N型硅高效太阳电池研究

http://www.paper.edu.cn - 1 - 中国 科技论文在线N 型硅高效太阳电池研究 #邵俊刚，廖华，黃小龙，陈义，李雷，李承晴 **基金项目： 高等学校博士点基金； 20070681001 作者简介： 邵俊刚（ 1978），男，讲师，研究方向：光伏科学与工程通信联系人： 廖华（ 1964），男，博士，教授，主要研究方向：新能源材料及光伏器件研究 . E-mail: liaohua8@vip.sina.com （云南师范大学太阳能研究所，昆明， 650092；摘要： 本文全面阐述了 N 型硅片作为太阳电池基片的优点和缺点。 相同掺杂浓度的情况下 N型硅片比 P 型硅片的少数载流子寿命高很多， 对于电阻率是 3? cm 左右的 N 型 CZ 单晶硅片少数载流子寿命可以达到 2ms 以上，同时 N 型硅片对金属杂质有更大的容忍度等优点，使它成为下一代高效太阳电池发展方向。介绍了目前人们设计的几种主要 N 型硅太阳电池的结构。关键词： N 型硅片 ; 少数载流子 ; 高效太阳电池中图分类号： TM615 Study on high efficiency of N type silicon solar cells SHAO Jungang, LIAO Hua, HUANG Xiaolong, CHEN Yi, LI Lei, LI Chengqing (solar energy research institute, yunnan normal university, kunming 650092) Abstract: In this paper, it was discribed that the advanstages and disadvanstages of solar cells of n type base silicon wafer.Under the same impurity content, the n type silicon wafer has higher minority carrier life time than that of p type silicon wafer. It has minority carrier life time more than 2ms, when the wafer with conductivity 3 ? cm. The structures of n type silicon solar cells have been discussed. Key words: n type silicon wafer; minority carrier; high efficiency solar cells 0 引言从理论上来讲，不管是硼掺杂的 P 型硅片或者是磷掺杂的 N 型硅片都可以用来制备太阳电池。但是，目前世界上大部分晶体硅太阳电池的生产厂家采用的是硼掺杂的 P 型硅片，这是因为原来人们用 N 型硅片所制备的太阳电池开路电压和填充因子比较低 [1, 2]； 人们还发现 N 型硅太阳电池在长期使用或存放时性能会有所退化 [3]； 同时 在 P型硅片上形成 N+发射结比在 N 型硅片上形成 P+结在工业化生产中更容易实现。近年来随着科技的发展，原来困绕 N 型硅太阳电池的技术难题逐渐被攻克，并且现在主流的 P 型硅太阳电池工业化生产的效率已经可以稳定在 18%以上，要想在不增加成本的情况下进一步得到提高已非常困难，于是人们开始把目光投向少数载流子寿命比 P 型硅高得多的 N 型硅上面并取得了很大的进展。本文分析了 N 型硅太阳电池的优缺点并对以往出现的 N 型硅太阳电池结构进行综述。1 N 型硅片的优缺点1.1 N 型硅片的优点磷掺杂的 N型硅片有许多优点 [4,5] ，首先，相同电阻率的 N型硅片的少数载流子寿命比 P型硅片的高。图 1是文献 [6]提供的少数载流子寿命图。从图中可以看出，相同电阻率的 N型CZ硅片的少数载流子寿命要比 P型 CZ硅片高出 1-2个数量级，一般都在毫秒级。http://www.paper.edu.cn - 2 - 中国 科技论文在线图 1 P型硅片和 N型硅片少数载流子寿命比较Fig 1. Measured lifetime of boron-doped P- vs phosphorus-doped N-type Cz-Si wafer as a function of illumination time (halogen lamp, 1 sun) J. Schmidt,A. G. Aberle 等分析认为硼掺杂的 P型硅片中较多的硼 -氧对起到了复合中心的作用 [6]；甚至有人证明即使在磷掺杂的 N型硅片中有硼的污杂，它的少数载流子寿命也比 P型硅片的高 [7]。其次， N型硅片对金属污杂的容忍度要高于 P型硅片。从文献 [6]提供的数据可以看出：对于 Fe ,Cr,Co,W,Cu,Ni 等金属对 P型硅片的影响均比 N型硅片高。而对于 Au 却是相反的。但是对于现代晶体制备工艺而言， Au污杂已不再是主要问题。图 2金属杂质在硅中的复合行为Fig 2. Recombination activity of Fe, Cr, Co, W,Cu, Ni and Au in deliberately contaminated silicon wafers.1.2 N 型硅片的缺点N 型硅片所制备的太阳电池开路电压和填充因子比较低 [1, 2]， 因为 N 型硅片需要扩散 Ⅲ族元素硼形成 PN 结， 对于 P+发射结这样的太阳电池结构表面复合严重， 并且在长期使用或存放时电池性能会有所退化 [3] ，而常规的表面钝化手段，像 SiO 2,SiNx 等均无明显效果。