宽带隙硅薄膜在TOPCon晶体硅太阳电池的应用研究-陶科-中国科学院.pdf

第十 四届 中国太阳级硅及光伏发电研讨会 （14 th CSPV ） 西安，中国 ，2018.11.8-10 陶科 (K. Tao), 贾锐 (R. Jia), 许志钰(Z. Xu), 姜帅(S. Jiang), 周颖(Y. Zhou) ， 包建辉(J. Bao) Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所 2018-11-10 宽 带 隙硅薄膜在TOPCon晶 体硅太阳 电池的应用研究  中科院微电子研究所太阳电池与系统 应用研究中心  研究背景  TOPCon太阳电池的研究 方 案  结论与展望 中 科 院微电子研究所太阳能研究中心  高效晶体硅太阳电池  TOPCon  IBC  HJ-IBC  湿法黑硅制绒技术 同质结IBC电 池转换效率达到21% 以 特 殊 的 掩膜代替光刻，完成背面图形化，转换效率超过19% Ke Tao, et al, Solar Energy 144 (2017) 735 Qiang Li, Ke Tao, et al, Solar Energy 135 (2016) 487 Rs:4.4Ω.cm -1 Rsh ：6.03Ω.cm -1 Voc:681mV Jsc:39.3A/cm 2 FF:79.88% E FF :21.38% TOPCon 太阳电池 大面积电池 156x156cm 2 0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 Voc=689mV Jsc=39.8A/cm 2 FF=80.3 Eff=22.02% Area ：2x2 cm 2 实验室小面 积 电 池 理 想 的 载 流子选择性接触 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 2012 2016 2020 2024 2028 16 18 20 22 24 26 28 Efficiency(%) Year Al-BSF PERC Passivated contact IBC ~26.0% ~25.0% ~23.5% ~20.0% Development of industry Si solar cells 源于德国F-ISE  研究背 景 400 600 800 1000 1200 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 HJ IBC-HJ 26.3%IBC-HJ (from Kaneka, Japan) EQE of short wavelength improved due to front optics improvement  对Top/Rear HJ ， Jsc要 明 显 偏 低，主要是因为前表面存在寄生吸收损失；  对于TOPCon太 阳电池，因为前表面采用同质结，Al 2 O 3 /SiNx作为钝化减反介 质，电池Jsc较高，而Voc 则偏低。 Cell type Voc(mV) Jsc(mA/cm 2 ) FF(%) Eff.(%) Area(cm 2 ) IBC-HJ 744 42.3 83.8 26.3 180.4 Kaneka IBC-HJ 740 41.8 82.7 25.6 143.7 Panasonic IBC 737 41.3 82.7 25.2 153.5 Sunpower Top/Rear HJ 738 40.8 83.5 25.1 151.9 Panasonic Top/Rear HJ 740 38.6 82.9 23.7 242.5 Hanergy Top/Rear TOPCon 725 42.5 83.3 25.7 4 Fraunhofer Jsc(mA/cm 2 ) Voc(mV) 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 42.5 725 83.3 25.7 相比于SHJ ，TOPCon电池的开路电压有 明显的提升 空 间 前 表 面 有 明显的载流子二维输运，且选择 性 发 射 极 结构复杂，不利于工业化 能不能把TOPCon应用到发射极，设计类 似HIT的 对 称结构？ A. Richter, et al, DOI: 10.1016/j.solmat.2017.05.042 衬底清洗(RCA) 双面隧穿氧 化 层 n + /p + poly-Si(C x ,O x ) ITO sputtering Metallization 样品结构 电池工艺流 程  双面TOPCon太阳电池 的 研究 方 案 PECVD NAOS 200 300 400 500 600 700 15 20 25 30 35 40 45 50 Sheet resistance(ohm/sqr) / Mobility (cm 2 /Vs) Annealing temperature( o C) sheet resistance mobility 0 2 4 6 8 10 resistivity carrier concentration Carrier concentration (x10 20 cm -3 )/Resistivity(x10 -4 ohm*cm) 5.00E+015 1.00E+016 1.50E+016 200 400 600 800 10000 15000 20000 After a-Si deposition After ITO annealed J 0e =18.9 fA/cm 2 1/Tau corrected(sec -1 ) Minority Carrier Density(cm -3 ) J 0e =14.7 fA/cm 2 J 0e =310 fA/cm 2 After ITO deposition 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 Tau (sec) Minority Carrier Density (cm -3 ) n-TOPCon ITO-20W ITO-40W ITO-60W post-annealed unannealed ITO 薄 膜 的 溅射功率及退火温度对n-type TOPCon样 品 钝化特性的影响： 高 能 粒 子 轰击导致多晶硅薄膜缺陷增大， 样 品 少 子 寿命大幅衰退，并且溅射功率越高 ， 少 子 寿 命下降越厉害； 一 定 温 度 的退火处理可以使溅射损伤得到 修 复 ， 样 品的钝化寿命也因此得到大部分恢 复； 研究发现退 火 温 度 在500 o C附近少子寿命 恢复程度最 高 ， 而 此 时ITO 的电学性 能 也 达 到最佳。 Ke Tao et al Solar Energy 176 (2018) 241 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 annealed at 500 o C Jsc=35.87 mA/cm2 Voc=604 mV FF=74.1% Current density(mA/cm 2 ) Voltage(V) without annealing Jsc=38.14 mA/cm2 Voc=671 mV FF=72.5%  采用双面TOPCon钝化结构，得到的太阳电池转换效率达到18.55%  电池的短路 电 流 密 度38.14mA/cm 2 ，仍低 于PERC电池的平均值，电池 表面存在寄 生 吸 收 损 失 TOPCon太阳电池 结 构 双面TOPCon钝化接触的太阳电池 F. Feldmann et al. / Solar Energy Materials 多 晶 硅 薄 膜的光学寄生损失相对较弱， 但依然达到0.5mA/cm 2 /10nm 对 策 ： 增 大硅薄膜的光学带隙，降低光的寄生吸收 短波 损失 碳原子的掺杂对P原子的内扩表 现出抑 制效应：相同的退火温度下，碳掺杂 浓度越大，P原子向硅衬底内部 扩散深 度越低 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 CH4=1 CH4=2 CH4=3 退火温度 甲烷流量 1sccm 2sccm 3sccm 800℃ 27 25 26 850℃ 143 83 26 900℃ 305 187 123 不同条件下 样 品 的 结 深(nm) 宽带隙多晶硅碳薄膜的研究 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH4=1 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH4=2 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH4=3 少 子 寿 命 的变化也很有意思： 随 着 碳 掺 杂浓度的增大，样品的最 佳 退 火 温 度发生了显著的变化，碳 掺杂浓度为3 时，900 ℃ 的少子寿 命最高，而800 ℃时 的 少子寿命最 低。 碳 掺 杂 对 钝化寿命的影响 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 950 o C CH4=4 SiO 2 (s)+Si(s) → 2SiO(g) 退 火 温 度 过高，氧化硅遂穿层受到 破 坏 ， 界 面钝化效果变差，有效少 子寿命降低 尽管退火温度已经达到950 o C ，但 钝化样品的少子寿命并没有出现明 显的降低，我们推测，碳原子的掺 入能够对氧化层起到保护作用 Τau=3ms @1e15cm -3 iVoc=714mV 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 950 CH4=41.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 碳掺杂对硅薄膜光学带隙及微结构的 的影响 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 800 o C 900 o C as dep. 随着碳掺杂浓度的变化，硅薄膜的光 学带隙可以从1.8eV 增大到 2.3eV 得益于高温退火碳原子的加入对多晶 硅的微结构有序度影响较小， 进而使得多晶硅碳薄膜依然具备远高 于非晶硅薄膜的掺杂浓度 相关的电池验证工作正在展开当中  结论与 展 望  双面TOPCon结构 [(n + ) poly-Si /SiOx/(n - )c-Si/SiO x /(p + ) poly-Si] 太 阳电池的载流子输运呈一维特性，易 于获得更高的 FF，同时良好的 表 面钝化保证了较高的开路电压，但是 前表面的寄生吸收导致短路电流 密度下降，进而影响了该结构的电池 效率 ；  溅射ITO 薄膜 导 致TOPCon 样品钝化寿命急剧下降，溅射功率越高， 少子寿命衰退越厉害！但是通过退火 可以使TOPCon 样品钝化性能得 到有效恢复，并且在500 o C附近得到最佳的恢复；  通过碳原子的掺杂可以使多晶硅薄膜 的光学带隙达到2.3eV而保持钝 化寿命 超 过3ms ，有望解决 表面的光吸收损失，进而使得双面 TOPCon太阳电池获 得更高的效率。 下一步，我们将以宽带隙多晶硅薄膜 作为发射极，将其应用到p型晶 体硅太阳电池，考察电池在效率及成 本方面的潜力。 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：jiarui@ime.ac.cn