要獲得高轉換效率，必

6、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。YKo ma t s u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

7、生成 B2O3。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 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m

8、c硅的應用。 ( 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 - S i 對短波段具有較強吸收，厚度不宜過大。ARichter等認為 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，但是摻硅的銀鋁漿導電性比銀漿料差，這將導致柵線

10、體電阻增大。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。 3 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

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)射極太陽電池結構示意圖 結語 對 n型晶體硅太陽電池的3種主要結構進行了分析，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，主要包括硼擴散、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)定性也有待驗證。但是，硼前發(fā)射極不僅適用于Fz和Cz硅，還可以應用于mc硅，這是該結構的一大優(yōu)勢。 ( 3 ) 硼背發(fā)射極結構盡管與鋁背發(fā)射極結構

12、一樣受材料質量的制約，但是它與全背電極結構的結合能使電池效率大幅提高。硼背發(fā)射極 結構是一種很有前景的高效 太陽電池結構。 PCC太陽電池圖3 SunPower 公司A-300 太陽電池結構示意圖美國 SunPower 公司利用點接觸( Point-contact cell , PCC)及絲網(wǎng)印刷技術,于2003年研制出新一代背面點接觸太陽電池A-300 ,見圖 3 ,效率為 20 % ,并通過進一步改進 ,使效率達到了 21.5%。并實現(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 ,并通過金字塔結構及減反射膜來提高電池的陷光效應。電池前后表面利用

13、熱氧鈍化技術生成一層 SiO2 鈍化層 ,降低了表面復合并增加了長波響應 ,從而使開路電壓得以提高。在前表面的鈍化層下又進行了淺磷擴散以形成 N+前表面場 ,提高短波響應。 背面電極與硅片之間通過 SiO2 鈍化層中的接觸孔實現(xiàn)了點接觸 ,減少了金屬電極與硅片的接觸面積 ,進一步降低了載流子在電池背表面的復合速率 ,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,使A-300成為新一代高效背接觸硅太陽電池的典型代表。HITTM 異質結高效 N型硅太陽電池日本三洋公司HITTM 太陽電池結構示意圖2000 年日本三洋公司研制出 10 cm2采用 HIT( Heteroj

14、unction wit h int rinsic Thinlayer)結構異質結太陽能電池。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結的性能。因而使轉換效率達到20.7 %,開路電壓達到 719 mV ,并且全部工藝可以在200 以下實現(xiàn)。其制備過程如下：它是利用PECVD在表面織構的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。利用濺射技術在電池的兩面沉積

15、TCO 透明導電膜，同時它也具有抗反射作用。然后再用絲網(wǎng)印刷技術在電池的兩面制作 Ag 電極。整個制備過程都是在低于 200下進行的。雙面結構的 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)射結鈍化-全背場擴散（PERT）N型硅太陽電池 PERT太陽電池結構示意圖趙建華博士在澳大利亞新南威爾士大學期間設計的一種 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 腐蝕倒金字塔結構，淺磷擴散形成前表面場（FSF），背面淺硼擴散形成發(fā)射結，然后在兩面生長高質量的 SiO2 鈍化層，通過光刻工藝在前電極下實現(xiàn)重磷擴散，背電極的點接觸處實現(xiàn)重硼擴散。前電極采用電鍍工藝鍍銀背電極熱蒸發(fā)鋁形成點接觸結構。最后前面沉積 ZnS/MgF2 雙層減反射薄。這種結構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太陽電池結構示意圖 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。實驗室效率為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）其結構如圖6。在N型基片上正面擴散磷形成N+層，背面發(fā)射結是絲網(wǎng)印刷鋁漿燒結而成。值得指出的是這種結構的電池發(fā)射結在背面，少數(shù)載流子的擴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（BC-BJ）太陽電池 BC-BJ 太陽電池結構示意圖德國Fraunhofer實驗室的F.Granek,M.Hermle等人2008年提出下面圖7的結構，在1cm N型FZ硅片上得到了21.3%效率15。該電池結構采用160µm N型硅片，首先正面制備金字塔結構，然后擴散磷形成N+前表面場（FSF），最后用SiO2鈍化表面再鍍SiNx減射膜。背面通過擴散阻擋層實現(xiàn)硼和磷的擴散形成P+發(fā)射結和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型硅太陽電池結構示意圖J.Benick,B.Hoex 等人采用PERL結構8，基片采用1cm N型FZ硅片，表面制備倒金字塔陷光結構，正面擴散硼形成P+發(fā)射結，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SiO