令人欣慰的是 J.Benick 等人利用 Al 2O3 作为钝化层获得了好的钝化效果， 他们采用 PERL 结构，在 1? cm N 型 FZ 硅片上得到了 23.4%的高转换效率太阳电池 [8]，这也是目前 N 型硅太阳电池的最高世界记录。 用 Al 2O3作为钝化层的 P+发射结饱和暗电流可以降低到 10fA/cm 2 以下 [9]，也有人利用非晶硅作为钝化层也起到了很好的钝化效果 [16] 。另外，虽然 N 型 CZ 硅片是理想的高效太阳电池材料，但现在铸造多晶硅中含有较多的 Cr 和 Fe，这两种金属杂质对材料性能影响很大，所以 N 型多晶硅片相对于 P 型多晶硅片并不具有太大的优势 [6] 。2 N 型硅太阳电池的种类N 型硅太阳电池有各种各样的结构，我们可以把发射结做在正面，背面，也可以做在双面； 当然也可以做成 SE， EWT, PERL,MWT,HIT 等结构。 但是除了美国 SunPower 公司和http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国 科技论文在线日本 SanYo 公司外能够把 N 型硅太阳电池产业化的公司并不多。目前在国内作者只见到宁波杉杉尤利卡太阳能科技发展有限公司的报道。不过电池的转换效率不太高，平均只有16.5%。下面就简要介绍几种主要的 N 型硅太阳电池结构。2.1 PCC 太阳电池美国 SunPower 公司利用点接触 ( Point-contact cell , PCC) 及丝网印刷技术 ,于 2003 年研制出新一代背面点接触太阳电池 A-300 , 见图 3 ,效率为 20 % ,并通过进一步改进 ,使效率达到了 21.5%。并实现了产业化。图 3 SunPower 公司 A-300 太阳电池结构示意图Fig3. Schematic diagram of SunPower ’ s A-300 solar cells A-300 电池采用 N 型硅材料作为衬底 ,载流子寿命在 1ms 以上。正表面没有任何电极遮挡 ,并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应。 电池前后表面利用热氧钝化技术生成一层 SiO 2 钝化层 ,降低了表面复合并增加了长波响应 ,从而使开路电压得以提高。在前表面的钝化层下又进行了浅磷扩散以形成 N+前表面场 ,提高短波响应。 背面电极与硅片之间通过 SiO 2 钝化层中的接触孔实现了点接触 ,减少了金属电极与硅片的接触面积 ,进一步降低了载流子在电池背表面的复合速率 ,提高了开路电压。较为出色的陷光、 钝化效果 ,以及采用了可批量生产的丝印技术 ,使 A-300 成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表 [10 ,11 ] 。2.2 HITTM 异质结高效 N 型硅太阳电池2000 年 日本 三 洋 公 司 研 制 出 10 cm 2 采 用 HIT 结 构 异 质 结 太 阳 能 电 池 。 所 谓HIT( Heterojunction wit h int rinsic Thinlayer) 结构就是在 P 型氢化非晶硅和 N 型氢化非晶硅与 N 型硅衬底之间增加一层非掺杂 (本征 )氢化非晶硅薄膜 ,采取该工艺措施后 ,改变了PN 结的性能。因而使转换效率达到 20.7 % , 开路电压达到 719 mV , 并且全部工艺可以在200 ℃ 以下实现。 HIT 太阳能电池的结构示意图见图 4 。 其制备过程如下： 它是利用 PECVD在表面织构的 n 型 CZ-Si 片 （ 250μm 厚） 的正面沉积一层 10nm 厚的本征 a-Si:H 和 P 型 a-Si:H层，然后再在 c-Si 片的背面沉积一层 20nm 的本征 a-Si:H 和 n 型 a-Si:H 层。利用溅射技术在电池的两面沉积 TCO 透明导电膜，同时它也具有抗反射作用。然后再用丝网印刷技术在电池的两面制作 Ag 电极。整个制备过程都是在低于 200℃ 下进行的。双面结构的 HIT 电池由于能接收到来自地面的反射光，不论地面是否光滑，它都能发出比单面电池至少多 8.1%的电能。http://www.paper.edu.cn - 4 - 中国 科技论文在线图 4 日本三洋公司 HIT TM 太阳电池结构示意图Fig4. Schematic diagram of SanYo ’ S HITTMSolar cells2003 年， Sanyo 公司又把面积为 100cm2 的 HIT TM 太阳电池的转换效率的最高记录改写为 21.2%，大规模工业化生产也已获得 18.5%[12]。尽管三洋公司取得了如此高的太阳电池转换效率， 并已实现了 HIT 电池的产业化， 但是有关 PECVD 的沉积参数及详细制备过程却没有报道一点。世界各国的实验组至今还没有一个能达到或重复三洋公司如此好的实验结果。2.3 发射结钝化 -全背场扩散（ PERT ） N 型硅太阳电池发射结钝化 -全背场扩散太阳电池 (passivated emitter, rear totally-diffused) 是赵建华博士在澳大利亚新南威尔士大学期间设计的一种 N 型硅太阳电池 [13]。面积为 22cm2 的 N 型 FZ单晶硅太阳电池效率达到 21.5%。电池结构如图 5 所示 [17]。