2019SE+PERC电池资料整理-吴帅.pdf

2019 SE+PERC电池资料整理 吴帅 太阳能电池的分类 太阳能电池的 能量损失分析 太阳能电池的工作图 ①太阳电池受光照后，能量小于禁带宽度的光子 不能被吸收，直接穿过电池而透射 出去 。 ② 若光子的能量比禁带宽度大，就会被吸收而产 生电子 -空穴对，电子和空穴分别 被激发 到导带和 价带的高能态，处于高能态的光生载流子很快与 晶格相互作用，将能量 交给声子而回落到导带底 和价带顶，这一过程称为热化过程 （ thermalization），热化过程使高能 光子的能 量损失一部分。 ③ 光生载流子的电荷分流和输运，在 p-n 结内的 损失。 ④ 光生载流子输运过程中的复合损失。 ⑤ 电压的输出又有一压降，引起接触电压损失。 太阳能电池的 能量损失分析 为减少电学损失以提高电池效率，可以从以下方面着手 ： ① 选用良好晶体结构（高 纯度 、少缺陷）的硅片和类型（如 n 型） ； ② 发展理想的 p-n 结形成技术（如离子注入） ； ③开发 理想的钝化技术，使器件表面或体内晶界的光生载流子复 合中心失去复合活性， 如 SiO2、 SiNx、 SiC、非晶硅（ a-Si）和 H2 钝化等技术 ； ④ 采用合理的金属接触技术，以 使电池 的串联电阻最小，并联电 阻最大 ； ⑤ 最佳的前场和背场技术。 高效太阳能电池主要技术因素 太阳电池的主要技术参数有 短路电流 （ Isc）、开路电压（ Voc）和填充因子 （ FF），这三个参数与电池材料、几何结构 和制备 工艺密切相关。所有的高效晶 体硅太阳电池技术，都是围绕如何获得较高的 Isc、 Voc和 FF 而展开的。 高效太阳能电池主要技术因素 几种 高效晶体硅太阳能电池 钝化发射极太阳能电池 （ passivated emitter solar cell， PESC） 近年来，晶体硅太阳电池的一个重要进展来自于表面钝化 技术水平的提高。 澳大利亚新 南威尔士大学采用钝化技术， 在高效太阳电池的研究方面取得了卓越的成就。钝化 发射 极 太阳电池的结构示意图如 图所 示。首先使用热氧化的技 术在硅片的表面生长一层 小于 10nm 的 SiO2 层，在这样 的厚度之下，载流子几乎不可能隧穿，从而起到钝化 发射 极表面 的作用；在背面沉积一定厚度的铝层，铝和硅热处 理之后会形成合金，可以吸除 电池体内 的杂质及缺陷，因 此提升了电池的开路电压。 SiO2 并不是覆盖电池整个表 面， 而是通过 光刻在栅电极的下面形成 5um 的细槽，在 这些细槽内，金属栅电极直接与硅片接触 ，这样 ，通过使 电极区域面积的缩小来增强电极区的钝化效果，进而降低 了表面态，减小 了表面 的复合速率，开路电压得以提高。 PESC 电池结构 示意图 几种 高效晶体硅太阳能电池 选择性发射极太阳能电池 p-n 结的形成是太阳电池的核心部分，因此在扩散时掺杂浓度的高低就显得尤为重 要 。发射区 掺杂浓度对转换效率的影响是双重的，在常规晶体硅太阳电池中，通常 采用较 高浓度 的掺杂，目的是使硅片和电极接触面之间的接触电阻减小，从而降低 其串联电阻。 但是若 掺杂浓度过高，电池的顶 .层复合增大、使得少子寿命也随之降 低，这就会影响电池 的短路电流 和转换效率。为解决发射区掺杂浓度对太阳电池转 化效率的限制，提出了 选择性发射极 （ selective emitter， SE）电池的设计方案， 即在金属栅线（电极）与硅片接触的 地方 及其附近进行高掺杂和深扩散，而在电极 以外的地方进行低掺杂浅扩散。 SE 电池与 传统 电池基本结构对比如 图所 示。采用 SE 结构的太阳电池，它具有如下优点 ： ①降低串联 电阻，提高填充因子。接触电阻与表面掺杂浓度有关，表面掺杂浓度越 高， 接触电阻越 小 。 ② 减少载流子复合，提高表面钝化效果。 SE 电池结构的电极间浅扩散可以使载流 子横向流动 .时的复合几率有效的减少，提高载流子收集效率；另外，低表面掺杂浓 度 可以 使表面态密度较低，这样也可提高钝化效果 。 ③ 增强电池短波光谱响应，提高 短路电流和 开路电压。同时，由于 SE 结构电池存在 一个横向的 n++—n+高低结，和传统结构相比 ，此 高低结可以提高开路电压。 