n型si太阳电池在光储层中的应用

n型si太阳电池在光储层中的应用

0新型n型si太阳电池及组件晶体硅太阳电池具有效率高、施工稳定、寿命长的优点，占2011年全球照明市场的88%。其中,90%以上的晶体硅太阳电池是由硼掺杂P型Si制成的。然而,P型Si太阳电池在光照下会出现大的效率初始衰减。主要原因是掺入硼原子的P型Si衬底中的硼原子与硅片中的氧原子相结合产生硼氧对,这种硼氧对起到载流子陷阱的作用,使少数载流子寿命降低,从而导致电池效率的光致衰减。磷掺杂N型Si材料中硼含量极低,所以由硼氧对导致的光致衰减可忽略。此外N型Si对某些金属杂质的敏感性低(如铁等),在相同的杂质浓度下,N型Si比P型Si有更高的少数载流子寿命。这些特性使N型Si电池具有长寿命和高效率的特点,吸引全球顶尖的光伏研究机构和企业均对其进行研发。其中,美国Sunpower公司研发了交指式背接触(InterdigitatedBackContact,称为IBC结构)N-Si太阳电池。2010年宣布在面积155.1cm2的CzN-Si片上,实验室最好电池效率达到24.2%,是目前报道的效率最高的N型Si太阳电池。2011年日本三洋公司宣布研发的被称为HIT结构非晶Si/N-Si异质结电池,在面积为100.7cm2的CzN型Si片上,效率为23.7%。2010年德国弗朗霍夫太阳能研究所研发的PERL结构N-Si太阳电池,在小面积(4cm2)的FzN-Si片上,电池的效率达到23.9%。尽管HIT、IBC和PERL等结构的N-S太阳电池具有较高效率,但由于在制备过程与目前的P-Si太阳电池的制备工艺不兼容,导致制备成本偏高。因此研发一种可与P-Si太阳电池生产相兼容,且具有低成本高效率优势的N-Si太阳电池结构及制备技术对快速降低光伏发电成本达到平价上网具有十分重要的意义。本文研发了双面发电前表面硼发射极高效率N型Si太阳电池及组件(被命名为PANDA“熊猫”技术),目前已大规模工业化生产,成为继美国Sunpower公司和日本三洋公司之后第3个能够实现大规模工业化生产的N-Si电池和组件。该电池具有与普通P型Si电池相同的结构。制备过程采用碱制绒N型单晶Si片,通过硼磷共扩散在前表面形成硼掺杂P+发射极以及在背面形成磷掺杂N+背面场。PECVD技术在前后表面制备钝化和减反射薄膜,双面丝网印刷金属栅线完成电极的制备。该电池具有高效率、低成本和双面发电的特点。1电池的制备和分析方法双面发电前表面硼发射极N-Si太阳电池采用自产(100)晶向、电阻率1.5~3.5Ω·cm,156mm×156mm准方形硅片(面积约239cm2)N型Cz单晶硅片为衬底,硅片厚度为180μm。首先采用常规的氢氧化钾、异丙醇和硅酸钠碱制绒工艺将硅片表面腐蚀形成随机金字塔结构。硅片具有良好的绒面结构,波长900nm光反射率低于9%。采用管式扩散炉用BBr3作为发射极的掺杂源、POCl3作为磷背场掺杂源,制备了方块电阻为65Ω/□的发射极。本研究通过优化装片方式和通源气体的工艺参数,把P/B相互污染的影响降至最小。实验表明共扩散后,正面硼发射极和背面磷背场方块电阻的均匀性分别控制在5%和2%,达到电池工艺参数的要求。PECVD薄膜淀积技术在电池的正面和背面沉积氮化硅层,对表面进行钝化和作为减反射膜。通过丝网印刷技术在电池前面和背面印刷银栅线电极,电极在发射极和背场上的欧姆接触通过烧结炉一步共烧结实现。图1所示为N-Si太阳电池的制备流程。电池的方块电阻用四探针测试仪进行测量,SemilabWT-2000多功能半导体扫描测试仪用来测量硅片的少数载流子寿命。电池特性使用Halm太阳模拟器进行测量,组件特性由Endeas3A级太阳模拟器测量。太阳电池和组件测量过程中使用的太阳模拟器由德国弗朗霍夫太阳能研究所校准的N-Si标准电池和组件进行校准。电池和组件在标准条件(STC)下测量,其光辐照强度为1000W/m2,环境温度25℃,大气质量AM1.5。2结果与分析2.1于俄歇复合的光学特性图2所示为N-Si电池的结构。从图2看出电池发射极位于电池之前,与普通的P型硅电池具有相同的电池结构。