硅太阳电池钝化载流子选择性接触概念与现状

接触是高复合活性的金属界面和体吸收层之间的区域。为了提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低接触处的复合损失。阐述了接触的概念和蕴含的物理机理,分析了PERC太阳电池、TOPCon太阳电池、a-Si:H/c-Si异质结太阳电池和TMO/c-Si异质结太阳电池中的接触技术,总结和展望了钝化载流子选择性接触的特性和发展前景。

基于载流子选择性接触的N型晶硅电池钝化特性研究

为了研究载流子选择性接触结构在N型晶硅电池钝化特性,本文设计了专门的材料结构。分析对比了不同掺杂浓度分布的材料结构在退火后、沉积SiN x∶H薄膜后及烧结后隐开路电压值的变化,并对其钝化机理进行了分析。研究结果表明隐开路电压值对掺杂浓度分布非常敏感。随着掺杂浓度分布进入硅基体的“穿透”深度增加,相对应地退火后、SiN x∶H薄膜沉积后及烧结后隐开路电压值均呈现先增加后减小的趋势,且样片沉积SiN x∶H薄膜后隐开路电压的增加幅度也逐渐减小,而样片烧结后隐开路电压值又出现不同幅度的下降,且隐开路电压值的下降幅度逐渐减小。通过适当的掺杂工艺,可以使得烧结后的隐开路电压均值达到738 mV。

隧穿氧化物钝化接触太阳能电池的研究进展

随着全球对可再生能源需求的不断增长,太阳能电池作为一种高效、清洁的能源转换方式,受到了广泛关注。隧穿氧化物钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact, TOPCon)太阳能电池作为一种新型的太阳能电池技术,以其高效率、低成本和易于大规模生产的优势,成为了当前研究的热点。该技术通过在电池背面引入一层超薄隧穿氧化层和一层多晶硅层,有效降低了界面复合损失,提高了电池的开路电压和填充因子,从而提升了电池的光电转换效率。本文首先介绍TOPCon太阳能电池的研究背景,然后对其工作原理进行详细的理论分析,之后介绍了TOPCon太阳能电池的关键结构及其制备技术,并讨论了TOPCon太阳能电池的研究现状与关键问题,最后进行了总结和展望,为TOPCon太阳能电池的未来研究提供参考和借鉴。

基于POLO钝化接触结构的晶硅电池技术及其研究进展

多晶硅氧化物(POLO)结构是在晶硅表面依次生长一层极薄的界面氧化层与多晶硅层所形成的钝化接触结构。基于POLO结构的钝化接触技术不仅能够获得优异的表面钝化特性,而且避免了金属与晶硅表面的直接接触,极大地降低了金属与晶硅表面的接触复合。目前应用POLO钝化接触结构制作的小面积晶硅太阳能电池转换效率高达26.1%,制作的大面积晶硅太阳能电池产业化效率已经超过24.5%。同时POLO钝化接触技术应用于晶硅电池的制作可以承受高温工艺,兼容现有的晶硅电池产业化设备,是未来极具产业化潜力的钝化接触技术方案。本文主要综述了POLO钝化接触结构中载流子的传输机理及相应的量化参数表征方法;对比了POLO结构制备中界面氧化层生长、多晶硅层的沉积、掺杂及氢化处理的方法;总结了多晶硅层的寄生吸收效应、晶硅表面形貌结构、掺杂浓度分布对POLO结构钝化接触特性的影响;简述了POLO钝化接触技术的研究进展及当前POLO电池制作面临的技术难点。

低损伤选择性发射极太阳电池激光工艺

钝化发射极及背面接触(PERC)太阳电池技术叠加激光选择性发射极(SE)制备工艺是近年发展起来的提升PERC太阳电池效率的有效方法之一,但是在SE的制备过程中易发生磷硅玻璃(PSG)层被激光烧蚀的现象,导致电池性能下降。通过研究激光波长、脉冲频率、激光功率和扫描速度对硅片表面形貌、表面方块电阻、电池性能的影响,探索高效率、低损伤SE太阳电池的制备方法。实验结果表明,在激光波长为1 064 nm、激光功率为2 W、脉冲频率为30 Hz条件下可获得最佳电池性能,SE太阳电池光电转换效率最高达到22.01%,与传统工艺制备的太阳电池相比提升约0.51%。