几种 高效晶体硅太阳能电池 选择性发射极 太阳能电池 SE 电池（左）与传统晶体硅电池（右）的结构对比示意图 几种 高效晶体硅太阳能电池 金属环绕贯穿 （ metal wrap throug， MWT）太阳能电池 通常 晶体硅太阳电池的发射区以及发射区的电极都在电池正面，尽管电 极栅线在 电池正面 的所遮面积仅为电池面积的 7%左右，但这部分栅线依 然会阻挡电池对阳光的吸收 ，可以 通过减小栅线宽度来减少遮光的面积， 然而较细的栅线会导致电极的接触电阻增加 ，从而 降低转换效率，而且 工艺难度也会増加，如果把正面电极转移到背面，使发射区 电极和 基区 电极均位于电池背面，即所谓的背接触电池，则可以降低或完全消除正 面栅线 电极的 遮光损失，从而提高电池的效率。一般 MWT 电池的结构 示意图如 图所 示。 几种 高效晶体硅太阳能电池 金属环绕贯穿 （ metal wrap throug， MWT）太阳能电池 MWT 电池的主要优势是： MWT 电池与常规太阳电池的主要区别是 主栅 .线位于 电池的 背面，仅保留了正 .面的细 .栅，因此正 .面的遮 .光 面积减小，接受 .光照的 .面积增大， 有效增加 了电池片的短路电流， 使转换效率得以提高。由于激光钻孔后，在孔内进行扩散及 金属化 ， 这样正面和孔中就是电池的发射区，可以实现双 p-n 结，位于前表面 的发射极细 栅所 收集的电流通过金属化的通道引导到电池的背面主栅， 共同对载流子进行收集，使 载流子的分离和与收集效率提高。因此， MWT 电池对材料质量要求不高，少子寿命较低的硅片 采用此结构仍 可以获得较高的短路电流，应用于多晶硅电池更加有利于降低成本。 同时 ， MWT 电池制作光伏组件时，不存在正面主栅的焊接，电池片 之间的连接均由背面电极 提供 ，降低了由焊接引起的电阻损耗，使电 池到组件的损耗降低，提高组件的输出功率。 但是 MWT 电池的组件 封装技术及其低成本化、是 MWT 技术面临的问题。 几种 高效晶体硅太阳能电池 IBC 太阳能电池 IBC 电池是在 20 世纪 70 年代被 提出， 是研究最早的背结电池，最开 始主要 应用于 聚光系统中。该电池是利用光刻技术，在背面分别进行 硼、磷局域扩散，形成 p+发射极 和 n+背表面场，同时发射区电极和 基区电极也交叉排列在背面。在电池前后表面 覆盖一 层热氧化 SiO2， 以降低表面复合。在高聚光条件下的电压饱和效应可以通过重扩散所 形成的 p+区与 n+区进行有效消除，此外， p+和 n+区接触电极的覆 盖面积几乎较小到背 表面 的一半，使其串联的电阻大幅度降低。如何 制作出质量比较好、呈叉指形间隔排列的 p区 和 n 区是 IBC 电池的核 心。 IBC 电池除具有背接触电池的所有优点外，还由于电池 前表面 没 有金属栅线，带来了如下好处 : ① 由于正面无栅线遮挡，入射光子更多，可以 增加电池 的短路电流密 度 ； ② 由于正面无栅线，不必考虑正面的接触电阻问题，可以最大 程度 优 化前表面的陷光和表面钝化性能 ； ③ 由于正负电极都放在电池背面，不用考虑金属栅 线对 电池的遮挡问 题，可以将栅线宽度加宽，降低金属接触的串联电阻 。 几种 高效晶体硅太阳能电池 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thinfilm)太阳能电池 HIT 电池的结构示意图如 图所示， 它是以 n 型单晶硅片为衬底，在 经过 清洗 制绒的 n 型 CZ c-Si 正面首先沉积厚度为 5～ 10nm 的本 征氢化非晶硅薄膜 (i-a-Si： H)，接着 进行 p 型氢化非晶硅薄膜 (p- a-Si： H)的制备，从而形成 p-n 异质结。在硅片背面 依次沉积 厚度 为 5-10nm 的 i-a-SI： H 薄膜、 n 型 a-SI： H 薄膜 (n-a-Si： H)形成 背表面场。在 掺杂 a-Si： H 薄膜的两侧，再沉积透 .明导 .电氧 .化物 薄膜 (TCO)，最后通过丝网印刷技术在 两侧 的顶层形成金属集电极， 构成具有对称结构的 HIT 太阳电池。也可以用 p 型单晶硅 为衬底 ， 获得对应结构的异质结 电池 . HIT 电池的制作工序为：硅片 → 清洗 → 制绒 → 正面 沉积 非晶硅薄膜 → 背面沉积非晶硅薄膜 → 正反面沉积 TC0 薄膜 → 丝网印刷电极 → 边缘 隔离 → 测试。 HIT 太阳能电池结构示意图 晶体 硅太阳能电池钝化接触技术 太阳能电池表面钝化结构的演进 早期丝网印刷电池 普通丝网印刷电池 PERC/PERL 电池 背面钝化接触电池 背面钝化接触电池结构 钝化 接触理论 当一块半导体突然中止时，理想单晶 晶格的完整周期性就会被突然破坏。 周期性 势函数 将导致禁带中出现电子 能级。半导体中的单一缺陷会在禁带 中产生分立能态，而表面 处周期函数 的突然中止，将会导致如 图所 示的 情 形， 即在整个半导体禁带中 会出现 允 带能级分布。