自形成点接触PERC太阳电池

Self-formed point-contact PERC solar cells 陈兵兵, 沈艳娇, 杨林林, 李锋, 许颖, 陈剑辉 and 麦耀华 Citation: 中国科学: 技术科学 47, 965 (2017); doi: 10.1360/N092016-00420 View online: http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 View Table of Contents: http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SST/47/9 Published by the 《中国科学》杂志社 Articles you may be interested in Performances of a prototype point-contact germanium detector immersed in liquid nitrogen for light dark matter searchSCIENCE CHINA Physics, Mechanics Admittance spectroscopy characterize graphite paste for back contact of CdTe thin film solar cellsSCIENCE CHINA Technological Sciences 53, 2337 (2010); Effect of ZnTe/ZnTe:Cu Complex Back-Contact on Device Characteristics of CdTe Solar CellsScience in China Series E-Technological Sciences 50, 199 (2007); Quasi-solid-state dye sensitized solar cells using supramolecular gel electrolyte formed from two-component low molecular massorganogelators SCIENCE CHINA Materials 58, 447 (2015); Effect of the self-assembled gel network formed from a low molecular mass organogelator on the electron kinetics in quasi-solid-state dye-sensitized solar cells SCIENCE CHINA Materials 59, 787 (2016); 引 用 格 式 ： 陈兵兵,沈艳娇,杨林林,等.自形成点接触PERC太阳电池.中国科学:技术科学, 2017, 47: 965–971 Chen B B, Shen Y J, Y ang L L, et al. Self-formed point-contact PERC solar cells (in Chinese). Sci Sin T ech, 2017, 47: 965–971, doi: 10.1360 / N092016 - 00420 © 2017 《 中 国 科 学 》 杂 志 社 www .scichina.com 自形成点接触PERC太阳电池 陈兵兵1 ,沈艳娇1 ,杨林林1 ,李锋2 ,许颖1 ,陈剑辉1 * ,麦耀华1 , 3 * 1.河北大学物理科学与技术学院,光伏技术研发中心,保定071002; 2.英利新能源股份有限公司,光电材料与技术国家重点实验室,保定071051; 3.暨南大学信息科学技术学院,新能源技术研究院,广州510632 * E - mail: chenjianhui@hbu.edu.cn ; yaohuamai@hbu.edu.cn 收稿日期: 2016 - 12 - 01 ;接受日期: 2017 - 04 - 24 ;网络出版日期: 2017 - 07 - 27 河北省自然科学基金(批准号: E2015201203, E2014201063)和国家国际科技合作专项(批准号: 2015DFE62900)资助项目 摘 要 传统钝化发射极背接触(PERC)太阳电池采用原子层沉积(ALD)法在电池背面形成全覆盖氧化铝(Al 2 O 3 ) 钝化层,但由于Al 2 O 3的介电特性,需在后续工艺中通过激光开槽去除部分钝化层,形成部分金属化部分钝化层 的背表面结构,本文采用旋涂法制备Al 2 O 3薄膜作为PERC太阳电池的背表面钝化层,实现了自形成点接触的背 表面结构,即金字塔表面和底部具有钝化层覆盖,金字塔顶部没有钝化层覆盖,从而无需使用激光开槽工艺即 可完成PERC电池的局部钝化和金属化.