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                                  效率超过20% 量产PERC电池是怎样炼成的?

                                   2020-07-26    136  

                                  受益于氧化铝钝化硅表面技术的革新,最近钝化发射极和背表面电池(PERC: Passivated Emitter and Rear Cell)概念在硅光伏工业领域显示出了复苏迹象,并推动了P型太阳能级单晶硅片(单晶硅)的应用,同时,太阳能电池转换效率在过去两年间突破了20%。而晶澳太阳能通过对工业化生产级别的PERC太阳能电池的不断研发,只需对现有传统背表面场(BSF)电池生产平台稍作改进,便能实现采用P型提拉法硅片太阳能电池的大规模生产,平均效率超过20.5%。不仅如此,实验结果还显示,同样的技术应用在基于种晶定向凝固法制备得到的高质量多晶硅(多晶硅)片的太阳能电池上,并结合陷光技术后,其大规模生产的平均效率也突破了20%。

                                  钝化发射极和背表面电池(PERC),或者严格地说是钝化发射极和背表面局部扩散(PERL)电池,一直被认为是能在单结硅片上取得高转化效率的电池结构[1]。研究发现,如果传统背表面场太阳能电池的整个背面金属电极被钝化层或叠层以及许多细小局部栅线电极所替代,则背表面的复合速率将会大幅度降低,电池在长波光段(低能量光子)的光谱响应也将有所提高,从而增加短路电流密度。此外,开路电压也将因为短路电流密度的增大和二极管背电极复合电流减小而有所提高[2,3]。通过在背部使用氧化物钝化层和局部扩散电极,结合在前表面采用倒金字塔结构和减反射膜,赵先生和他的合作者[4]在1998年报告了在使用P型浮法型硅片的单结PERC太阳能电池取得了接近25%效率。

                                  从理论上来说,PERC概念的优势在于它不必像叉指型背电极(IBC)和本征薄膜异质结(HIT)电池(可残酷Maruyama等[5]和Mulligan等[6]的文章及其引文)那样对硅片质量有非常高的要求;更重要的是,这一概念还可以应用在P型硅片上,这是光伏行业一直以来主要使用的硅片类型。然而,多年以来,PERC结构概念向大规模工业化生产晶硅太阳能电池的转变受到了严重限制,主要原因是用热氧工艺获得高质量钝化效果的技术非常复杂。此外,还需避免局部扩散工艺在不显著降低硅片质量的前提下制备局部电极,以及控制与电池生产工艺相关的制造成本。

                                  另一方面,氧化铝钝化硅表面技术是由Jaeger&Hezel[7]在将近30年前提出的。由于近年来对低成本高效率太阳能电池的需求的迅速增加,以及硅片价格的稳步降低,AI2O3钝化技术的影响力开始逐步复苏,并得到了更紧密的研究。大量研发团队已经通过实验证明AI2O3薄膜或是AI2O3/SiNx介质叠层能大幅度改善钝化效果,尤其是对于P型硅表面,从而替代常用的高温方法,后者将硅片放置于高温热氧工艺生长设备上进行混合气氛退火以形成表面钝化[8,9]。对AI2O3钝化硅表面的物理机制的理解重新激起了硅光伏研究界对PERC的研发兴趣。在前几年,得益于高产能光伏专用的基于多种沉积方法--例如空间原子层沉积(ALD)方法和等离子增强化学沉积(PECVD)方法的AI2O3沉积设备的出现以及针对光伏工业的适应性改造,已有相当多的工作(例如Kessels&Putkonen等[10]的论文及其引文)投入到了AI2O3薄膜钝化PERC电池背部的研究当中。所有这些工作都加快了PERC概念从实验室研究向大规模工业化生产高质量太阳能电池的转变速度。本文接下来将具体介绍,通过将少量额外工艺步骤--包括AI2O3/SiNx叠层在硅片背面的沉积以及通过脉冲激光开槽的方法制作局部接触电极图案-等加入到主流传统BSF电池生产工艺流程之中,可以将使用商用P型单晶硅片制成的PERC电池的平均效率稳定在20%以上。此外,晶澳太阳能在最近取得的实验结果显示,将同样的技术方法与先进陷光方案相结合,同样可以将使用铸造型多晶硅片制造的PERC电池的平均效率控制在20%左右。

                                  实验详细信

                                  PERC电池实验原料采用的是太阳能级硅片,由掺硼的P型提拉法单晶硅锭切割而成。这些硅片面积采用典型商用尺寸,通常为156mm×156mm,厚度为180±10μm,而体阻抗则均在1.0-3.0Ω-cm之间。


                                  图一显示了PERC电池的器件结构。该电池结构除了背部之外,其余部分均与传统全覆盖BSF电池相同。电池前表面涂覆了一层均匀的发射极(重掺杂n+层),是在使用各向异性刻蚀法对硅片表面进行制绒后在其上面进行热扩散磷元素掺杂而成的。

                                  在发射极顶部,有一层由PECVD工艺沉积而成的SiNx层,起到减少反射光和对前表面进行钝化的作用;接着还在表面沉积大量与发射极直接接触的金属(Ag)电极栅线。而电池背部则是由AI2O3/SiNx电介质叠层覆盖着的,位于顶部厚度较大的铝层则作为导电电极。电介质叠层的制作过程分成两步,首先是使用ALD或PECVD工艺在裸硅表面沉积一层非常薄的AI2O3(~5-25nm);紧接着使用PECVD工艺沉积一层较厚(≥100nm)的SiN层。

                                  通过脉冲激光工艺在AI2O3/SiNx叠层上划开一系列凹槽可以实现铝与硅片的接触。凹槽图案是预先设计好的,电极只能透过凹槽才能实现与硅片的接触。而重P+掺杂区域正好处于开槽区域下面,因此形成了所谓的局部背表面场(LBSF)。通过该方法,电极数目以及金属电极总面积和硅在Al金属化(形成电接触)期间的溶解都能得到很好控制。

                                  图二的截面SEM(扫描电子显微镜)图展示了一个PERC电池背部的局部电极细节。从图中可以看到,厚厚的Al层通过丝网印刷工艺印刷在硅片背表面上,位于顶部的AI层与其下面的Si衬底没有直接的接触,因为它们被一层AI2O3/SiNx叠层(厚度太薄而无法在图中显示出来)所分开,只是通过一个碗状的凹槽穿透电介质层伸入Si体内部。凹槽区域是由Al与Si由名为“共烧结过程”[11]的快速热处理形成的合金,该结构也被称为LBSF。该结构的特点之一是AI和Si之间的欧姆阻抗非常低。在共烧结过程中,电池前表面丝网印刷Ag栅线也同时在高温条件下穿透SiN与n 发射极直接接触。结果与讨论  ALD和PECVD这两种工艺都能用于在硅片表面沉积氧化铝薄膜。实验结果显示在金属化之前背表面的复合速率可以被很好地控制在100cm/s以下,而开路电压(iVoc)则在680-690mV之间轻微波动。考虑到本次研究所使用硅片的质量,以及制绒表面远远大于实际硅片面积的情况,这些数据与文献[12](可参考Werner等[13]所写文章及其引文)所报告的结果非常吻合。

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