图 5 PERT 太阳电池结构示意图Fig.5 Schematic diagram of PERT solar cells 电池采用电阻率为 0.9 ? cm 的 FZ 单晶硅片，正表面 KOH 腐蚀倒金字塔结构，浅磷扩散形成前表面场（ FSF），背面浅硼扩散形成发射结，然后在两面生长高质量的 SiO2 钝化层 [22] ，通过光刻工艺在前电极下实现重磷扩散， 背电极的点接触处实现重硼扩散。 前电极采用电镀工艺镀银背电极热蒸发铝形成点接触结构。最后前面沉积 ZnS/MgF 2 双层减反射薄。这种结构的电池虽然效率不错，但是比现在的 P 型硅生产工艺复杂，并不适合工业化生产。 2006年已经身在中电电气（南京）光伏有限公司的赵建华 ;王爱华等申请了带有正面钝化 N 型扩散层的 N 型硅太阳能电池专利 ;其特征是： N 型直拉单晶硅片的正面通过磷形成 N+前表面场，扩散层上设有随机正金字塔绒面结构，随机正金字塔绒面结构层上附设丝网印刷的金属电极； N 型直拉单晶硅片的背面设有硼扩散制备的 P 型发射结层，在 P 型发射结层上附设丝网印刷的金属电极。并打算在中电三期工程中投入生产。2.4 N+NP 太阳电池J. Schmidt, A. G. Aberle 等人 2006年利用几乎和现代工业化生产 P型硅太阳电池完全相同的方法制备出 N+NP太阳电池 [14] 。实验室效率为 19%（ 4cm2 前电极为蒸铝电极），产业化效http://www.paper.edu.cn - 5 - 中国 科技论文在线率为 17%（ 100 cm2前电极为丝网印刷银电极）其结构如图 6。在 N型基片上正面扩散磷形成N +层，背面发射结是丝网印刷铝浆烧结而成。值得指出的是这种结构的电池发射结在背面，少数载流子的扩散长度至少要大于基片厚度， 所以对少子寿命要求很高。图 6 N+NP太阳电池结构示意图Fig.6 Schematic diagram of N +NP solar cells 2.5 背接触背结（ BC-BJ ）太阳电池德国 Fraunhofer实验室的 F.Granek,M.Hermle 等人 2008年提出下面图 7的结构，在 1? cm N型 FZ硅片上得到了 21.3%效率 [15] 。该电池结构采用 160μ m N型硅片，首先正面制备金字塔结构，然后扩散磷形成 N+前表面场（ FSF），最后用 SiO 2钝化表面再镀 SiNx 减射膜。背面通过扩散阻挡层实现硼和磷的扩散形成 P+发射结和 N +背表面场。 电极都在背面， 采用丝网印刷然后电镀的工艺完成。图 7 BC-BJ 太阳电池结构示意图Fig.7 Schematic diagam of BC-BJ solar cells 2.6 PERL 太阳电池J.Benick,B.Hoex 等人采用 PERL结构 [8]，基片采用 1? cm N 型 FZ硅片，表面制备倒金字塔陷光结构， 正面扩散硼形成 P+发射结， 然后在其上用 Al 2O3作为钝化层 [20,21]， 上面沉积 SiNx减反射膜。背面采用 SiO 2钝化层，再在背电极下面重扩散磷形成 N++背表面场。取得了 23.4%的 N型硅最高转换效率。如图 8所示 [18,19] 。图 8 PERL N 型硅太阳电池结构示意图Fig8. PERL solar cell structure on N-type silicon http://www.paper.edu.cn - 6 - 中国 科技论文在线2.7 双面 N 型硅太阳电池有许多对双面太阳电池的讨论 [23， 24， 25] ，利用 SiO2/SiNx 在太阳电池的双面进行表面钝化和制备双层减反射膜，获得最好的太阳电池效率为 18.3％。双面 N型硅太阳电池是 Gamma Solar 公司研发的一种新型结构。如图 9所示，在 N型 CZ单晶硅基底上，正面扩散硼形成 P+发射结，背面扩散磷形成 N+背表面场。详细的工艺我们无法知晓。该公司称在 180 μm 厚、156mm x 156mm 的 N型硅片上两面效率均达到了 17%并计划在 2009年 9月正式投产。图 9 双面 N型硅太阳电池结构示意图Fig.9 Schematic diagram of bifacial solar cells 3 结束语本文全面阐述了 N 型硅太阳电池的特点， 介绍了目前人们设计的几种主要 N 型硅太阳电池的结构。由于 N 型硅片的高少数载流子寿命以及对金属杂质有更大的容忍度等优点，越来越受到人们的青睐。 N 型硅太阳电池一定会快速发展， 具有光明的应用前景。 在光伏科技爆炸式发展的今天，我们有理由相信 N 型硅太阳电池很快会成为新一代高效太阳电池。[ 参考文献 ] (References) [1] J. Zhao, A. Wang P. P. Altermatt and M.A. Green, “High Efficiency PERT Cells on High Quality N-Type CZ Silicon Substrates“, Technical Digest of the 12th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Cheju Island, Korea, pp.19-22, 2001. [2] J. Zhao, A. Wang, P.P. Altermatt, M. A. Green, J. P. Rakotoniaina and O. 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