进一步发现,这种天然形成的点接触具有优良的电学接触特性,在同样 的工艺条件下,获得了比全背金属接触电池略高的填充因子(FF),不同于常规PERC电池FF低于全背金属接触 电池的情况.此外还发现自形成点接触Al 2 O 3钝化层兼具有背反射层的功能,通过对SiN x /Si/Al 2 O 3 /Al结构反射率 的测试,直接证明了背钝化层可以增强长波区太阳光的内反射.电池的开路电压( V o c ),短路电流密度( J s c )均有提 升,转换效率( η )提高约1%. 关 键 词 Al 2 O 3 , PERC太阳电池,钝化层,溶胶-凝胶法 1 引言 能源危机的加剧促使光伏产业迅猛发展, 晶体硅太阳电池作为传统的光电转化器件 其效率也在不断提升,最高的电池效率已达 26.33%( http://www .kaneka.co.jp/kaneka - e/ ).硅异质结 (HIT)电池、叉指背接触(IBC)电池、隧穿氧化层钝 化接触(T OPCon)电池以及钝化发射极背接触(PERC) 电池,是当前晶硅电池领域的几种高效电池技术[ 1 ~ 5 ] . 高效率实现的一个重要方面是硅表面钝化技术,例 如上述几种高效电池的成功分别在于使用了等离子 体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的氮化硅(SiN x ) 或非晶硅(a - Si),热氧化法制备的二氧化硅(SiO 2 )以及 原子层沉积法(ALD)制备的三氧化二铝(Al 2 O 3 ) [ 6 ]等优 良表面钝化方案. 表面钝化机制通常分为化学钝化和场钝化两种: 化学钝化是钝化材料与硅片表面发生化学反应,成键, 进而减少表面硅悬键,达到钝化的目的;场钝化是指 利用钝化材料中的带电离子产生的库仑场驱赶硅片 近表面的电子或者空穴使其远离表面进而减少它们 中 国 科 学 : 技 术 科 学 2017 年 第 47 卷 第 9 期 : 965 ~ 971 SCIENTIA SINICA T echnologica techcn.scichina.com 论 文 Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-02-14 10:44:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 陈兵兵等:自形成点接触PERC太阳电池 966 的表面复合,从而实现钝化的效果[ 7 ~ 9 ] .基于氧化铝钝 化技术的PERC电池正是利用上述的场钝化原理,即氧 化铝薄膜中含有固定的负电荷,可以排斥p型硅基底 中的少子(电子)而吸引其中的多子(空穴),进而实现阻 挡少子复合促进多子输运的目的(有利于改善太阳电 池的性能) [ 8 ~ 1 0 ] .目前PERC电池背表面通常采用ALD 法制备的Al 2 O 3作为钝化层[ 7 , 1 1 , 1 2 ] ,此种制备方法优点是 成膜质量高,不足之处是生长速度慢,且制备过程中 需要高真空和危险气源(三甲基铝),增加成本的同时 带来安全隐患.此外ALD法制备的Al 2 O 3由于会均匀 覆盖电池的整个背表面,且因Al 2 O 3是一种介电材料, 不具有导电性,所以在硅太阳电池的生产后期工艺中, 需要激光开槽,形成栅线与硅的局部接触以完成金属 化,这不但增加工艺复杂性,也不可避免地增加了实现 有效金/半接触的难度,限制了填充因子(FF)的提高[ 1 3 ] . 针对以上问题本文采用非真空、低成本的溶胶- 凝胶法(sol - gel)制备Al 2 O 3薄膜(sol - gel - Al 2 O 3 )作为PERC 电池背表面钝化层,我们发现由于旋涂时硅片表面金 字塔纵向不同位置的离心力不同而使得Al 2 O 3并不是 均匀地分布在金字塔表面,塔底被全部覆盖而塔尖基 本裸露,如此在后道金属化工艺过程中电极与晶体硅 表面在塔尖实现了天然的局部接触,从而避免了激光 开槽工艺的使用以简化工艺.