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淺談高效晶體硅電池技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2019-03-28 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽(yáng)能電池,由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子,其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。實(shí)際上由于額外的損失太陽(yáng)能電池的效率很低。只有通過(guò)理解并盡量減少損失才能開(kāi)發(fā)出效率足夠高的太陽(yáng)能電池。
  
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽(yáng)能電池,由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子,其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。實(shí)際上由于額外的損失太陽(yáng)能電池的效率很低。只有通過(guò)理解并盡量減少損失才能開(kāi)發(fā)出效率足夠高的太陽(yáng)能電池。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理
提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)光電產(chǎn)業(yè)最重要的課題之一。一般而言太陽(yáng)能電池效率每提升1%,成本可下降7%,其對(duì)于降低成本的效果相當(dāng)顯著。
 
研究表明,影響晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面:
 
1、光學(xué)損失,包括電池前表面反射損失、接觸柵線(xiàn)的陰影損失以及長(zhǎng)波段的非吸收損失。
 
2、電學(xué)損失,它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線(xiàn)的接觸電阻,以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合,它直接影響太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。此外,當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度與硅片的厚度相當(dāng)或超過(guò)硅片厚度時(shí),背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽(yáng)能電池特性的影響也很明顯。
 
提高轉(zhuǎn)換效率方法
 
提高晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率有如下方法:
 
1、光陷阱結(jié)構(gòu)
 
一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù),制得絨面的反射率可達(dá)到10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)(RIE),該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無(wú)關(guān),適用于較薄的硅片,通常使用SF6/O2混合氣體,在蝕刻過(guò)程中,F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4,O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理,形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國(guó)周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。
 
2、減反射膜
 
它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜,可以使入射光產(chǎn)生的各級(jí)反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2%左右。
 
3、鈍化層
 
鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽(yáng)電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化,或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜,可以有效地阻止載流子在表面處的復(fù)合。原子氫鈍化是因?yàn)楣璧谋砻嬗写罅康膽覓戽I,這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心,而原子氫可以中和懸掛鍵,所以減弱了復(fù)合。
 
4、增加背場(chǎng)
 
如在P型材料的電池中,背面增加一層P+濃摻雜層,形成P+/P的結(jié)構(gòu),在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場(chǎng)。由于內(nèi)建電場(chǎng)所分離出的光生載流子的積累,形成一個(gè)以P+端為正,P端為負(fù)的光生電壓,這個(gè)光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同,從而提高了開(kāi)路電壓Voc。同時(shí)由于背電場(chǎng)的存在,使光生載流子受到加速,這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度,因而增加了這部分少子的收集幾率,短路電流Jsc也就得到提高。
 
5、改善襯底材料
 
選用優(yōu)質(zhì)硅材料,如N型硅具有載流子壽命長(zhǎng)、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。
 
細(xì)述幾種高效晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)
 
PERL 電池
 
PERL(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。1990年,新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上,在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池。PERL電池效率達(dá)到24.7%,接近理論值。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
PERL電池具有高效率的原因在于:
 
1、電池正面采用“倒金字塔”,這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu),具有很低的反射率,從而提高了電池的JSC.
 
2、淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻;而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿(mǎn)足橫向電阻功耗小,且短波響應(yīng)好的要求;
 
3、背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散P+區(qū)。這會(huì)減少背電極的接觸電阻,又增加了硼背面場(chǎng),蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器,從而進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)化效率;
 
4、雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài),同時(shí)減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降,同時(shí)光譜響應(yīng)也得到改善;但是這種電池的制造過(guò)程相當(dāng)繁瑣,其中涉及到好幾道光刻工藝,所以不是一個(gè)低成本的生產(chǎn)工藝中。
 
HIT 電池
 
HIT 電池是異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。電池制作過(guò)程大致為:利用PECVD在表面織構(gòu)化后的n型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H,然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層;利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜(TCO),用絲網(wǎng)印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過(guò)程都是在低于200 ℃的條件下進(jìn)行,這對(duì)保證電池的優(yōu)異性能和節(jié)省能耗具有重要的意義。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
HIT電池具有高效的原理是:
 
1、全部制作工藝都是在低溫下完成,有效地保護(hù)載流子壽命;
 
2、雙面制結(jié),可以充分利用背面光線(xiàn);
 
3、表面的非晶硅層對(duì)光線(xiàn)有非常好的吸收特性;
 
4、采用的n型硅片其載流子壽命很大,遠(yuǎn)大于p型硅,并且由于硅片較薄,有利于載流子擴(kuò)散穿過(guò)襯底被電極收集;
 
5、織構(gòu)化的硅片對(duì)太陽(yáng)光的反射降低;
 
6、利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過(guò)程中產(chǎn)生的原子氫對(duì)其界面進(jìn)行鈍化,這是該電池取得高效的重要原因。
 
IBC 電池
 
IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。其特點(diǎn)是正面無(wú)柵狀電極,正負(fù)極交叉排列在背后。這種把正面金屬柵極去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn):1、減少正面遮光損失,相當(dāng)于增加了有效半導(dǎo)體面積;2、組件裝配成本降低;3、外觀好。
 
