效率20.7%的TOPCon高效晶体硅太阳能电池的研究-陶科

效率20.7的TOPCon高效晶体硅太阳能电池的研究 The study on 20.7 efficient Tunnel Oxide Passivated Contact TOPCon N type silicon solar cells 第十二届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（12 th CSPV） 嘉兴，中国，2016.11.24-26 陶科 K. Tao, 贾锐 R. Jia, 李强 L. Qiang, 侯彩霞 （C. Hou）姜帅 J. Shuai, 孙昀 Y. Sun Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所 2016-11-26 报告提纲 前言  TOPCon太阳电池的研究方案  TOPCon太阳电池的研究结果 背表面的钝化研究 电池性能 结论与展望 太阳能电池核心课题 1.提高转换效率 2.降低生产成本 俄歇复合  SRH复合 表面复合  前言 复合 损失 光学损失 电学 损失 理想的载流子选择性接触 钝化介质通常不导电，因 此在有效钝化和电流导出 之间存在矛盾； 解决方案全面钝化 1.使用非晶硅作为钝化层； 非晶硅异质结钝化结构 2. 使用超薄氧化层作为钝化层； 隧穿氧化层钝化接触结构 2013年德国Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在 28 th EU-PVSEC首次报道了TOPCon电池概念 1）优良的界面钝化能力 2）有效的掺杂使得硅衬底中费米能级 分离（高Voc） 3）很强的多子输运能力（高FFs） TOP- Con SiOx 厚度小 硅薄膜 电导大 SiOx 带隙宽 TOPCon VS HIT 光的寄生吸收损失降低 Si薄膜电阻降低，缺陷态密度 也较低 Si/TCO的接触电阻降低 JscmA/cm 2 VocmV FF Eff 40.6 698.1 81.1 23 41.4 703.2 82.5 24 41.5 715.1 82.1 24.4 41.5 719 83.2 24.9 42.1 718 83.2 25.1 通过优化Ag背电极，减小背面光吸收； 优化前电极，降低遮光损失； 增加选区发射等，降低发射极串联电阻 氧化层的作用 氧化硅薄层对TOPCon钝化效果的影响 TOPCon电池的载流子输运机制 电子 空穴 E C E F E V n-c-Si n -Si SiO x E C E F E V 电子 空穴 n-c-Si SiO x p -Si 良好的热稳定性 载流子选择性收集 最新的研究对TOPCon电池的传输机制提出了新的看法 除了doped-Si/c-Si界面的非局域带间遂穿，还发现了载流子的局域输运通道； 该通道的形成是因为氧化层在高温退火过程中减薄甚至出现局部漏洞。 R. Peibst et al. / Solar Energy Materials Solar Cells 158 2016 60 TOPCon电池的载流子输运机制 P doped Si n-c-Si N doped Si Tunneling Oxide TOPCon电池的电流分布 electrode electrode 租用中科院EDA中心软件和 C结合，对TOPCon太阳 电池进行模拟 电流分布呈现典型的一维分布， 载流子输运距离短 电子和空穴分别通过隧穿穿越氧 化层最后被电极收集 PERC电池，电流密度分布模拟  TOPCon太阳电池的研究方案 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 C onc ent r at i on c m -3 Depth m 结深430nm 方阻 40 ohm/sq Formation of Tunnel oxide PECVD of Si doped films ECV profile for p emitter n poly-Si 优化前、背表面钝 化，降低复合损失 ，提高转换效率 TOPCon太阳电池的研究结果  背表面钝化研究 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 carrier lifetime E ffe c ti v e c a rr i e r l i fe ti m e s c-Si a-Si 660 680 700 720 740 Implied Voc injection level5x10 5 cm -3 I mpl i ed V oc mV 100 200 300 400 500 600 700 800 In te n s i ty a .u . Raman shift cm -1 B-800 o C B-700 o C B-600 o C B-as dep. a 100 200 300 400 500 600 700 In te n s i ty a .u . Raman shift cm -1 A-800 o C A-700 o C A-600 o C A-as dep. b a a-Si、b c-Si 薄膜在不同温度退火后的拉曼谱 存在的问题a-Si薄膜在结晶过程中出现blistering现象 a a-Si b c-Si 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 1E22 a-SiH thin films after anneal at 800 o C Without blistering Blistering C onc ent r at i on c m -3 Depth m c-SiH thin films after anneal at 800 o C c-Si 出现起泡的样品，掺杂原子很 容易扩散到晶体硅衬底内部， 而没有起泡的样品，则能有效 的阻挡杂质原子进入晶体硅。 