这种天然的局部接触由 于金字塔塔尖突出而易于金属化,可以实现大于全背 金属接触电池的FF ,而不是像传统PERC电池技术那 样,受限于激光开槽后难以全面金属化而使得FF低于 全背金属接触的情况.此外所形成背表面钝化层兼具 有背反射的功能,使得电池的性能有明显地提升. 2 实验 2.1 电池的制备 使用溶胶-凝胶法在Ag(栅状)/SiN x /n + /p - Si衬底上 生长Al 2 O 3钝化层,其中所用硅片为双面金字塔结构. Al 2 O 3为20%水胶态分散体悬浊液,再加入异丙醇混合 稀释(Al 2 O 3与异丙醇的体积比为1:2),超声30 min使溶 液混合充分,形成前驱体溶液.实验时首先在p型硅 背面采用匀胶机实现前驱体溶液涂布于基片表面:先 以500 r/min的速度旋转6 s,后经过4500 r/min高速旋转 30 s.接着使用板式炉,将匀胶后的湿膜在150℃下烘 烤30 min,使溶剂挥发,获得薄膜的厚度约为300 nm, 最后采用蒸发法制备金属Al电极. 为了形成良好的Al/Si金半接触甚至Al背场,对蒸 发的Al薄膜进行快速退火(R T A)处理.在PERC电池制 备前,需要首先摸索这一工艺.图1给出了不同退火温 度下电池的性能,各样品退火时间均为30 s.可以看到, 随着退火温度从室温到450℃,电池的开路电压( V o c )和 填充因子(FF)明显增加.这里, V o c和FF的改善可以确 定是因为退火过程中Si/Al界面特性的改善引起的(我 们尝试了Si/Ag(溅射法)在同样的退火条件下电池性能 的变化,发现电池性能未见明显提升). FF的改善可以 理解为Si/Al接触特性的改善[ 1 4 ~ 1 6 ] , V o c的改善通常与Al 背场有关,但一般认为形成掺杂Al背场需要在600℃以 上实现[ 1 7 , 1 8 ] .本文进一步试验了溅射Al薄膜作为背电 极,也没有观察到明显的V o c被退火增强的现象,因此 推断这里的V o c改善应该与蒸发法制备的Al薄膜有关. 采用X射线衍射仪(XRD)研究了R T A前后蒸发Al薄膜 的结晶情况,如图1插图(i)所示,我们发现在R T A之前 蒸发Al薄膜XRD衍射峰较弱,表明其结晶度较差,而 在R T A之后,衍射峰明显增强,即结晶度增加.据文献 报道,材料结晶度增加会使其功函数随之增加[ 1 9 ] .对p 型硅太阳电池来说,背接触层的功函数增加,将会减少 背界面空穴势垒的高度,如图1插图(ii)所示,这相当于 背场的功能,将导致V o c的增加.由图中可以看出退火 温度在450~550℃之间电池的性能最佳,因此本文选取 这一方法的最佳条件以便集中研究sol - gel - Al 2 O 3的自 形成点接触特性对PERC电池的影响.由于样品是全 背金属电池(无背钝化层)的结果,考虑到加入Al 2 O 3钝 化层后金属与半导体的接触面积变小,所以选择550℃ 作为进一步PERC电池的退火温度.引入sol - gel - Al 2 O 3 背钝化层后,电池结构如图2所示,此电池的基本方案 是通过旋涂技术实现塔底被氧化铝薄膜覆盖完成钝 化功能,而塔顶无氧化铝覆盖层,可以与金属电极直 接接触以传导电荷. 2.2 电池性能表征及分析 应用扫描电子显微镜(SEM)对sol - gel - Al 2 O 3和sol - gel - Al 2 O 3 /Al薄膜覆盖的电池背表面形貌进行分析,应 用太阳光模拟器对电池的IV特性进行分析,应用太阳 能电池光谱响应测试装置 (IPCE)和紫外-近红外光谱 Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-02-14 10:44:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 中国科学: 技术科学 2017年 第47卷 第9期 967 图1 (网络版彩图)全背Al电池性能随快速退火温度的变化.插图(i)表示热蒸发铝薄膜退火前后XRD衍射峰的变化;插图 (ii)表示退火前后界面势垒的变化,其中虚线代表Al费米能级的变化 图2 (网络版彩图) Sol - gel - Al 2 O 3钝化背表面电池的结构示 意图 仪分别对电池的外量子效率及反射率进行分析. 