N型电池类型与晶体制备方法的研究进展

N 型电池类型与晶体制备方法的研究进展2016-09-28 摩尔光伏摘要：基于 N 型电池的机遇与技术工艺路线、成本的调查，了解现有主要 N 型电池厂家的现状， 分析 N 型单晶硅的现有与潜在需求； 根据 2009 — 2014 年间关于 N 型单晶硅片的制作经验，分析 N 型单晶硅材料的品质、制造技术与成本之间的关系；分析 N 型硅片与电池的发展方向。1N 型电池1.1N 型电池的优势众所周知，相比于现在被普及应用的掺硼 P 型晶体硅， N 型晶体硅是一种更优秀的电池衬底材料 [1] 。 被公认的优势主要体现在以下几方面： 1） N 型晶体硅材料有更高的少数载流子寿命， 且可以承受更高浓度的金属杂质或缺陷等复合中心的影响。这主要是因为 N 型的少数载流子为空穴，大多数杂质原子金属对空穴的俘获截面小于 P 型少子电子。2） N 型晶体硅可以尽可能的减少硼的浓度，从而可以避免 B-O 复合体的形成。不仅可以提高硅材料的少子寿命，同时在电池中不会出现光致衰减。3） N 型晶硅电池被认为有更好的弱光效应。4）相同浓度的掺杂， N 型硅材料有更高的导电率。5） N 型电池更趋向于应用更薄的硅片，这与硅片的发展趋势是相同的。事实上 1954 年在贝尔实验室被发明的第 1 片太阳能电池片，就是以 N 型硅为衬底制作的。尽管如此，但直到 20 世纪 80 年代，主要电池片的研究与发展都是基于 P 型硅衬底的。其原因是，当时太阳能电池的主要工业应用是在卫星或宇宙飞船上，太空中的强宇宙射线对 N 型电池片造成衰减。地面上的电池应用显然不存在宇宙射线的辐射，因此 N 型电池越来越受青睐，根据InternationalTechnologyRoadmapforPhotovoltaics 预测，到 2015 年时 N型硅单晶电池将占据 30% 的硅单晶电池的比例。最近报道的 Panasonic 公司的大面积 HIT 电池以 24.7% 的效率打破了世界记录。1.2N 型电池的技术路线分析1.2.1N 型电池分类现行市场和工业研究平台上的 N 型硅电池工艺与技术很多 [1-3] ，从结构上上可以归类为以下 3 种 [4] 。 1） 硼前发射极与普通栅线的结构。忽略细节差异，该工艺大体上与普通 P 型电池工序相通， 只是发射极扩散成 P+从而形成 P 型发射极。如图 1 所示， N 型电池市场上的英利 PANDA 与三洋 HIT 电池均属于此列，只是扩散、钝化等工艺不同。2） 背发射极与普通栅线的结构。 利用铝背场与 N 型基体构成 PN 结内电场，形成电池结构。如图 2 所示，大致上可以理解为与现行 P 型电池工艺相同。3） 背发射极与全背电极的结构。如图 3 所示， IBC 电池的背表面由硼扩散p++ 区域和磷扩散 n++ 区域交错分布，表面覆盖 SiO2 钝化介质膜， p 型和 n型金属电极透过 SiO2 介质膜上的孔槽与硅基体接触。 如 Sunpower 公司的 IBC电池可以归为该类型。1.2.2 不同 N 型电池结构优势与局限性分析与对比结构上分析主要对比 2 点： 1）前发射极与背发射极的对比； 2）全背接触与普通 H 形状栅线接触电极的对比。1.2.2.1 前发射极与背发射极的对比当发射极在背面时， 电池正面被光激发的载流子需要穿越一个硅片的厚度才能达到 PN 结区，因此被发射极的电池需要应用更高少子寿命的硅晶体做衬底。中山大学的杨灼坚等用 PC1D 软件模拟了厚度 200 μ m 、体电阻率 3Ω · cm的硅片为衬底的电池（见图 4），结果表明，除表面复合速度（钝化工艺）以及方阻 （扩散工艺） 等对效率影响明显之外， 背发射极的电池对衬底材料的体少子寿命更为敏感。当少子寿命从 1000 μ s 减少到 100 μ s 时，电池绝对效率降低了4%（前发射极降低仅为 1.5% ）。值得注意的是，如果硅片厚度降低，对背发射极的结构的电池是有好处的，而这与硅片更薄的发展趋势相合。1.2.2.2 全背接触与普通 H 形状栅线接触电极对比从结构上分析， 全背接触电极的电池正面没有电极覆盖， 可以最大面积的吸收太阳光提高短路电流， 也可以实现更好的钝化与陷光效果； 此外， 由于电极在背面，不带来遮光的影响，可以降低金属电极的串联电阻。如 Sunpower 公司的 IBC 电池，最高效率达到了 24.2% 。因为背部可以设计为栅线结构从而可以吸收阳光， H 形状的普通栅线电极的一个优势是可以设计成双面电池。如英利的 Panda 电池与 Sanyo 公司的 HIT电池，最新报道 Panasonic 公司的 HIT 电池效率达到了 24.8% 。不过这 2 种接触式的优劣并非那么绝对，如采用 MWT 技术的类似于普通栅线电池即有背接触电极的优势，而 Sunpower 公司最新研究 generation3 的IBC 电池也有部分双面电池的效果（如图 5 和图 6 所示）。1.2.3 市场上的主要 N 型电池与技术介绍市场上的 N 型电池片供应商主要有 Sunpower （ IBC）、 Sanyo （ HIT）以及 Yingli （ PANDA ）这 3 家，分别代表了已经商业化的 3 种电池技术：集成背接触被发射极、前发射的极异质结、热扩散的前发射极 N 型电池技术。如前所述， Sunpower 公司的 IBC 电池技术优势在于其正表面可以更好的吸收阳光并更好的被钝化。报导的 GENⅢ电池（图 6）对比 GENⅡ（图 3），有更高的效率和更低的成本。 不同之处主要有： 优化了前表面场的扩散与钝化效果； 加大了背面电极间距， 从而使间隙处可以吸收阳光， 部分地实现了双面电池的效果； 优化扩散增加了背面发射极的复合等。 