混合型钝化结构解决起泡问题 1E14 1E15 1E16 1E-4 1E-3 0.01 0.1 E f f ec t i v e c ar r i er l i f et i m e s ec Minority Carrier Densitycm -3 c-Sin Hybrid α-Sin Hybird Si layer consists of two layers 10 nm a-Si and 15 nm μc-Si 1E-4 1E-3 0.01 0.1 5x10 15 cm -3 τ eff 3.2 ms τ eff 960 s c-Si poly-Si SiO x TEM测试结果 电池性能 annealed a-Si SiO 2 /SiNx post-anneal tauus implied Voc tauus implied Voc tauus implied Voc 317 660 209 647 348 660 在本实验中，电池发射极采用 SiO 2 /SiN x 进行钝化，由于钝化层的 工艺未能优化，钝化效果还比较差 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 5 10 15 20 25 30 35 C urrent dens i t y Voltage V hybrid c-Si a 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 E Q E / R ef l ec t anc e Wavelength nm hybrid c-Si EQE of solar cells b 0 20 40 60 80 100 hybrid c-Si Reflectance of solar cells 电池性能的比较说明混合型硅薄膜的设计能有效改善了电池背表面的钝化效果 对双面B扩的单晶硅片进行双面钝化研究 通过优化钝化层的生长工艺，双面钝化的样品少子寿命超过 了2ms（1x10 15 cm -3 ）, iVoc 1sun达到696mV。 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-4 1E-3 0.01 E f f ec t i v e c ar r i er l i f et i m e s ec Minority carrier density cm -3 τ au 2.16 ms 1x10 15 cm -3 电池性能的提升发射极的钝化 计算机模拟仿真显示，进一步优化前表面钝化，降低复合速率，转 换效率可以提高到21.69 Jsc38.93 mA/cm 2 , Voc694 mV, FF80.29 面积2x2 cm 2 通过优化B扩散发射极及其钝化，以及采用最新的多腔室PECVD 设备，优化硅薄膜的制备工艺，获得了转换效率20.7的TOPCon 太阳电池 Voc674mV, FF79.8, Jsc38.45mA/cm 2 ） 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 20 40 C u r re n t d e n s i ty m A /c m 2 Voltage V experimental results simulated 结论与展望 对于TOPCon结构（c-Si/SiO x /doped poly-Si），PECVD生长的a-Si经退火 后能获得较好的钝化效果，然而非晶硅由于较高的H含量，容易出现起泡现 象；  PECVD生长的c-Si薄膜在退火过程中能够保持稳定，但是钝化效果略低。 c-Si/a-Si混合结构能抑制起泡，并且获得较高的钝化性能，少子寿命超过 3.2ms, iVoc超过720mV； 发射极的表面钝化对电池性能至关重要，通过改善发射极的钝化，电池开路 电压显著提高，获得了转换效率20.7的TOPCon太阳电池； 软件模拟表明，进一步优化发射极钝化性能，电池效率有望提高到21.7。 接下来，我们将进一步对硼扩散的发射极及其表面钝化进行研究， 优化金属化工艺，提高电池性能，并进一步挖掘TOPCon电池的潜 力及思考工业化生产中可能遇到的问题 批量化制备的IBC电池 中国科学院微电子研究所在太阳电池方面的研究 Black Silicon 电池工艺间 光刻工艺间 B、P扩散炉 标准RCA清洗 多腔室PECVD PV2000A 量子效率综合测试仪 完 整 的 测 试 平 台 椭偏仪 SEM 拉曼-AFM综合测试系统 磁控濺射 系统 ALD系统 超高真空CVD 链式烧结炉 自制PECVD 完 整 的 研 发 平 台 Thank you for your attention 提供整套高效电池测试、关键工艺 、专业模拟和测试分析服务 拥有完整研发平台，欢迎合作研究 联系方式jiaruiime.ac.cn