在制备工艺上,采用硼扩散掺杂制备发射极,磷扩散掺杂制备N+背场。由于N+磷背场代替常规P型硅电池用铝浆印刷技术形成的P+铝背场,同时背面电极也采用与前面电极相同的栅线结构,使电池前后表面都能吸收光。因此本项研究中的N-Si电池是一种双面电池,从而提高了电池的单位面积发电量。由于俄歇复合主要发生在发射极掺杂层,并与掺杂浓度的平方成正比,为降低俄歇复合的影响N-Si电池采用浅结高方阻的前表面发射极的结构。这种结构不仅能克服背面发射极结构N型Si电池(如IBC结构和PERT电池结构电池)要求N-Si的少数载流子扩散长度远大于Si片厚度的缺点,且能有效降低常规晶体硅电池发射极“死层”的影响,提高太阳电池对蓝光的光谱响应。图3给出了N-Si电池的量子效率(EQE)曲线。可看出,电池具有优异的蓝光响应。在400nm波长EQE值达到75%,与通常采用选择性发射极结构电池EQE值相当。这是由于电池正面良好的表面钝化效果及采用浅结和高方阻结构设计的结果,从而降低了前表面的复合速度,使该区域光生载流子收集率增加。同时电池在长波长也表现出良好的特性。在1000nm波长量子效率达81%,表明背面良好背场结构和钝化导致了低的背表面复合速率。图4为目前实验室最好的光从正面照射时N-Si电池I-V特性曲线。可看出,该电池的Voc为649.3mV,Jsc为38.8mA/cm2,FF为79.68%,效率为20.08%。较高的FF表明电池有较低的电极电阻及良好欧姆接触确保了获得高的填充因子。当光从电池背面照射时,由于背面光生电子-空穴对扩散到正面P-N结需贯穿整个硅片的距离,导致体复合损失较大,因此效率将降低1.5%。2.2组件特性比较高效率N型Si电池已被用于制备和研究N-Si电池组件。60片N-Si电池经串焊接、敷设、中间EL测试、层压、装框和装接线盒工艺制成高效率光伏组件。本项研究的组件具有两种发电模式,即单面发电和双面发电。对于单面发电组件,组件背面采用高反射率的非透明背板封装,光从组件的正面入射,穿透电池的长波长光能通过背板的反射二次进入电池,从而提高发电量。对于双面发电组件,组件采用透明背板(或双玻璃)材料封装,光从组件的正面和背面同时进入电池,由于双面接受光子,从而提高了组件的发电量。户外实验表明,组件安装在反射较好的白色地面上,双面电池组件比常规组件的发电量高约15%。根据IEC61215标准,研究了N型Si组件特性,包括组件输出功率的初始光诱导衰减(LID)特性、温度系数特性及弱光发电特性,同时与常规的P型多晶硅组件的特性进行比较。图5给出了N-Si组件输出功率的初始衰减特性与常规P型硅组件比较。可看出,常规P型硅组件的LID约为1.4%,而N型硅组件的LID约为0.1%,可忽略不计。这是由于Si衬底中硼氧对的浓度极低,在光照下不会引起少数载流子寿命降低,电池效率的LID衰减几乎为零。表1给出了N-Si组件的温度系数与常规P-Si组件特性的比较。从表1看出,N-Si组件的峰值功率、开路电压及峰值功率电压随着温度的升高而减小。这主要由于晶体硅电池的反向饱和电流随温度的升高呈指数增大,从而导致开路电压的降低。比较N-Si组件与常规P-Si组件峰值功率、开路电压及峰值功率电压的温度系数发现,N-Si组件温度系数均比常规P-Si硅组件低6%~9%。这表明在相同的环境温度下N-Si组件比常规的P-Si组件能多发电6%以上。图6给出了N型Si组件相对效率(即弱光下组件效率/STC组件效率)随入射光强度的变化曲线,同时也给出了与常规P型Si组件特性的比较。从图6可看出,N型Si电池组件在弱光下表现出比常规P型Si组件更优异的发电特性。在200W/m2的弱光辐照下,N型Si组件的效率仅下降了2.8%,而常规P型Si组件效率下降了5.2%,随着光强的增加两种组件的效率下降差距逐渐变小。这是由于N型Si中的少数载流子空穴的俘获截面远远小于P型Si中的少数载流子电子的俘获截面,从而降低了电池内肖克莱-里德-霍尔(SRH)复合速率,提高了电池效率。3光伏组件的初始功率衰减研究了双面发电前表面硼发射极高效率N型S