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9-MWT高效太阳电池的生产

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9-MWT高效太阳电池的生产

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文(晶体硅材料及电池)MWT 高效电池的生产汤坤,周艳芳,蒋秀林,于海斌,何为晋,班文正,吴兰峰,张红玲,王尚华,曹兵,李敬伟,朴松源,单伟晶澳太阳能摘要 对于硅基太阳能电池来说,可以通过一些技术来达到高的转换效率。这其中包括金属穿孔卷绕技术( Metallization Wrap Through, 简称 MWT) ,通过将位于正面发射极的接触电极穿过硅片基体引导到硅片背面, 以减少遮光面积提高转换效率。 这项技术的主要优点是只需在现有硅电池生产线的量产平台上增加一道激光穿孔工艺步骤, 就可以相对容易进行生产。 然而此技术在真实的量产中的复杂性在于, 既要使在背面形成发射极接触要与极性相反的基极接触完全隔绝开来, 同时还要顾及到量产时的成本和产率。 这些都增加了 MWT电池大规模量产的难度。 晶澳太阳能在最近开发出一种与众不同的技术途径来实现 MWT晶硅太阳能电池量产。 这项技术创新从根本上简化了 MWT电池制造工艺, 极大地改善了电池生产时电极隔绝的成功率, 因此为 MWT电池的大规模量产铺平了道路。 这项技术的简易性和可靠性在MWT电池的试量产过程中得到了验证,其多晶硅电池产率大于 98,平均光转换效率高于17.5。关键词 MWT,硅基,电极隔绝,量产1 引言如何让普通硅基电池达到更高转换效率的同时降低生产成本,是光伏产业一直所面临的技术挑战。普通硅基电池的优化包括下面两点 1. 尽管普通硅基电池的正面遮光面积在 7左右 [1] ,但进一步减少遮光损失仍可以带来直接的效率提高和银奖耗量降低 ;2. 传统的组件制造使用焊带串联方式, 考虑减少 FF 损失而使用宽且厚的焊带会带来遮光面积的增加和由于错位放置而引起碎片,而且高温焊接本身就会增加电池片翘曲和隐裂的风险 [2] 。金属穿孔卷绕技术 ( MWT) 提供了这两点优化的可能性。它通过激光穿孔和灌孔印刷技术将正面发射极的接触电极穿过硅片基体引导到硅片背面,直接减少了主栅的遮光面积。MWT电池组件的封装采用导电胶将背面正负极同时与基板连接,增加堆积密度,方便安全, 减少 FF损失和提高 Jsc 分别大约2.5和 1.6[3] 。同时 MWT电池的组件封装技术与超薄硅基电池更加匹配 [4] 。MWT电池工艺中如何使用激光精确而安全的穿孔,如何避免孔洞内及附近的漏电,都是需要特别关注的问题 [5] 。在过去的一年里,晶澳太阳能在普通硅基电池生产线的基础上,实现了 MWT电池的可量产化, 并在 2011 年完成试量产阶段 [6] 。并将 MWT电池这一新产品命名为锐秀电池。在以下章节中,我们将对锐秀电池的实验结果和量产数据进行分析和讨论,并对未来 MWT电池技术给出展望。2 电池结构在传统的硅基太阳能电池中,发射极接触电极和基极接触电极分别配置在电池片的正反两面。接触发射极的金属栅线电极是制做在接受阳光照射的正面,因此电池的部分表面被金属复盖,造成一部分光学损失。为减低此类光学损失, MWT电池的发射极从硅基体体内引导到电池背面,形成发射极接触电极和基极接触电极都位于电池背面的背接触结构。由于传统太阳能电池正面所具有的导电主栅线被移到背面的发射电极所取代, MWT电池片正面的遮光面积减小,接受光照的面积增加,有效增加了电池片的短路电流,使能量转化效率得到提高。图一给出常规 MWT太阳能电池的截面图。与传统太阳能电池结构相比, MWT太阳能电池的主要不同是电池的正负电极都位于电池的背面,位于表面的发射极所收集的电流由穿过硅基体的金属导线引导到电池的背面。这样一来,在制作太阳能光伏组件时,电池片之间的连接均由背面接触电极提供。这样就不需要为了方便焊接而存在的表面导电主栅线,又可降低由连接焊带引起的电阻损耗,从而既提高了电池转化效率和组件的输出功率,又使电池到组件( CTM)损耗降到最小。图一 MWT电池结构示意图图二所示的是晶澳太阳能锐秀电池的正面银栅线图形和背面正负电极的分布。图二锐秀电池正面和背面图形3 样品与实验过程本工作采用的样品为工业界标准的156-mm p- 型多晶硅片。其厚度为 190 10 um,电阻率为 1.0-2.0 -cm。为了真实地模拟量产条件,在锐秀电池开发的实验过程中,除了添加一台新的激光器对硅片开孔外,其它工艺步骤完全使用现有生产线设备其中包括多晶酸制绒,管式磷扩形成均匀的发射极, 湿法边缘刻蚀和去 PSG,PECVD制备正面减反和钝化的 SiNx 膜, 正反面丝网印刷金属化及烧结测试。制作 MWT电池的关键在于对硅片开孔的激光的选择以及对灌孔浆料印刷和烧结的优化。正确选择激光可以在保证开孔的速度和精度的同时,将对硅片的热损伤降到最低。灌孔浆料的印刷是 MWT电池工艺的难点 [7] 。因此,优化印刷机的构造以及调节灌孔浆料流变性是极为重要的一步。硅片上的孔洞必须基本上被灌孔浆料填满,这样对降低反向电流和提高填充因子都能起到正面作用。