N型硅太阳电池总结剖析

1、1 N型背结背接触晶体硅电池高转化效率机理 首先，与掺硼(B)的P型晶体硅材料相比，掺磷(P)的N型晶体硅材料具有如下优势：（1）N型材料中的杂质（如一些常见的金属离子）对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力。相同电阻率的N型硅片的少数载流子寿命比P型硅片的高（2）选用掺磷的N型硅材料形成的电池则几乎没有光致衰减效应的存在。因此，N型晶体硅电池的效率不会随着光照时间的加长而逐渐衰减。（3）N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率。因此，采用N型晶体硅材料少子空穴的复合将远低于P型材料中的少子电子的复合。（4）N型硅片对金属污杂的容忍度要高

2、于P型硅片。对于Fe ,Cr,Co,W,Cu,Ni等金属对P型硅片的影响均比N型硅片高。而对于Au却是相反的。但是对于现代晶体制备工艺而言，Au污杂已不再是主要问题。(5)某些N型电池的生产工艺可以在200度以下进行，符合低成本、高产量、高效率的要求。(6) N型硅电池组件在弱光下表现出比常规P型硅组件更优异的发电特性。上述6大优势是N型晶体硅电池获得高转化效率的前提。按发射极的成分和形成方式区分，n型太阳电池可以分为铝发射极、硼发射极和非晶硅晶体硅异质结太阳电池3类。按发射极的位置区分， n型太阳电池又可以分为前发射极和背发射极两类。以下将对铝背发射极、硼前发射极和硼背发射极太阳电池的研究进

3、展进行讨论。背发射极要获得高的 转换效率，需要满足 3个条件。 与传统的常规电池相比，背结背接触电池具有：（1）受光面无电极遮挡损失。（2）背电极优化使得电池的串联电阻提高。因此可进一步优化电极宽度从而达到提高串联电阻的目的。（3）提供更好的优化前表面陷光和实现极低反射率的潜力。 ( 1 ) 硅基体要具有长的体少子寿命。从图2可以看出，体少子寿命对电池效率的影响非常明显。当体少子寿命从1000 # s缩短到 100 # s时，电池绝对效率下降超过4%。 ( 2 ) 太阳电池前表面要具有低掺杂浓度和低复合速率。 ( 3 ) 太阳电池背表面要具有低表面复合速率。特别是在前两个条件已经满足

4、的情况下，背表面复合速率对太阳电池性能的影响变得明显。背表面具有大面积的金属一半导体界面，这种界面的表面复合速率极高。在背表面沉积钝化介质膜可以减小金属一半导体的接触面积，从而降低背表面复合。由于 n型单晶硅 ( F z 、 Cz )已被证实具有极长的体少子寿命，Si02、Si等钝化介质膜也被证实对重掺杂n型硅表面具有良好钝化效果。所以，近期的研究主要集中在电池背表面的钝化上。前期研究发现，常用 的 S i O、S i介质膜在重掺杂 P型硅表面上的钝化效果并不理想，而等离子体化学气相 沉 积 ( P E CVD)aS i和原子层沉积( AL D) Al203却显示出优异的钝化性能。 上述高效太

5、阳电池均采用了TiP dAg前电极结构以及背表面钝化方案 ，这种结构 目前只能在实验阶段实现。 以上结果证明铝背发射极结构能在 F z和 C z硅基体上获得较高效率，但是该结构应用到mc硅基体时效果并不理想。这是因为该结构的 p - n结位于电池背表面，大量光生载流子需要从前表面附近迁移到背表面才能被内建电场分离，mc硅材料较短的体少子寿命导致光生载流子在迁移过程中大量复合，从而导致电池效率降低。 硼前发射极太阳电池 与铝背发射极结构相比，少子寿命对硼前发射极太阳电池的影响较小。从这点看，该结构适合应用于n型mc硅等质量较差的材料。 从 P C I D模拟结果还可以看出， 要获得高转换效率，必

6、须尽量降低前表面掺杂浓度和前表面复合速率，因而对扩散和表面钝化提出了很高要求。此外，实际应用中，硼发射极表面金属化也是一个有待解决的问题。以下将对这 3方面进行讨论。 ( 1 ) 硼扩散 硼扩散的方法很多，按硼源分，有液态 BBr3。以及各种用于丝网印刷和旋涂的商品化硼浆 ， 从扩散设备来分主要有管式扩散和链式扩散两种。YKo ma t s u等研究发现，在众多硼扩散方式中，用氮气携带液态 BBr3。进行管式扩散的效果最好。与其它方法相比，该方法更有利于避免金属污染。采用该扩散方法，硅片有效少子寿命比用其它方法扩散的样品高5倍以上。硼扩散存在的一个问题是均匀性难以控制。在扩散前期，BBr3反应