n型双面TOPCon太阳电池钝化技术

隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)技术已成为当前产业化高效太阳电池的重点研究方向之一。报道了可应用于规模化生产的n型双面TOPCon太阳电池技术,对前表面SiO_2/多晶硅钝化层进行了优化设计。为了有效降低接触电阻,太阳电池的背表面采用了全面积SiO_2/多晶硅钝化层结构;为避免多晶硅层对太阳光的寄生吸收,仅将SiO_2/多晶硅钝化层应用于前表面金属接触的底部。J-V特性和少子寿命等分析显示,双面TOPCon结构设计显著提升了太阳电池的表面钝化接触性能,其开路电压和短路电流密度显著增加。所制备的面积为239 cm^2的双面TOPCon太阳电池的平均正面转换效率可达20.33%,相对正面无SiO_2/多晶硅钝化层的常规钝化发射极及背表面全扩散(PERT)结构的太阳电池转换效率提升了0.29%。

具有选择性前表面场的p型背结太阳电池

隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)结构由掺杂多晶硅及隧穿氧化层构成,具有出色的钝化及接触特性。将n型TOPCon太阳电池制备理念应用到p型硅片中,利用背面原位掺杂磷多晶硅层充当pn结,并利用印刷纳米硼浆的方法完成选择性前表面场(FSF)的制备。这种具有选择性前表面场的p型背结电池的优势是背面TOPCon发射极的全面积金属接触避免了发射极内的横向电流传输损耗,有助于空穴(主要载流子)向前端的局部前表面场传输,另外正面选择性前表面场的设计形成高低结,极大地减小了表面复合及金属栅线接触电阻。结果表明,相比同结构的n型TOPCon太阳电池,此种结构的p型背结太阳电池光电转换效率高0.34%,填充因子约高1%,说明该结构的背结太阳电池具有一定的电性能优越性和发展潜力。

缺陷辅助隧穿对氧化硅/多晶硅载流子输运的影响

针对隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳能电池或包含氧化硅/多晶硅(POLO结)器件,直接隧穿和针孔传输是目前被广泛认可的两种载流子输运机制,由于器件制造过程需要经历高温烧结工序,超薄氧化硅层在受到高温诱导应力下产生针孔的同时,也伴随着大量缺陷的出现,这有助于载流子通过缺陷辅助隧穿来传输。提出了氧化层中热应力诱导的缺陷辅助隧穿机制的假设,通过数值求解漂移扩散输运方程计算模拟了POLO结在暗态下的电流-电压特性以及相应的接触电阻率,计算结果与实验观测结果相吻合,表明缺陷辅助隧穿有可能是TOPCon太阳能电池或POLO结载流子输运中不可忽视的输运机制。此外,计算结果也表明,在热应力诱导的缺陷浓度较高和氧化层厚度较大的情况下,缺陷辅助隧穿对载流子输运起到非常重要的作用,甚至有可能占主导作用。这些研究结果将有助于加深人们对TOPCon太阳能电池中载流子输运机制的理解,为优化器件结构与性能提供有益的理论指导。

高效单晶硅太阳电池的最新进展及发展趋势

晶体硅太阳电池是目前光伏市场的主流产品,其又可分为多晶硅电池和单晶硅(c-Si)电池。目前,多晶硅电池成本较低,市场份额较大,但其效率较低;单晶硅电池成本相对偏高,但其效率更高,市场份额小于多晶硅电池。随着硅材料和硅片切割技术的进步,单晶硅片的成本持续下降,且未来市场对高效率的高端光伏产品需求日益增长。因此,高效率的单晶硅电池将受到更多的关注。为进一步提高单晶硅太阳电池的效率,近几年的研究工作主要集中于提高硅片质量来降低体缺陷,寻找新型钝化材料来降低表面和界面缺陷,开发先进的减反技术(新型的绒面陷光结构和材料)以提高光的利用率,引入低电阻金属化技术降低串联电阻,优化PN结制备技术以及器件结构等。2014年至今,单晶硅太阳电池的转换效率得到连续突破。目前,最高效率是日本Kaneka公司创造的26.6%,其他效率达到或者超过25%的晶硅电池包括钝化发射极背面局部场接触(PERL)电池、交叉指式背接触(IBC)电池、硅异质结(SHJ)电池、交叉指式背接触异质结(HBC)电池、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)电池、多晶硅氧化物选择钝化接触(POLO)电池等。分析这些典型电池的关键技术可以发现,栅线电极与c-Si的金属-半导体接触复合成为影响电池效率的关键因素。为减小这些复合,一方面通过电池背面局部开孔来减小金属与c-Si直接接触的面积,包括钝化发射极背场点接触(PERC)、PERL、钝化发射极和背面全扩散(PERT)等电池。另一方面则是开发既能够实现优异的表面钝化,同时又无需开孔便可分离与输运载流子的新型载流子选择性钝化接触技术,如SHJ电池、TOPCon电池等。此外,采用交叉指式背接触技术与其他电池结构结合则是最大限度提高光利用率的必然选择,包括IBC电池和HBC电池。本文介绍了当前国际上转化效率达到或超过25%的典型高效单晶硅太阳电池,分别对其器件结构、核心工艺、关键材料等进行了分析,在总结这些高效单晶硅太阳电池各自特点的基础上对该领域的发展前景进行了展望。