同样，在硅的晶体结构 中，表面与界面都代表了严重的不连 续性。 因此 ，在硅材料表面存在着一 系列密度很高的容许能级，这些能级 对应了禁带之中的能量 ，电子 和空穴 就会在禁带内的某个能级（复合中心） 复合，如 图所示， 禁带 中存在 的这些 缺陷能级使价带之中的空穴和导带之 中的电子在缺陷能级中进行复合，这 种 复合 通常被称为间接复合。 表面状态示意图 表面能态示意图 晶体硅表面示意图 钝化 接触理论 载流子复合必然伴随能量的降低，能量守恒要求这部分 降低的能量必须被释放出来， 释放能量的方式有三种 ： ① 发射光子，以这种方式释放能量的复合为辐 .射复 .合或 者发 .光 .复合； ② 发热，也就是多余的能量会使晶格震动更为强烈 ； ③ 将能量传给其他的载流子 ，增加 其动能，这种复合被 称为俄歇（ Auger）复合 。 钝化的实质是令结构缺陷包括表面处的不饱和键饱和， 从 能带结构 上看就是令其能级被填充而不能起作用，钝 化是硅晶太阳电池技术的关键核心之一。 目前较好的钝化水平可以使表面复合速度降到 10 cm/s 水平。 间接复合过程示意图 钝化 接触理论 晶界的局域态缺陷 包括 (1)悬挂键 (dangling bond 或 broken bond)引起的晶体 缺陷； (2)从外界沉积的非本征杂质 (extrnsic impurity)； (3)晶体生长过程中在界面聚集的非本征杂质。 钝化 接触理论 钝化接触结构的隧穿 钝化接触技术既能降低表面复合，又无需开孔。要用于 钝化接触结构的材料 必须满足 ① 对电池表面具有良好的钝化效果 ； ② 可以有效地分离准费米能级 ； ③ 可以高效 将一 种载流子从吸收层传输到掺杂层 。 有了 这三个条件，就可以把这一结构用于电池的表面， 形成既满足钝化要求，又无需开孔即可传输电流的钝化 接触结构太阳能电池 。 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。 图为背面 TOPCon 结构太阳能电池的隧穿效应示意图， 厚度 为 1-2nm 的二氧化硅层 对载流子 具有很好的选择性， 在允许多子电子通过的同时阻挡了少子空穴的传输。 钝化接触结构隧穿效应示意图 钝化 接触理论 钝化接触结构的隧穿 具体来说，钝化接触太阳能电池的隧穿原理如 图所 示： 以 n 型电池为例，正面 首先 生长超薄的二氧化硅层，作 为表面钝化层，然后沉积硼掺杂的 p+型非晶硅层，这两 层共同 构成正面空穴传输层。沉积后，硅片靠近表面由 于能带弯曲，阻挡了电子向正面的 移动 ，电子只能向后 表面移动。相反的对空穴来说，虽然二氧化硅层对空穴 有一个小的阻挡 ，但 由于二氧化硅层很薄，空穴可以隧 穿然后通过高掺杂的 p+型非晶硅。在背面同样 沉积超薄 二氧化硅层和掺磷的 n+非晶硅层，同样由于能带弯曲， 空穴无法穿过背面，而 电子可以 穿过，所以这两层构成 了电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层， 使得光 生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池 的一个表面流出，从而实现电子和 空穴 的分离。 选择性接触电池能带图 SE原理 -量产化 原理 ：在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂，而在电极以外的区域进行低浓 度掺杂，这样，既降低了硅片和电极之间的接触电阻，又降低了表面的复合，提高了少子寿 命 ； SE的优点 ： 1）降低串联电阻，提高 FF; 2) 减少载流子复合，提高表面钝化效果； 3）增加电池短波光谱响应，提高短路电流和开压； SE激光原理：激光掺杂中，利用激光的热效应，熔融硅片表层，覆盖在发射极顶部的磷 硅玻璃中的 P原子进入硅片表层，磷原子在液态硅中的扩散系数要比在固态硅中的扩散高数个 数量级，固化后掺杂磷原子取代硅原子的位置，形成重掺杂层 ； 量产化 SE SE优势验证 Eta ISC UOC FF Irev2 Rs Rsh 计数 LPD75欧姆 +SE流程 21.56 10.011 0.665 79.68 0.038 0.00147 536 23 TS88欧姆 +SE流程 21.55 10.064 0.6679 78.91 0.041 0.00152 399 20 SE 21.69 10.065 0.6711 79.04 0.050 0.00149 436 127 差值（ SE-TS88欧姆） 0.14 0.0010 