4 结果与讨论晶澳太阳能的锐秀电池在研发期间和试量产阶段都有平均为 0.6绝对效率的提高。图三是一个从量产线上取出的锐秀电池的I-V 和 I-P 结果。电池的转换效率在标准测试条件下 ( 25OC, 1000W/m 2) 为 17.88,比转换效率为 17.0 17.1的传统结构电池有 0.8左右的效率提升。由于 MWT 电池片正面的遮光面积减小,接受光照的面积增加,有效增加了电池片的短路电流密度是效率提升的主要原因。一般传统结构多晶硅电池的电流密度在 35mA/cm 2左右,而锐秀电池的电流密度可达到 36mA/cm 2,这主要是由正面遮光面积的减少带来的增益。在主栅面积减少的基础上,提高细栅印刷技术也可以带来的进一步面积的减少。总共大约可以有2-3短路电流的增益。同时光生载流子在金属栅线与硅接触面上的复合也因此得以减少,导致开路电压的增加,从而使最终转换效率得到进一步提升。图三 转换效率为 17.88的锐秀电池的 I-V 和 P-V 特性曲线图四锐秀电池转换效率的分布图0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Power[W]Current[A]VoltageV 12.0014.0015.5016.1016.3016.5016.7016.9017.1017.3017.5017.7017.88BIN23BIN24TRASH12.0014.0015.5016.1016.3016.5016.7016.9017.1017.3017.5017.7017.88BIN23BIN24TRASH合计水平 104121103415682168917676027110622806649234848512595716205180计数0.000510.000590.000500.000200.000270.000400.000820.004470.032950.132130.303540.324070.169840.024980.004660.000081.00000概率缺失项数 016 水平数频数Wracium Accumulated Eta Distribution表一列出在锐秀电池的试量产过程中 140309 片电池的 I-V 关键电性能数据的统计中值, 其中包括短路电流密度 ( Jsc) ,开路电压( Voc) ,填充因子( FF)和转换效率( Eta) 。在图四中也展示了同一批电池转换效率的统计分布图。电池转换效率的中值达到 17.63。 试量产的碎片率控制在 2以下, 基本上满足最终量产的可靠性要求。表一 140309 片锐秀电池 I-V 数据中值统计实验片数Jsc mA/cm 2 Voc mV FF Eta 140309 35.95 623 78.69 17.63 严格控制孔洞附近漏电现象的 MWT电池量产的另一个关键。如前所述,锐秀电池采用的制作工艺对灌孔浆料的抗漏电性能有很高的要求。 优化电池工艺的过程,严格控制湿刻工艺参数,改善灌孔浆料印刷质量和接触特性,以及优化正面金属化图形,使锐秀电池的反向电流( Iver2)被控制在 0.3A 以下。 如图五所示, 在工艺优化前后电池反向 EL图上可以明显看出, 孔洞附近的漏电明显降低。图五 工艺优化前后 MWT电池反向 EL 对比。 孔洞内的漏电明显降低。5 结论晶澳太阳能锐秀电池的开发实验的结果表明,在传统电池的量产线平台上增加一道激光穿孔工艺,既可实现 MWT 电池的量产化。锐秀电池的试量产证明了 MWT 电池转换效率提升和产率的可靠性,生产成本也可以得到进一步的降低。在未来,晶澳将继续在电池校准片标准、测试机台稳定性和可靠性要求以及背面电极附着力标准等方面继续优化并提出相关行业标准 [6]。 同时 MWT 电池作为一个基本的电池结构平台,它的优势还在于能够实现与其它高效电池的结合。晶澳将在提高 MWT 电池本身效率的基础上,与选择性发射极 ( SE) [8]、 局部背场钝化 ( LBSF)[9]、 n 型电池结构相结合, 进一步提高 MWT电池转换效率。参考文献[1] K. Meyer , et al., 2011 , 26th EPSEC ,984 [2] 謝心心 , et al., 2010, 科儀新知, 33,54 [3] M.W.P.E. Lamers1, et al 2010, 25th EPSEC, 1417 [4] J.H. Bultman, et al., 2000, ECN publication, p1 [5] Michael Neidert, et al, 2009, 24th EPSEC, 1424 [6] Wei Shan, 2011, 3rd Metallization Workshop, 6447 [7] Rosalynne Watt, et al, 2011, 3rd Metallization Workshop, 6455 [8] Bing-Cyun Chen, et al., 2011, 26th EPSEC, 2191 [9] B. Thaidigsmann1, et al., 2011, 26th EPSEC, 817 * 项目来源 JA Solar 简介汤坤

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