7、生成 B2O3。后者沉积在硅片表面，并在高温作用下扩散进入硅基体。这与磷扩散时 POCl3先生成 P2 O5再沉积到硅片表面的过程相类似。不同的是P2O5在850时为气相，可以均匀沉积在硅片表面。而 B2O3 的沸点较高，扩散过程中一直处于液相状态，难以均匀覆盖在硅片表面，扩散均匀性因而难以控制。 硼扩散的另一个问题是高温导致材料性能变坏。一方面，硼原子在硅中的扩散系数较低。与磷扩散相比，硼扩散需要用更高温度或更长时间来获得相同的方块电阻。另一方面，硼前发射极太阳电池多采用磷扩散来制作背表面场，一般还采用热氧化方法来制作掩模。多次高温不仅浪费能源，还会导致硅片少子寿命下降。多次高温严重限制了m

8、c硅的应用。 ( 2 ) 前表面钝化 如前所述，ALD A12O3以及PECVD a - S i 对P型硅表面具有良好的钝化效果，但将其应用到硼前发射极结构时还必须考虑该介质膜的透光率。a - S i 对短波段具有较强吸收，厚度不宜过大。ARichter等认为 aSi的最佳厚度为 81 0nm。A12O3 则无论在钝化效果还在透光率方面都比a - S i好，但是 AL D Al2O3的沉积速度较慢影响了它的应用。VI _Mi h a i l e t c h i等用硝酸氧化生成SiO2并用PECVD沉积SiNx组成叠层钝化膜，采用这种钝化膜的硼前发射极太阳电池比只使用SiNx单层膜钝化的样品效率

9、提高2%。该叠层钝化膜 的钝化效果甚至比热氧氧化SiO2和PECVD SiN的叠层膜好。 ( 3 ) 金属化目前的商品化银浆并不适用于硼前发射极，这是因为银和P型硅之间的接触电阻较大，特别是在硼发射极表面存在“ 硼耗尽区”时。硼耗尽区是指硅片表面硼含量较低的薄层区域， 该区域的存在不利于硅片和银电极间通过隧穿效应来实现欧姆接触。RLago等。研究发现， 采用银铝浆代替银浆料可以有效降低接触电阻，但是在烧结过程中，发射极的部分区域会熔融到铝当中。这可能导致发射极局部区域被电极贯穿，使p-n结短路。在银铝浆中加入适量硅可以降低硼发射极被电极贯穿的几率，但是掺硅的银铝浆导电性比银浆料差，这将导致栅线

10、体电阻增大。在关于硼前发射极太阳电池的研究中还有一个报道值得关注，尽管很多实验证实硼前发射极太阳电池在暴晒较长时间后没有出现明显的光致衰减，但是JZhao等在2003年发现，采用 n型Cz、Fz硅基体制作的硼前发射极太阳电池在存放两三年后出现了严重的性能衰减 ， 对该样品进行暴晒，衰减还会加剧。目前仍然没有足够证据判断上述现象的起因，一种解释是硼发射极 中的硼原子与硅材料体内或环境中的氧形成硼一氧对，从而引起光致衰减。 3 硼背发射极太阳电池 硼背发射极太阳电池结构如图 5所示。硼发射极位于电池背表面，可以免受紫外光照射， 避免硼发射极出现光致衰减。此外，位于电池背表面的P型金属电极不会对电池

11、造成遮挡，可以通过增加电极宽度的方法来降低金属栅线的体电阻，甚至可以采用蒸镀铝制作电极。由此，硼发射极的金属化问题得以解决 。硼背发射极太阳电池结构示意图 结语 对 n型晶体硅太阳电池的3种主要结构进行了分析，所得出的 基本结论如下。 ( 1 ) 相比较而言，铝背发射极电池制作工艺简单，易于实现产业化，目前主要困难集中在背发射极表面的钝化上。 ( 2 ) 硼前发射极电池遇到的困难较多，主要包括硼扩散、硼发射极表面钝化以及表面金属化 3个方面，其长期稳定性也有待验证。但是，硼前发射极不仅适用于Fz和Cz硅，还可以应用于mc硅，这是该结构的一大优势。 ( 3 ) 硼背发射极结构尽管与铝背发射极结构

12、一样受材料质量的制约，但是它与全背电极结构的结合能使电池效率大幅提高。硼背发射极 结构是一种很有前景的高效 太阳电池结构。 PCC太阳电池图3 SunPower 公司A-300 太阳电池结构示意图美国 SunPower 公司利用点接触( Point-contact cell , PCC)及丝网印刷技术,于2003年研制出新一代背面点接触太阳电池A-300 ,见图 3 ,效率为 20 % ,并通过进一步改进 ,使效率达到了 21.5%。并实现了产业化。采用 N型硅材料作为衬底 ,载流子寿命在 1ms 以上。正表面没有任何电极遮挡 ,并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应。电池前后表面利用

