基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究现状与展望

在当今的光伏市场,晶体硅电池占据超过九成的份额,并且被认为在未来将依旧占据主导地位.在高效晶硅电池中,隧穿氧化物钝化接触太阳电池(tunnel oxide passivated contact solar cell,TOPCon)因其优异的表面钝化效果以及与传统产线兼容性好的优势而受到持续关注.该电池最显著的特征是其高质量的超薄氧化硅和重掺杂多晶硅的叠层结构,对全背表面实现了高效钝化,同时载流子选择性地被收集,具有制备工艺简单、使用N型硅片无光致衰减问题和与传统高温烧结技术相兼容等优点.本文首先介绍了隧穿氧化物钝化接触太阳电池的基本结构和基本原理,然后对现有超薄氧化硅层和重掺杂多晶硅层的制备方式进行了对比,最后在分析研究现状基础上指出了该电池未来的研究方向.

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%。

PEALD制备的Al_(2)O_(3)薄膜在n-TOPCon太阳电池上的钝化性能

对采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)法制备的Al_(2)O_(3)薄膜在n型单晶硅隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池正表面的钝化性能进行了研究。采用少数载流子寿命、X射线电子能谱(XPS)及J-V特性的测试分析,重点研究了Al_(2)O_(3)沉积温度、薄膜厚度及薄膜形成后不同退火条件对钝化性能的影响,实现了低表面复合速率、良好钝化效果的产业化制备的Al_(2)O_(3)薄膜工艺。研究结果表明,在沉积温度为150℃、膜厚为5 nm、退火温度为450℃时,测试计算得出薄膜中O和Al的原子数之比为2.08,电池发射极正表面复合速率较低,达到了Al_(2)O_(3)钝化的最优效果,并且分析了Al_(2)O_(3)薄膜的化学态和形成机理。利用其Al_(2)O_(3)薄膜工艺制备的n型单晶硅TOPCon太阳电池开路电压提升了8 mV,电池的平均光电转换效率达到了23.30%。

热氧化对工业化n-TOPCon太阳电池的性能影响研究

借助磷掺杂多晶硅钝化接触结构卓越的钝化质量,n-TOPCon太阳电池可获得极佳的电学性能表现。在实际工业化制造过程,获得高性能量产n-TOPCon电池的关键之一是需要实现电池双面钝化结构的匹配与优化。对于硼扩散制备而成的电池正表面,工业上常采用叠层钝化膜沉积前添加热氧化工艺来优化钝化质量。该热氧化过程对n-TOPCon电池正反面钝化结构以及最终的电池电学性能可能造成的影响,进行了详细探究;发现热氧化过程可以优化重掺杂硼扩面的钝化质量,而对于轻掺杂硼扩面有害无益,同时热氧化会导致掺杂多晶硅钝化接触结构的钝化质量下降。未经过氧化处理的n-TOPCon电池在光注入退火工艺处理后可以获得更大的电学性能增益。使用无氧化工艺获得了平均效率达24.02%,最高效率为24.34%的量产n-TOPCon太阳电池。

新型高效钝化接触晶硅太阳电池技术研究进展与产业化应用

基于氧化硅/多晶硅叠层结构的钝化接触晶硅太阳电池被广泛认为是当前主流钝化发射极及背面接触技术(PERC)之后的下一代产业用电池技术。该技术采用超薄界面氧化硅和重掺杂多晶硅叠层结构实现优异的全表面钝化和载流子选择性收集,被认为是综合性能最优的晶硅电池技术之一。目前全世界实验室的关键钝化指标与电池效率不断提升,并实现了26.1%的超高转化效率。该技术完全避免激光开孔工艺,极大简化了制备过程,与现有电池工艺高度兼容,投资成本低,适于大规模工业生产。

射频磁控溅射ITO薄膜对TOPCon太阳电池光电性能的影响

通过射频(RF)磁控溅射分别在光学玻璃基底上和多晶硅薄膜层上沉积了氧化铟锡(ITO)薄膜,采用Hall效应测试仪测试了ITO薄膜的电阻率和载流子浓度等参数,研究溅射功率和溅射时间等参数对ITO薄膜的光电特性影响。测试多晶Si对称结构沉积ITO薄膜前后及退火后的隐开路电压和反向饱和电流密度等参数,研究ITO薄膜对n型晶硅太阳电池钝化接触的影响。研究结果表明:在纯氩气氛围下、溅射功率为200 W、溅射时间为15 min、转速为10 r/min、工作气压为1 Pa,在250℃退火10 min条件下,ITO薄膜光电性能最佳,退火后的电阻率为2.863×10^(-4)Ω·cm,退火后的隐开路电压为721 mV,n型隧道氧化物钝化接触(TOPCon)太阳电池平均光电转换效率为23.6%。

IBC太阳电池技术的研究进展

对叉指背接触(IBC)太阳电池在光伏领域的结构优势和发展进程进行了简单的阐述。重点介绍了IBC太阳电池前表面场、背面p+和n+区结构、金属化电极的制备方法,并从工业化角度评述了各制备方法的优缺点与发展。总结了IBC电池产业化进程中的几种工艺优化方向,包括p+和n+区结构设计、正面陷光技术及表面钝化等。除此之外,从IBC太阳电池技术与效率提升方面详细介绍了三种基于IBC太阳电池技术的新型太阳电池技术,包括叉指背接触异质结(HBC)太阳电池、多晶硅氧化物叉指背接触(POLO-IBC)太阳电池以及钙钛矿IBC叠层太阳电池(PSC IBC),并总结了近年来上述三种新型太阳电池技术的研究进展。最后,对IBC电池未来面临的挑战与技术提升进行了展望。

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。