高效低成本的單晶N型太陽電池加工工藝的應(yīng)用

郎芳

摘要：本文從提升N型太陽能電池發(fā)電效率入手，分析了目前N型電池效率損失的原因，通過對其正背面降低復(fù)合來提升其轉(zhuǎn)換效率。介紹了單晶N型電池新工藝以提升電池效率，通過采用氧化鋁鈍化技術(shù)和選擇性背場技術(shù)的結(jié)合，使得單晶N型電池的平均效率達(dá)到20.5%，從成本方面看相對于傳統(tǒng)的N型單晶電池加工工藝有一定的優(yōu)勢。高效率低成本的電池的應(yīng)用對于日后要開發(fā)的小型戶用系統(tǒng)有非常積極的幫助，便于有限空間的合理利用。

關(guān)鍵詞：高效率 低成本 單晶N型電池 應(yīng)用

中圖分類號： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2016）07（b）-0000-00

隨著人類社會不斷發(fā)展和進(jìn)步，人與自然的矛盾越來越突出。尤其在受到經(jīng)濟危機沖擊的今天，能源和環(huán)境問題已成為了制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，也受到全社會的高度重視。哥本哈根氣候會議使大家進(jìn)一步深切的體會到能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為刻不容緩的問題！尋求低碳經(jīng)濟之路成為當(dāng)今的必然趨勢。太陽能電池的研究與應(yīng)用越來越受到世界各國廣泛的關(guān)注。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽輻射光通過半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”。太陽電池加工制作過程不斷追求產(chǎn)業(yè)化，這就要求電池效率更高，目前，太陽能電池的制作有85%以上采用晶體硅作為材料，其中更多的是P型晶體硅材料電池。P型材料中多晶材料和單晶材料的加工過程多是以化學(xué)方式來處理表面，通過擴散制結(jié)、對表面進(jìn)行減反射和鈍化處理，再通過背場鋁漿印刷和電極制作并燒結(jié)完成全部生產(chǎn)過程。N型材料應(yīng)用相對較少，前期除了英利與荷蘭ECN研究所合作開發(fā)的技術(shù)外，還有松下公司的HIT（Heterojunction with Intrinsic Layers）技術(shù)和Sunpower的IBC（Interdigitated Back Contacted）技術(shù)，目前實驗室效率均高于20%。隨著技術(shù)的不斷應(yīng)用，目前越來越多的人已經(jīng)開始增加了對N型基材電池的關(guān)注，N型技術(shù)的優(yōu)勢有待進(jìn)一步發(fā)展。

1 N型硅材料電池的優(yōu)勢

半導(dǎo)體中有兩種載流子，即價帶中的空穴和導(dǎo)帶中的電子，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱之為N型半導(dǎo)體，與之相對的，以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。 在N型半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的主要是帶負(fù)電的電子，這些電子來自半導(dǎo)體中的施主。凡摻有施主雜質(zhì)或施主數(shù)量多于受主的半導(dǎo)體都是N型半導(dǎo)體。

N型硅材料作為太陽能電池的基材相對于P型材料有幾大優(yōu)勢：第一，由于N型材料中只有微量的B摻雜，B-O對的影響會非常小。P型材料中的B-O對使得材料的少子壽命降低，從而使高效率電池的制作受到一定的限制[1]； N型材料對金屬雜質(zhì)例如Fe不像P型材料那么敏感，這就使N型材料對加工過程有了更高的容忍度，利于高效電池的制作[2，3]。第二，由于P型基體B-O對的大量存在和電子對金屬極強的復(fù)合能力，使得其光致衰減很高；而對于N型基體，由于其摻雜不同，其B-O對比P型要少的多，N型基體的少子為空穴，對金屬的復(fù)合能力也比P型弱。因此其光致衰減低?？傊鄬τ赑型材料，N型材料的電池效率易做到更高，光致衰減更低。

2 N型硅電池結(jié)構(gòu)及工藝過程簡介

英利與荷蘭ECN研究所進(jìn)行合作，從2009年開始進(jìn)行N型基材新工藝的嘗試，其電池結(jié)構(gòu)以N型基材為中心，正面制備硼擴散發(fā)射極，背面制備磷擴散的背場，正反兩面均采用氮化硅鈍化。其工藝流程包括：