由于光生載流子需要穿透整個(gè)電池,被電池背表面的PN節(jié)所收集,故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片,一般采用N型FZ單晶硅作為襯底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復(fù)合膜與N+層結(jié)合作為前表面電場(chǎng),并制成絨面結(jié)構(gòu)以抗反射。背面利用擴(kuò)散法做成P+和N+交錯(cuò)間隔的交叉式接面,并通過(guò)氧化硅上開(kāi)金屬接觸孔,實(shí)現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的接觸。交叉排布的發(fā)射區(qū)與基區(qū)電極幾乎覆蓋了背表面的大部分,十分有利于電流的引出。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
這種背電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電池正面“零遮擋”,增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復(fù)雜,工藝中的難點(diǎn)包括P+擴(kuò)散、金屬電極下重?cái)U(kuò)散以及激光燒結(jié)等。
 
MWT 電池
 
MWT 電池是金屬穿孔卷繞(metallization wrap-through, MWT)硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。該技術(shù)應(yīng)用P型多晶硅,通過(guò)激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過(guò)電池轉(zhuǎn)移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%,再與電池組件相連接,所得的輸出效率能提高9%。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
在MWT器件中,工藝的難點(diǎn)包括:激光打孔和劃槽隔絕的對(duì)準(zhǔn)及重復(fù)性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內(nèi)金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個(gè)通孔
 
EWT 電池
 
EWT 電池是發(fā)射極環(huán)繞穿通(emitter-wrap-through,EWT)硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。與MWT電池不同的是,在EWT電池中,傳遞功率的柵線(xiàn)也被轉(zhuǎn)移至背面。與MWT電池類(lèi)似,EWT電池也是通過(guò)在電池上鉆微型孔來(lái)連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個(gè)通孔,EWT電池每塊硅片大約有2萬(wàn)個(gè)這種通孔,故激光鉆孔成為唯一可滿(mǎn)足商業(yè)規(guī)模速度的工藝。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
EWT電池由于正面沒(méi)有柵線(xiàn)和電極,使模組裝配更為簡(jiǎn)便,同時(shí)由于避免了遮光損失且實(shí)現(xiàn)了雙面收集載流子,使光生電流有大幅度的提高。用于工業(yè)化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網(wǎng)印刷和激光技術(shù),并對(duì)硅片質(zhì)量具有一定的要求,這為EWT電池工藝技術(shù)提出諸多的要求,比如無(wú)損傷激光切割的實(shí)現(xiàn)、絲網(wǎng)印刷對(duì)電極形狀的限制、孔內(nèi)金屬的填充深度以及發(fā)射極串聯(lián)電阻的優(yōu)化等。利用這種新型幾何結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來(lái)的早期電池獲得了超過(guò)17%的效率。
 
激光刻槽埋柵電池
 
由UNSW開(kāi)發(fā)的激光刻槽埋柵極技術(shù),是利用激光技術(shù)在硅表面上刻槽,然后埋入金屬,以起到前表面點(diǎn)接觸柵極的作用。發(fā)射結(jié)擴(kuò)散后,用激光在前面刻出20μm寬、40μm深的溝槽,將槽清洗后進(jìn)行濃磷擴(kuò)散,然后槽內(nèi)鍍出金屬電極。電極位于電池內(nèi)部,減少了柵線(xiàn)的遮蔽面積,使電池效率達(dá)到19.6%。
 
與傳統(tǒng)工藝的前表面鍍敷金屬層相比,這種電池具有的優(yōu)點(diǎn)是:柵電極遮光率小、電流密度高,埋柵電極深入硅襯底內(nèi)部可增加對(duì)基區(qū)光生電子的收集,濃磷擴(kuò)散降低濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗,提高了電池的開(kāi)路電壓等。
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
這種電池既保留了高效電池的特點(diǎn),又省去了高效電池制作中的一些復(fù)雜的工藝,很適合利用低成本、大面積的硅片進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
 
OECO 電池
 
OECO 電池是傾斜蒸發(fā)金屬接觸(Obliquely evaporated contact,OECO)硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱(chēng)。與其他高效電池相比,具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、制作簡(jiǎn)單、電極原料無(wú)損耗、成本低廉和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。OECO電池結(jié)構(gòu)基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)接觸,利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極,無(wú)需光刻、電極燒穿、電極下重?fù)诫s和高溫工藝即可形成高質(zhì)量的接觸,并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極。更為重要的是當(dāng)這種電池制作面積從4 cm2擴(kuò)大到100 cm2時(shí),效率也只是從21.1%略微降到20%,仍然屬于高效范圍,所以這種結(jié)構(gòu)的電池更適宜于工藝生產(chǎn)。
 
 
淺談高效晶體硅電池技術(shù)
 
OECO結(jié)構(gòu)示意圖如所示,電池的表面由許多排列整齊的方形溝槽組成,淺發(fā)射極n+位于硅片的上表面,在其上有一極薄的氧化隧道層,Al電極傾斜蒸鍍于溝槽的側(cè)面,然后利用PECVD蒸鍍氮化硅作為鈍化層和減反射膜
 
OECO電池有以下特點(diǎn):(1)電極是蒸鍍?cè)跍喜鄣膫?cè)面,有利于提高短路電流;(2)優(yōu)異的MIS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以獲得很高的開(kāi)路電壓和填充因子;(3)高質(zhì)量的蒸鍍電極接觸;(4)不受接觸特性限制的可以被最優(yōu)化的淺發(fā)射極;(5)高質(zhì)量的低溫表面鈍化。
 
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出,太陽(yáng)能作為理想的可再生能源受到了更多的重視,全球的研究團(tuán)隊(duì)正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。目前太陽(yáng)能電池的種類(lèi)不斷增多,但晶體硅太陽(yáng)能電池因?yàn)閮?yōu)異的特性和較高的轉(zhuǎn)換效率,在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。
 
 
 
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