背钝化简介

晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。 从早期的仅有背电场钝化，到正面氮化硅钝化，再到背面引入诸如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化局部开孔接触的 PERC/PERL设计。 虽然这一结构暂时缓解了背面钝化的问题，但并未根除，开孔处的高复合速率依然存在，而且使工艺进一步复杂。表面钝化的演进 钝化的“史前时代”SiNx： H 第一次进化90 年代，科研机构和制造商开始探索使用等离子体增强化学气相沉积（ PECVD）技术制备含氢的氮化硅（ SiNx： H）薄膜用作电池正面的减反射膜。其中原因之一在于相对合适的折射率， 但更重要的原因则在于氮化硅优良的的钝化效果。氮化硅除了可以饱和表面悬挂键，降低界面态外，还通过自身的正电荷，减少正面 n 型硅中的少子浓度，从而降低表面复合速率。 SiNx 中携带的氢可以在烧结的过程中扩散到硅片中， 对发射极和硅片的内部晶体缺陷进行钝化， 这对品质较低的多晶硅片尤其有效，大幅提高了当时太阳能电池的效率。伴随着钝化材料上的创新， 银浆材料与烧结工艺上的变革也同时到来， 那就是可以烧穿的浆料和共烧（ Co-firing ）烧结工艺。有了烧穿特性后，可以先进行减反射膜的沉积，后网印浆料，然后烧结。由于顺序的颠倒，不用再担心金属栅线上覆盖的减反射层影响焊接，也省去了沉积 TiO2 需要的部分遮挡。同时人们发明了将正反面浆料一次烧结的共烧工艺，在一次烧结中，正面的银浆穿过SiNx 与硅形成接触， 而背面的铝浆也同步形成背面电极和背电场 （ back surface field ） 。 这一系列改进大大简化了丝网印刷电池的工艺， 并逐渐成为了晶硅电池生产的主流。AlOx 第二次进化随着电池正面的钝化效果和接触性能由于 SiNx 的使用和银浆改进在不断提高， 进一步优化正面已经进入瓶颈阶段， 人们把视线投向了另一个复合严重的区域， 那就是电池的背表面。 虽然在传统丝网印刷的晶硅电池中， 铝背场可以减少少子浓度， 减少复合， 但仍然无法与使用介质层带来的钝化效果相比较。 其实背面的介质层钝化也非新鲜话题， UNSW早在 90 年代就提出了发射极和背面钝化（ PERC）结构以及发射极和背面钝化局部扩散（ PERL）结构，在早期设计中，这两种结构都在背面采用氧化硅层钝化， 局部开孔实现点接触以减少非钝化区域的面积。 两者的区别在于是否在开口区域进行局部掺杂扩散， 局部扩散增加工艺难度， 但会形成局部背电场， 减少接触部分的复合速率。 但高品质氧化硅的生长需要较高的温度， 对于已经经过高温扩散的硅片来说， 为减少对体少子寿命的影响，应尽量减少长时间的高温工艺，因此对其他材料的搜索在 2000 年左右提上议事日程。既然 SiNx 已经在电池正面证明有诸多好处，那能否在背面继续使用这一材料呢。答案是否定的，上面已经提到， SiNx 钝化的机制之一在于利用其正电荷减少正面 n 型区的少子浓度， 可是到了 p 型的背面， 其正电荷将有可能在背面诱导形成一层 n 型反转层 （ inversion layer ） ， 这会造成背面的旁路损失， 影响电流，降低电压和填充因子。那么问题来了，钝化背面究竟哪家强呢？在欧洲几家研究机构的努力下，一种对光伏研究人员并不陌生的材料的又一次走到台前，那就是氧化铝（ AlOx） 。其不但像 SiNx 一样可以钝化表面缺陷， 还拥有与 SiNx 相反的负电荷， 正是因为这一点，在 p 型硅背面使用 AlOx 钝化层，不但不会形成反转层造成漏电，反而会增加 p 型硅中多子浓度，降低少子浓度，从而降低表面复合速率。不过 AlOx 的使用也需要伴随这工艺的改进和设备的进步，例如解决高速沉积 AlOx 的问题，氧化铝本身的不稳定性以及良品率较低等问题。钝化接触，第三次进化？PERC以及 PERL结构的电池已经拥有相对完善的表面钝化结构，不过将背面的接触范围限制在开孔区域， 除了增加了工艺的复杂度外， 开孔的过程采用不同的工艺还会对周围的硅材料造成不同程度的损伤， 这也额外的增加了金属接触区域的复合。 