1、堿制絨：對硅片表面處理，增加其對于光的吸收

2、磷硼共擴散：形成電池的發(fā)射極和背場

3、周邊刻蝕：實現(xiàn)邊緣的絕緣

4、化學(xué)處理：對硅片表面進(jìn)行處理

5、PECVD：形成硅片正背面的減反射膜

6、金屬化：制作金屬電極并實現(xiàn)接觸

通過堿制絨對表面進(jìn)行處理，增加光的吸收；利用磷硼共擴散的技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)射極和背場的制備過程；通過刻蝕工藝達(dá)到邊緣絕緣的目的；經(jīng)過化學(xué)處理對表面進(jìn)行加工；采用PECVD的方法進(jìn)行鈍化和減反射膜層的制作；金屬化工序，完成電池的電極制作并實現(xiàn)良好的接觸。目前，英利產(chǎn)線上N型電池的平均效率達(dá)到20%以上。

3基于N型基材更高效電池工藝的開發(fā)

通過對N型電池基材基礎(chǔ)工藝的研究，查找電池的損失機制，我們發(fā)現(xiàn)目前的N型基礎(chǔ)工藝存在一些問題，主要是電池的正背面復(fù)合較為嚴(yán)重，導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了制約。由于電池前表面和背表面的損失存在，影響了電池的效率提升。

針對上述情況，我們開發(fā)了新型的表面鈍化機制，通過增加一層氧化鋁膜層，即采用疊層鈍化膜的機制，對電池前表面的損失進(jìn)行補償。

氧化鋁鈍化的機理是：氧化鋁自身帶有固定的負(fù)電荷，通過化學(xué)鈍化與場效應(yīng)鈍化的結(jié)合，實現(xiàn)更好的鈍化效果?；瘜W(xué)鈍化可以減少表面缺陷態(tài)密度；場效應(yīng)鈍化通過界面處的內(nèi)建電場減少表面附近少數(shù)載流子的濃度。

針對背表面的損失，我們通過一種新型的選擇性背場工藝的應(yīng)用，使得背面的損失降低，從而實現(xiàn)了更高的電池轉(zhuǎn)換效率。其來源有兩個方面：一是減少自由載流子的吸收；另一個是增加背表面的鈍化效果。

新工藝的工藝流程包括：

1、堿制絨：對硅片表面處理，增加其對于光的吸收

2、磷硼共擴散：形成電池的發(fā)射極和背場

3、周邊刻蝕：實現(xiàn)邊緣的絕緣

4、選擇性背場制備：對背表面進(jìn)行優(yōu)化處理

5、化學(xué)處理：對硅片表面進(jìn)行處理

6、氧化鋁鈍化：對前表面增強鈍化

7、PECVD：形成硅片正背面的減反射膜

8、金屬化：制作金屬電極并實現(xiàn)接觸

4實驗過程和實驗結(jié)果及電池片的表征

本實驗樣品是由英利（中國）能源有限公司生產(chǎn)的磷摻雜N型單晶A等硅片，電阻率為0.7-3.0Ω·cm，尺寸為156×156mm，厚度約為200μm的硅片300片，來自整棒的頭、中、尾段三個位置，電阻率1-3歐姆*厘米，按照上述的工藝過程進(jìn)行電池的制作，較單晶正常工藝增加了選擇性背場工藝和氧化鋁鈍化工藝。經(jīng)過對電池工藝流程的優(yōu)化，相對于傳統(tǒng)工藝而言，開路電壓顯著增高，短路電流也明顯提升，填充因子變化不大。電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.5%。

通過新工藝的引入，電池的開路電壓達(dá)到0.654V以上，短路電流達(dá)到9.5A以上，填充因子保證80%以上，電池平均效率為20.5%。

通過對實驗片和常規(guī)N型工藝的參考片進(jìn)行光譜響應(yīng)的對比可以看出，增加了選擇性背場工藝和氧化鋁工藝后的電池片，其SR曲線能明顯看出電池的前表面和背表面的光譜響應(yīng)增強了，這就從根本上增加了光的吸收，增強了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

5產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)

新工藝的采用使得電池效率得到大幅提升，平均效率達(dá)到20.5%以上。目前的光伏市場已經(jīng)慢慢向分布式轉(zhuǎn)化，高效率的組件產(chǎn)品可以合理的利用小面積的空間，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到更高可以使得小型系統(tǒng)的空間得到更大的利用。因此，高效低成本的單晶N型電池的利用必然是今后的一大趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]. J. Schmidt et al. 26th IEEE PVSC Anaheim， p13 （1997）

[2]. D. Macdonald and L.J. Geerligs， Appl Phys. Lett. 92， p4061 （2008）

[3]. A. Cuevas et al.， Appl Phys. Lett. 81， p4952 （2002）

[4]. 高虎，李俊峰，許洪華；太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢分析【J】，中國科技產(chǎn)業(yè)，2006.