3 结果与讨论 由图3 (a)可见,电池背面金字塔除塔尖外大部分 已经被sol - gel - Al 2 O 3钝化薄膜覆盖,插图清楚地显示了 裸露的塔尖形貌,图3 (c)为薄膜截面形貌图(测试时硅 片倾斜5°),直观地展示了sol - gel - Al 2 O 3薄膜在金字塔 硅表面形成了天然的局部钝化.在生长背Al电极后, 我们可以观察到良好的点接触情形(图3 (b)和(d)). 除了图3所示单晶硅片上常规尺寸(~5 μm)金 字塔[ 1 9 ]表面被sol - gel - Al 2 O 3薄膜覆盖情况,之外,我们 还研究了具有不同金字塔形状的单晶硅片以及酸制 绒多晶硅片表面的sol - gel - Al 2 O 3薄膜分布(注:不同形 状的金字塔是通过碱溶液微抛光(rounding)工艺实现 的),如图4所示.其中图4 (a)和(c)为无薄膜覆盖,分别 具有约2.5 μm和1 μm金字塔的单晶硅片.图4 (e)为无 薄膜覆盖的多晶制绒硅片.由图3 (c), 4(b)和(d)对比可 看出sol - gel - Al 2 O 3在不同形状金字塔上覆盖度不同,金 字塔越平整,薄膜覆盖面积越大,塔尖裸露越少,自成 点接触面积越小.从图4 (f)中观察到sol - gel - Al 2 O 3在多 晶制绒硅片上仍可形成局部覆盖与局部裸露,从而实 现点接触. 图5为有sol - gel - Al 2 O 3与无sol - gel - Al 2 O 3钝化层电 池性能的比较,数据显示sol - gel - Al 2 O 3钝化背表面硅太 Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-02-14 10:44:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 陈兵兵等:自形成点接触PERC太阳电池 968 图3 (网络版彩图) SEM观察电池背表面形貌. (a) Sol - gel - Al 2 O 3 ; (b) sol - gel - Al 2 O 3 /Al覆盖电池背表面金字塔的SEM形貌; (c) 和(d)分别为(a)和(b)的截面图 图4 (网络版彩图) SEM观察不同硅片薄膜分布形貌. (a), (c)为无薄膜覆盖的不同形状金字塔的单晶硅片; (e)为无薄 膜覆盖的多晶制绒硅片; (b), (d), (f)分别为sol - gel - Al 2 O 3在相 应硅片上的分布情况 阳电池的V o c、短路电流密度( J s c )以及FF均大于无 sol - gel - Al 2 O 3钝化电池,电池的转化效率( η )提升大约 1%. V o c的提升是因为氧化铝背钝化减少了背面复合, J s c的提升可以解释为氧化铝电介质增强了太阳光红 外波段的内反射.通常,对于背钝化硅太阳电池, FF会 略微下降,因为相比全背Al接触的硅太阳电池,局部 钝化电池在对钝化层激光开槽时难以形成更好的金 半接触[ 1 8 ~ 2 1 ] .但这一常规的‘正常现象’只是技术问题, 并非理论上局部接触的电池FF就应该低于全部接触. 可以看到,通过溶胶凝胶法形成的天然的点接触电池 FF就可以超过全背金属电池的FF ,这是因为FF也随着 V o c的增加而增加,换句话说,钝化的改善也会导致FF 的改善[ 2 1 ] .但在常规的Al 2 O 3背钝化硅太阳电池中,这 一改善效果被局部接触电阻增加导致的FF下降抵消, 最终导致有Al 2 O 3钝化层的电池FF相比全背金属接触 电池略低.溶胶凝胶法制备的自形成点接触氧化铝钝 化层,由于旋涂技术对金字塔纵向不同位置的离心力 和溶液分布量不同,形成了金字塔塔尖无钝化层的情 况.随后的蒸发法以紧密接触的形式在这些裸露的塔 顶成膜,从而实现了良好的局部接触.这将可能导致 钝化改善FF ,而局部接触不削弱FF的结果.为了证明 这一点,我们测试了两组电池的Suns - V o c性能,可以看 到Suns - V o c与前面的标准V o c趋势相同.另外, pFF是与 接触电阻无关的‘假’填充因子,反映载流子在输运过 程中的复合情况[ 2 2 ] ,可以看到, pFF与FF也有一致的变 化趋势,表明FF的改善来自于钝化效果的提升. Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-02-14 10:44:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 中国科学: 技术科学 2017年 第47卷 第9期 969 图5 (网络版彩图)有Al 2 O 3与无Al 2 O 3钝化层电池性能测试结果 图6所示外量子效率(EQE)曲线,可以看到有钝化 层的电池,它的电流改善主要来自长波区.由于长波 区的光子可以到达背表面,因此长波响应的增强通常 归因于背表面内反射的增强[ 2 2 ~ 2 4 ] .但是很少有直接的 证据证明这一点,这里我们测试不含正面栅线的半成 品电池结构的反射率,如图6插图所示,可以直接观察 到含有背钝化层的样品具有更高的长波区反射率,直 图6 (网络版彩图)有sol - gel - Al 2 O 3与无sol - gel - Al 2 O 3钝化层 电池的外量子效率及半成品电池(无正面栅线)反射率的变化 接证实Al 2 O 3除作为钝化层外同时还具有内反射层的 功能. 图7给出了电池的暗态J - V曲线.根据二极管方程 可知,品质因子可通过暗态饱和电流密度曲线的直线 部分求得[ 2 5 ] ,图中可以看出加入sol - gel - Al 2 O 3钝化层的 直线区斜率大于无钝化层的,表明有钝化层电池的复 图7 (网络版彩图)有sol - gel - Al 2 O 3与无sol - gel - Al 2 O 3钝化层 电池暗态J - V变化 Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-02-14 10:44:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092016-00420 陈兵兵等:自形成点接触PERC太阳电池 970 合更低,解释了电池V o c增加的原因. 4 结论 本文用sol - gel - Al 2 O 3钝化背表面硅太阳电池,在电 池的背表面形成天然的局部接触,实现了自形成点接 触.分别在不同金字塔尺寸的单晶硅和酸制绒凹坑结 构的多晶硅表面观察到了无钝化层覆盖的尖端结构, 该结构正好为进一步的点接触金属化提供了便利,从 而可以简化PERC电池的制备工艺并提升其电池性能. 利用此种方法得到电池的V o c , J s c及η均有所提升,特别 是FF ,得益于优良的背钝化和点接触特征, FF可以实 现局部接触大于全背金属接触的结果.电池开路电压 的提升主要由于Al 2 O 3的局部钝化作用,减小了背表面 复合,而电流的提升被直接证实是由于Al 2 O 3钝化层使 得电池的内反射增加,从而提升了电池对长波区的利 用率.这一工作为PERC电池的制备提供了新的技术 思路,即通过一种非真空低成本的钝化层制备技术, 实现自形成点接触,完成PERC电池所需的局部钝化 局部金属化,为下一步降低PERC电池生产成本提供 了一种备选方案. 参考文献 1 Franklin E , Fong K , McIntosh K , et al. 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This ef fect leads to that this PERC cellslightly surpassesthe solar cell with the full back metal contact in the fill factor (FF), which is dif ferent from the conventional PERC cell with laser ablation. It was also found thatthe introduction of sol-gel-Al 2 O 3 passivation layer can improve the infrared lightabsorptionin the cell. By measuring the reflection of the SiN x /Si/Al 2 O 3 /Al geometry , it was directly demonstrated thatsol-gel-Al 2 O 3 passivation layer enhanced the internal reflectionin the cell. The open circuit voltage ( V o c ) and short c