0.0032 0.13 0.009 -3E-05 37 SE优势验证 Eta ISC UOC FF Irev2 Rs Rsh 计数 常规双面 +SE印刷 21.45 9.871 0.6693 79.32 0.0285 0.0016 769 48 SE 21.58 9.8745 0.6726 79.40 0.0591 0.0015 425 85 差值（ SE-常规双面） 0.13 0.0035 0.0033 0.08 0.0306 -0.0001 -344 SE的电性能优势趋势基本与理论一致，数据显示， UOC优势比较 明显， ISC和 FF优势不明显 ; 量产化 SE SE重扩 SE浅扩 SE重扩 常规双面 PERC扩散 SE扩散的 ECV比较 量产化 SE SE工艺流程 ➢SE扩散 分为常规炉管和 SE激光扩散，常规炉管进行浅 掺， SE激光进行重掺，因表面有 PSG层保护，两者均可 进行 库存 ； ➢ 常规炉管扩散除了需要进行浅掺，还需要为激光在 PSG层中储备一定的磷，以备激光进行重掺；所以激光 前后的方阻降低有一定的要求，目前基本在 40欧姆 左右； 量产化 SE SE工艺流程 激光 印刷 检测 PECVD 制 绒 常规炉管扩散 (高方阻） 湿法刻蚀 氧化 AL2O3 SE激光扩散（低方阻） 量产化 SE 激光原理 1.激光定义： 激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称 LASER的 音译，是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是 “ 通过受激发射光扩 大 ” 。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。 1964年按照我 国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称 “激光”。 2.激光产生理论 介绍 激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态： a. 受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收 了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级 。 量产化 SE 激光原理 b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在 着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自 发地从高能级激发态 （ E2）向低能级基态 （ E1）跃迁，同时辐射出能量为 （ E2-E1）的光子 。 c. 受激辐射（激光 ） : 当频率 为 =ν（ E2-E1） /h的光子入射时，会引发粒子 以一定的概率，迅速地从 能级 E2跃迁到 能级 E1，同时辐射一个与外来光子 频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。 量产化 SE 激光原理 3.晶体 腔：工作物质，谐振腔，激发源 • 工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离 子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石 （ Nd:YAG） YAG激光 晶体。 • 谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或 凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔 的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向 的光加以抑制。 • 激发源：要使工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电 激励式，化学式。 量产化 SE 激光原理 激励能源 工作物质 全反射镜 部分反射镜 激光的产生过程可归纳为： 量产化 SE 激光原理 镜头聚焦原理 ——凸透镜 量产化 SE 激光原理 激光刻划原理 量产化 SE 激光原理 激光扫边原理 ——激光控制系统 冷却系 统 激光电 源 激光腔 反 射 镜 扩 束 镜 Q 开 关 输 出 镜 声光电源 计算机系统 扫描振 镜 运动工作台 聚焦系 统