由于开孔限制了载流子的传输路径， 使之偏离垂直于接触面的最短路径并拥堵在开口处，增大了填充因子的损失。有没有一种办法即能降低表面复合，又无需开孔呢。 这就需要提到近几年呼声高涨的钝化接触 （ Passivated Contact ）技术。假设我们能找到这样一种材料或结构，其满足（ 1）拥有良好的表面钝化效果；（ 2）分离准费米能级； （ 3）可以高效传输一种载流子。那么就可以把这一结构用于电池的表面，形成即满足钝化要求，又无需开孔即可传输电流的钝化接触。德国弗劳恩霍夫太阳能研究所已经开发出一项名为 TOPCon （ Tunnel Oxide Passivated Contact ，隧穿氧化层钝化接触）的技术。研究人员首先在电池背面用化学方法制备一层超薄氧化硅， 然后再沉积一层掺杂硅薄层， 二者共同形成了钝化接触结构， 这两层材料为硅片的背面提供了良好的表面钝化， 而由于氧化层很薄，硅薄层有掺杂，多子可以穿透这两成钝化层，而少子则被阻挡，如果在其上再沉积金属， 就可以得到无需开孔的钝化接触。 这一技术的详细信息我们将在下文中讨论。不过这样的钝化接触只能用在电池背面吗，如果用在正面会怎样？没有扩散 PN结的太阳能电池其实这并非一个新鲜的问题，虽然钝化接触电池这一说法近两年才出现，但其所描述的结构确实不折不扣的早已为科学家们所研究。 这种通过外加材料和结构弯曲能带， 而非电池吸收层本身掺杂， 来实现对载流子选择性通过的表面接触设计，我们称为选择性接触（ Selective Contact ）电池，而这一设计与我们传统认识中的通过扩散得到 PN结的电池有根本的不同。虽然我们现在常见的电池有高温扩散得到的 PN结， 而 PN结的内建电场被认为是分离光生载流子并让太阳能电池发电的动力。 而其实太阳能电池并不一定必须要有明确的 PN结。上世纪 70 年代， Martin Green 教授就提出了无需扩散 PN结的金属 - 绝缘层 - 半导体（ MIS）结构太阳能电池。 1985 年， Eli Yablonovitch教授就提出理想的太阳能电池应该是“采用两个异质结来设计” ，即将吸收材料置于两个宽带隙材料之间。而 SunPower的创始人之一 Richard Swanson 博士也在 10 年前预测接近理论效率的晶硅太阳能电池应“在硅和金属之间，放置一层宽带隙材料构成异质结” 。这些结构都指向选择性接触电池。假设图二中间是吸收材料，左右两侧分别是空穴电极和电子电极，而电极与吸收材料之间则是选择性传输层， 左侧为空穴传输层， 右侧为电子传输层。 由于选择性接触材料自身带隙、逸出功和费米能级的影响，吸收材料能带被迫弯曲，这使得只有与选择性传输层对应的载流子才能流向并穿透界面， 同时排斥另一种载流子，进而降低了表面载流子浓度，从而带来了良好的表面钝化效果。钝化接触技术的研究进展德国弗劳恩霍夫太阳能研究所（ Fraunhofer ISE） Fraunhofer ISE 已在钝化接触电池方向耕耘多年。在 2013 年推出了自己的隧穿氧化层钝化接触（ TOPCon）技术。 使用一层超薄的氧化层与掺杂的薄膜硅钝化电池的背面。 其中背面氧化层厚度 1.4nm， 采用湿法化学生长。 随后在氧化层之上， 沉积 20nm掺磷的非晶硅，之后经过退火重结晶并加强钝化效果。经过上述步骤，双面钝化的 200μ m厚度的 n 型 FZ硅片的隐开路电压（ iVoc ）可以达到 710mV以上，即使后续工艺温度超过 400° C， iVoc 仍可保持在 700mV以上。 其中氧化硅减少了表面态保持了较低的隧穿电阻， 掺杂多晶硅提供了场致钝化并对载流子选择性透过。 需要指出的是， 早期 MIS电池的研究中， 研究人员就已经发现当氧化层厚度超过 2nm后， 其隧穿效应就开始显著下降，影响填充因子。具体到电池工艺方面， Fraunhofer ISE 采用 n 型 FZ 硅片，正面采用普通金字塔制绒，硼扩散， ALD氧化铝加 PECVD氮化硅钝叠层起到钝化和减反射效果。