从而提高了开路电压 （达 730mV ） ，使电池平均效率提高到 23.6% ，最高达 24.2% 。该报导也指出， Gen Ⅲ电池效率与硅片少子寿命关系极为密切，当衬底少子降低到 2ms 以下时，电池效率降低至 23% 以下。相比 IBC 需要局部重掺局部氧化的极精细的工序， HIT 电池工艺更简易一些。除此之外，其优势主要有：低温的（扩散与钝化）工艺可以有效减少对硅片材料性能的影响；异质结的 α -Si 可以很好的钝化电池表面；而且其前后表面场可以用相同的工艺（更改气体）制造；其特殊的栅线结构还可以制作为双面电池；此外 HIT 电池还有更好的高温特性。有报道指出 Panasonic 的双面 HIT 电池效率高达 24.7% 。Panda 电池的最大优势在于其工艺与普通 P 型电池相似，因此制造成本都较低。 采用了硼前发射极 （管式扩散） ， 磷背场， 双面丝印栅线电极， SiOx/SiNx ：H 堆叠以及氧化铝的硼发射极钝化， 优化的 P 型发射区的金属化等技术。 Panda电池的另一个优势是其设备可以在现有 P 型电池线上进行改造，在目前的市场行情下，在投资成本上会有不小的优势。 Panda 的发展方向是与 MWT 技术相结合， 有报导 [6] 指出 MWT 技术提高了 Panda 电池 0.35% 的绝对效率。 目前的效率已经做到 20% ，其 2013 年的目标是 21% 。2N 型单晶制备因为 N 型少子对金属杂质的更高容忍力，铸锭 N 型多晶同样受到一些研究者的重视，尤其是在应用 UMG 与较低纯度硅材料的晶硅电池方面。个人认为，与此密切相关的研究热点可能还有补偿硅材料与电池效率的关系、 超薄硅片的 N型电池优势等方面。综合目前的 N 型电池制造技术与未来发展趋势，将 CZ 法 N 型单晶制造技术分类为 3 种（见表 1）： 1）普通 CZ 制造方式，与普通 P 型单晶想同的制造方法； 2）改进的 CZ 制造法，通过掺杂补偿控制电阻率分布以及热场改动控制金属杂质扩散； 3）连续直拉法 CCZ，连续加料的单晶制造工艺。3 结论1） N 型晶体硅电池的优势明显，市场预测在最近会有强势增长，特别是 N型单晶。2）市场上的 N 型晶硅电池主要有 Sunpower 公司的 BIC、 Sanyo 公司为代表的 HIT、英利公司的 Panda 。 BIC 电池依旧有着产线整体高效的优势， HIT电池创造了最高效率的记录， Panda 电池却有着更好的成本优势。考虑到技术与设备改造的优势， 猜测国内将以 ECN 与英利公司结合开发的 Panda 电池类似技术为主，产线逐渐由 P 型转为 N 型。3） CCZ 是制造 N 型单晶硅的发展方向， 其研究需要高水平的设备开发能力与晶体生长知识。4） N 型多晶硅与电池的制造，同样有待研究。参考文献[1] Cousins P, Smith D, Luan H-C, et al. Gen III: improved performance at lower cost [C]//35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference. Hawaii, USA: ECN Solar Energy, 2010: 823-826.[2] Kinoshita T, Fujishima D, Yano A, et al. The approaches for high efficiency HIT solar cell with very thin( ＜ 100% μ m) silicon wafer over 23% [C]//Proceedings, 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference. Hamburg, Germany: European Environment Agency, 2011: 871-874.[3] Benick J, Hoex B, van de Sanden M C M, et al. High efficiency n-type Si solar cells on Al2O3-passivated boron emitter[J].ApplPhysLett, 2008, 92:253504.[4] 杨灼坚 , 沈辉 . n 型晶体硅太阳电池最新研究进展的分析与评估 [J]. 材料导报 , 2010, 24(8): 126-130.[5] 田东 . n 型硅太阳能电池 [J]. 新技术新工艺 , 2006(3): 61-62.[6] Zhao Wenchao, Wang Jianming, Shen Yanlong, et al. 0.35%Absolute Efficiency Gain Bifacial N-type Si Solar cells IndustrialMetal Wrap Through Technology[C]//38th IEEE PhotovoltaicSpecialist Conference. Austin, USA: ECN Solar Energy,2012.孙李媛 1， 刘海 2， 刘林艳 2， 罗成龙 1 ， 任舒平 31. 江西省科学院能源研究所； 2. 江西赛维 LDK 太阳能有限公司； 3. 江西省科学院，来源：能源研究与管理猜你喜欢1.EL 测试在晶硅电池及组件质量控制中的应用2.高效超薄多晶硅片生产中的若干关键技术3.APCVD 技术在晶硅太阳电池中的应用研究阅读 275 2 投诉