13、热氧钝化技术生成一层 SiO2 钝化层 ,降低了表面复合并增加了长波响应 ,从而使开路电压得以提高。在前表面的钝化层下又进行了浅磷扩散以形成 N+前表面场 ,提高短波响应。 背面电极与硅片之间通过 SiO2 钝化层中的接触孔实现了点接触 ,减少了金属电极与硅片的接触面积 ,进一步降低了载流子在电池背表面的复合速率 ,提高了开路电压。较为出色的陷光、钝化效果,以及采用了可批量生产的丝印技术,使A-300成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。HITTM 异质结高效 N型硅太阳电池日本三洋公司HITTM 太阳电池结构示意图2000 年日本三洋公司研制出 10 cm2采用 HIT( Heteroj

14、unction wit h int rinsic Thinlayer)结构异质结太阳能电池。在P型氢化非晶硅和N 型氢化非晶硅与N型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜 ,采取该工艺措施后,改变了PN结的性能。因而使转换效率达到20.7 %,开路电压达到 719 mV ,并且全部工艺可以在200 以下实现。其制备过程如下：它是利用PECVD在表面织构的n型CZ-Si片（250µm厚）的正面沉积一层10nm厚的本征a-Si:H和P型a-Si:H层，然后再在 c-Si 片的背面沉积一层 20nm 的本征 a-Si:H 和 n 型 a-Si:H 层。利用溅射技术在电池的两面沉积

15、TCO 透明导电膜，同时它也具有抗反射作用。然后再用丝网印刷技术在电池的两面制作 Ag 电极。整个制备过程都是在低于 200下进行的。双面结构的 HIT 电池由于能接收到来自地面的反射光，不论地面是否光滑，它都能发出比单面电池至少多 8.1%的电能。2003 年，Sanyo 公司又把面积为 100cm2 的 HITTM 太阳电池的转换效率的最高记录改写为 21.2%，大规模工业化生产也已获得 18.5% 发射结钝化-全背场扩散（PERT）N型硅太阳电池 PERT太阳电池结构示意图赵建华博士在澳大利亚新南威尔士大学期间设计的一种 N 型硅太阳电池。面积为 22cm2的 N 型 FZ单晶硅太阳电池

16、效率达到 21.5%。电池采用电阻率为 0.9 cm的 FZ 单晶硅片，正表面 KOH 腐蚀倒金字塔结构，浅磷扩散形成前表面场（FSF），背面浅硼扩散形成发射结，然后在两面生长高质量的 SiO2 钝化层，通过光刻工艺在前电极下实现重磷扩散，背电极的点接触处实现重硼扩散。前电极采用电镀工艺镀银背电极热蒸发铝形成点接触结构。最后前面沉积 ZnS/MgF2 双层减反射薄。这种结构的电池虽然效率不错，但是比现在的 P 型硅生产工艺复杂，并不适合工业化生产。N+NP太阳电池 N+NP太阳电池结构示意图 J. Schmidt, A. G. Aberle等人2006年利用几乎和现代工业化生产P型硅太阳电池完

17、全相同的方法制备出N+NP太阳电池14。实验室效率为19%（4cm2前电极为蒸铝电极），产业化效率为17%（100 cm2前电极为丝网印刷银电极）其结构如图6。在N型基片上正面扩散磷形成N+层，背面发射结是丝网印刷铝浆烧结而成。值得指出的是这种结构的电池发射结在背面，少数载流子的扩散长度至少要大于基片厚度， 所以对少子寿命要求很高。 背接触背结（BC-BJ）太阳电池 BC-BJ 太阳电池结构示意图德国Fraunhofer实验室的F.Granek,M.Hermle等人2008年提出下面图7的结构，在1cm N型FZ硅片上得到了21.3%效率15。该电池结构采用160µm N型硅片，首先正面制备金字塔结构，然后扩散磷形成N+前表面场（FSF），最后用SiO2钝化表面再镀SiNx减射膜。背面通过扩散阻挡层实现硼和磷的扩散形成P+发射结和N+背表面场。电极都在背面，采用丝网印刷然后电镀的工艺完成。 PERL太阳电池PERL N型硅太阳电池结构示意图J.Benick,B.Hoex 等人采用PERL结构8，基片采用1cm N型FZ硅片，表面制备倒金字塔陷光结构，正面扩散硼形成P+发射结，然后在其上用Al2O3作为钝化层20,21，上面沉积SiNx减反射膜。背面采用SiO