背面采用上述 TOPCon技术， 正反金属化采用蒸镀 Ti/Pd/Ag 叠层实现， 电池开路电压达到 690.4mV，填充因子也达到 81.9%。为了进一步提高效率，其进一步优化正面电极设计，降低金属接触面积，背面换用单层 1μ m的银提高背面内部反射，开路电压达到 700mV，填充因子 82%，效率达到 23.7%。而在今年三月份的Silicon PV会议上， 其公布的采用 TOPCon技术的最新效率为 24.9%。 而相比 PERL结构电池， TOPCon技术无需背面的开孔及对准。在上述设计中， Fraunhofer ISE 只是将 TOPCon技术用于正面。 2014 年，该研究机构公布了正反两面钝化接触的设计， 实现了我们上文介绍的选择性接触电池结构。 采用 p 型 FZ硅片， 250μ m厚度， 无需扩散， 正反两面直接化学生长 1.4nm氧化层，分别沉积 15nm掺磷和掺硼的非晶硅，之后退火。正面采用溅镀 ITO，蒸镀 Ti/Pd/Ag 叠层栅线，背面蒸银作为背面电极。该电池设计开路电压达到692.4mV，填充因子达到 79.4%。由于退火温度的不同，这里沉积的非晶硅并未结晶为多晶硅， 而是达到了类似薄膜硅电池中的微晶硅形态。 但由于正面并未制绒，以及类似 HIT 电池中的正面 ITO 和微晶硅层的吸收，其短路电流只有31.6mA/cm2，效率 17.3%。不过研究人员还特别对比了正面多晶硅和微晶硅的吸收， 同厚度的微晶硅的吸收比非晶硅小最多两倍。 因此研究人员认为通过后续优化，这一结构有望成为可以与 HIT 竞争的另一种选择性接触电池的设计。美国国家可再生能源实验室（ NREL）NREL同样采用了氧化硅和多晶硅薄膜，其首先在 n 型硅片正面扩散 p 型发射极，之后使用 KOH平整背面，接下来采用 700C热生长或者硝酸化学方法制作约 1.5nm 厚度的二氧化硅层。 之后在之上 PECVD沉积几十纳米厚的高掺杂非晶硅（ a-Si ： H） 。通过约 850° C的退火处理，非晶硅薄层结晶为多晶硅，之后再经过 450° C氮氢混合气氛退火（ FGA） ，加强表面钝化。最后背面整面金属化。NREL称 SiO2 和多晶硅层对钝化接触的性质都有影响。通过 850° C 的非晶硅重结晶过程后， 化学和热生长得到的氧化层可以得到相似的钝化效果， 隐开路电压 （ Implied Voc） 可以达到 700mV以上， 暗饱和电流 （ Dark Saturation Current ）低于 10fA/cm2，接触电阻约为 20m-cm2。不过 NREL认为高掺杂多晶硅 / 氧化硅 /硅接触的良好品质的机理尚未完全弄清， 良好的表面钝化可能来自氧化硅的化学钝化效果以及高掺杂多晶硅的场致钝化效果， 良好的导电率则来自缺陷辅助隧穿机制以及氧化层上的微孔。 此外， 澳大利亚国立大学 （ ANU） 、 美国加州大学 （ UC） 、瑞士洛桑联邦理工学院 （ EPFL） 等研究机构也都在这一领域进行研究， 探索不同的钝化材料和结构。综上，背面钝化接触太阳能电池的优点包括（ 1）优良的背面钝化效果，彻底根除了背面金属与硅的直接接触， 提高开路电压， 而这被认为是目前太阳能电池主要的复合损失，而这是传统铝背场和 PERC结构都无法避免的； （ 2）无需复杂的钝化层开口工艺。如果将钝化接触技术用于正面还可以省去扩散掺杂工艺，防止扩散影响高品质硅片的载流子寿命， 但也会面临与 HIT 电池类似的正面寄生吸收问题，因此寻找吸光更少的钝化薄膜材料也是当前研究的热点之一。根据 PV InfoLink 预测，预计到今年底，全球 PERC电池产能将达到 24 吉瓦。PERC产线单多晶兼容，多晶 55 吉瓦绝对基数大，有 40%上 PERC即 20 吉瓦，完全可以满足“领跑者”项目 8-10 吉瓦供应。钝化发射极和背面（ PERC）技术是晶硅太阳电池近年来最具性价比的效率提升手段。 该技术与常规电池产线兼容性高， 用较低的产线改造投资， 就能有效提升单晶和多晶电池转换效率。随着 PERC产线工艺及设备的持续完善，以及适用于PERC工艺的金属化技术的成熟， PERC技术得到迅速推广应用。 