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。

硅片表面织构对“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池电性能影响的研究

在硅片制绒过程,研究了制绒添加剂体积分数、反应时间和反应温度对单晶硅片表面织构的微观形貌、反射率,以及制备的“选择性发射极(SE)+PERC”双面单晶硅太阳电池电性能的影响。结果表明:在目前单晶硅片制绒设备和工艺条件下,当碱液(KOH)体积分数为2%、制绒添加剂体积分数为0.7%、反应温度为84℃、反应时间为440 s时,制备的单晶硅片表面的金字塔尺寸较小,均匀性强,硅片表面的反射率最低,仅为9.914%,而得到的“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的光电转换效率高达22.714%;调整制绒参数,可以有效提高单晶硅片表面织构中金字塔的均匀性,降低硅片表面的反射率,从而提高“SE+PERC”双面单晶硅太阳电池的光电转换效率。

“SE+PERC”单晶硅太阳电池激光掺杂区域的漏电现象研究

在选择性发射极(SE)技术与钝化发射极背接触(PERC)技术相结合(即“SE+PERC”)的单晶硅太阳电池技术路线中,通常采用激光技术进行局部重掺杂,即利用激光的高温特性将硅片表面磷硅玻璃(PSG)层内的磷原子推入硅片内部,形成高低结,从而提高太阳电池的光电转换效率。但是经过激光扫描后的掺杂区域表面的PSG层会被激光损伤,损伤区域在进行碱抛光时常因掩膜的保护性差而被碱溶液腐蚀,导致p-n结被破坏,造成局部严重漏电,从而影响太阳电池的整体电性能。针对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中激光掺杂区域出现的漏电现象,分析了漏电原因,并给出了采用SE激光掺杂工艺及碱抛光工艺时的优化建议。

硅片厚度对SE-PERC单晶硅太阳电池制备过程的影响分析

基于目前主流的选择性发射极-钝化发射极及背接触(SE-PERC)单晶硅太阳电池生产工艺,针对不同硅片厚度在太阳电池制备过程中的表现进行分析、验证及优化。研究结果表明,硅片厚度减薄对湿法刻蚀工艺后硅片的减重、硅片背面抛光效果均有显著的不良影响,而且采用管式PECVD工艺沉积的SiNx薄膜的厚度也出现变薄的现象。若太阳电池制备过程中采用薄硅片,则需对湿法刻蚀工艺和管式PECVD工艺进行预先调节,对自动化设备预先做出相应调整,从而可保证产线的顺利运作。

“SE+PERC”单晶硅太阳电池发射极方阻均匀性提升工艺的研究

针对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中,管式扩散炉扩散后硅片发射极方阻均匀性差的问题,在扩散工艺的“预沉积”步骤设计小氮气(N_(2))流量、氧气(O_(2))流量、炉内压强参数变化实验,研究小N_(2)流量、O_(2)流量和炉内压强变化对发射极方阻、方阻均匀性及太阳电池电性能的影响。研究结果表明:通过调整小N_(2)流量、O_(2)流量及扩散过程中的炉内压强可以有效提高发射极方阻均匀性,并提高太阳电池的光电转换效率。在小N_(2)流量为1000 sccm、O_(2)流量为600 sccm、炉内压强为80 kPa的工艺条件下可实现发射极的方阻均匀性最佳,均值为4.94%;此时“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率为23.11%。