据亚化咨询统计，2017 年全球 PERC电池产能将达 25GW。2017PERC浆料进展2017 年 3 月，贺利氏在日本 PV Expo上推出全新的 SOL9641B系列浆料，可适用于单晶 PERC电池，其优异的接触性能配合优化的副栅线设计和形貌，可使电池效率提升 0.2%以上。该产品在超低表面掺杂浓度发射结（ ULDE）以及其他较为严苛的发射结上， 被证明具有较低的接触电阻和较宽的接触窗口。 该产品针对PERC光伏电池的低温烧结工艺量身定制，可与其 PERC电池背电极浆料 SOL326搭配，从而实现更高的效率并满足大规模量产的需求。2017 年 3 月， 无锡尚德与儒兴科技签署战略合作协议， 双方将在 PERC电池浆料研发和应用领域进行多层次、全方位的深入合作。目前，无锡尚德 PERC电池量产转换效率已达到 21.31%，单晶 PERC组件量产功率突破 300W；多晶 PERC电池量产平均效率达到 20%以上，光致衰减比率可降为零。 2017 年无锡尚德 PERC电池产能将扩大到 600MW， 2018 年将扩大到 1GW。2017 年 3 月，正泰太阳能宣布，其多晶 PERC电池平均转换效率由 19.20%提升至 19.70%，研发最高效率达到了 20.15%。正泰多晶背钝化电池可以完美解决光衰问题， 60 片装和 72 片装的组件输出功率分别达到了 285W和 340W。 2017 年正泰太阳能计划将黑硅、 金刚线硅片与多晶背钝化相结合， 进一步提升多晶电池转换效率至 20.30%。据悉，正泰太阳能全部采用国产设备进行 PERC电池技术的研发， 其中最关键的 Al2O3 原子层沉积 （ ALD） 工艺采用了理想能源设备 （上海）有限公司的 Ideal ALD 设备。2017 年 4 月，隆基乐叶单晶 PERC电池量产最高转换效率提升至 22.17%，在行业内处于领先水平。 2016 年底，乐叶 60 片 P 型 PERC单晶 156*156mm电池组件，在标准测试条件 (STC)下功率达到 316.6W，是 TüV 系统当时所测得该型号的最高功率。最高效率的刷新 : 国内隆基乐叶最高效率达到 23.26%(国家太阳能光伏产品质量监督检验中心 ) ；晶科则于 11 月 7 日取得 P 型单晶 PERC多栅电池效率 23.45%（中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心认证） 。 多晶 P 型 PERC最高转化效率22.04%（德国 Fraunhofer ISE 实验室验证） ，由晶科 10 月 20 日取得。2017PERC组件进展2017 年 1 月， Boviet Solar 北美分公司推出新型 PERC组件。包括 72 片电池多晶 PERC组件，输出功率为 330W-335W，以及 72 片单晶 PERC组件，输出功率为 340W-345W。 此外， Boviet 还推出了新型黑色 60 片 PERC电池组件， 采用黑色边框、 黑色背板和黑色电池， 多晶 PERC电组件输出功率为 280W-290W， 单晶 PERC组件输出功率为 285W-290W。2017 年 3 月，上海航天汽车机电股份有限公司在日本东京发布了基于 P 型单晶 PERC 电池技术的 “ HyperC 高效单晶组件” 。 该组件采用航天机电自主研发的PERC 背钝化电池技术， PERC 单晶电池批产最高档位效率可达 21.2%， 60 片电池组件达到了 300W 以上的超高输出功率。2017 年 3 月， REC Solar 发布了 TwinPeak 2 BLK2 Series 多晶 PERC组件产品。该组件表面近乎全黑，拥有五条栅线的电池采用半切片封装设计， 60 片电池组件的最高瓦数达 285Wp，并已进入量产阶段。2017 年 3 月，天合光能发布了 PERC双核组件新产品。该组件是天合 PERC单晶双面发电电池技术和双玻技术的融合，拥有 PERC单晶和双玻的双重优势，是PERC单晶组件的升级产品，同时它也是国内首款采用双面发电电池技术的 PERC双核组件。