10001467_聚合物钝化技术在IBC太阳电池中的应用

聚合物钝化技术在 IBC 太阳电池中的应用 葛坤鹏 1 陈剑辉 1杨林林 1 许颖 1麦耀华 2 1 物理科学与技术学院，河北大学，071002，保定 2 新能源技术研究院，暨南大学，510632，广州 摘 要：随着晶体硅太阳电池技术的不断发展，硅片的厚度不断降低，电池的表面钝化和减反 射技术对提高太阳能电池转化效率变得尤为重要。传统钝化和减反射材料由于制备过程需要高 温、高真空和危险气源等问题，导致制造成本高，影响大规模生产及应用。新型聚合物钝化技 术以其制备工艺简单、安全和成本低的优势，成为人们研究的热点。本文介绍了一种新型聚合 物钝化技术，研究了涂覆有聚合物薄膜的 IBC 太阳电池性能。结果表明，有机聚合物薄膜具有 良好的钝化和减反射效果，并有效地提高了 IBC 太阳电池的效率，降低了生产成本。在实验中， 我们不仅在面积 4.5 cm2 的 IBC 太阳电池上获得了电池效率的明显提升，还在面积为 156×156 cm2 的 IBC 电池片上得到了 19.6%的电池效率。 关键词：钝化；减反；IBC 电池 1. 研究背景 因为晶体硅体内 Si 原子有序排列，体缺陷少，所以相比较晶体硅太阳电池的体复合来说， 表面复合更为突出。因此，减少硅片表面缺陷、抑制载流子复合成为太阳能电池制备过程中的 关键一步。钝化是最常见的硅片表面处理技术。钝化材料有 SiNx、a-Si:H、SiO 2 和 Al2O3 等 [1-3]。 另外，太阳能电池是光电转化器件，减反射材料在电池制备中也必不可少。常见的减反射材料 有 SiNx、 SiO2、 MgF2 及氧化铟锡 (ITO)等 [4-6]。在研究中，还有一类材料具有钝化和减反射双功 能。典型的钝化、减反射双功能材料是 SiNx，在晶体硅太阳能电池中应用广泛。 叉指背接触太阳电池(IBC)前表面没有栅线遮挡，能够充分利用太阳光。因此，制备良好的 钝化和减反射层成为提升 IBC 太阳电池的关键。通常，IBC 电池前表面采用高掺杂 n+作为前表 面场，SiN x 作为表面钝化和减反射层。但 SiNx 薄膜的制备通常采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD)法制备，需高温、高真空和危险易爆的 SiH4 气体，不符合大规模量产的要求。新型有 机聚合物薄膜具备低温、低真空且安全的工艺要求和低成本的优势 [7-9]，为高效低成本量产的需 求提供了可行方案。 2. 研究内容及结果讨论 我们的研究内容是在低温，非真空，无危险气源的条件下制备新型聚合物钝化薄膜（有机 聚合物 Polymer） ，测试 Polymer 钝化 n-Si 表面后的少子寿命；将 Polymer 涂覆于 IBC 太阳电池 前表面，测试 IBC 太阳电池的 I-V 特性曲线，并与没有 Polymer 涂层的电池作对比。 104105106123 1.98 ms Minority carie dnsity (cm-3)ef(ms) 图 1 Polymer 双面钝化 n-Si 的少子寿命曲线。 图 1 展示了 Polymer 钝化 n-Si 的少子寿命曲线。Polymer 钝化 n-Si 得到 1.98ms 的少子寿命， 钝化效果明显，说明 Polymer 可有效减少硅片表面缺陷，抑制 Polymer/Si 界面载流子的复合。 图 2 IBC 太阳电池前表面涂覆 Polymer 的结构示意图。 图 2 是 Polymer 涂覆于 IBC 太阳电池前表面的结构示意图。Polymer 是采用低温、非真空 的溶胶- 凝胶工艺，在 IBC 太阳电池表面起钝化和减反射双重作用。 00.20.40.610203040 19.6753.65.316.27534.630.8with/oPCE (%)F Jsc (mA/c2)Voc W/Owith Polymerurent dsity (A/cm2 ) Voltage(V) Area: 4.5 cm2 rea: 15× cm200.20.40.610203040 16.873.602.14.9735.9.with/oPCE (%)F Jsc (mA/c2)Voc W/Owith Polymerurent dsity (/cm2) Voltage(V) 图 3 左图和右图分别为 Polymer 涂覆于不同面积 IBC 太阳电池的 IV 曲线及 PV 参数。 Polymer 涂覆于面积大小不同的 IBC 太阳电池前表面，均得到开路电压，短路电流和电池 效率的提升。在小面积 IBC 电池上，开路电压提升了 12 mV，短路电流密度提升了 3.5 mA/cm2，效率提升了 12%。在大面积产业化 IBC 电池上，开路电压提升了 25.5 mV，短路电流 密度提升了 5.6 mA/cm2，效率提升了 21%。由此得出，Polymer 在基片性能优越的电池片上会 展现更加显著的性能。 3. 结论 通过溶胶-凝胶法在低温、低真空条件下制备 Polymer 薄膜，安全且低成本。 Polymer 薄膜 具有钝化和减反射双功能，可有效减少硅片表面缺陷，抑制载流子复合，减少表面反射。将这 种新型表面钝化材料用于 IBC 电池前表面，有效提升了电池的开路电压和短路电流，电池效率 得到显著提高。我们小面积 IBC 电池上得到 16.8%的效率，在产业化 156×156 cm2 电池片上得 到了 19.6%的电池效率，为产业化生产提供了一个可行方案。 参考文献 [1] Schmidt J, Werner F, Veith B, et al. Advances in the Surface Passivation of Silicon Solar Cells[J]. Energy Procedia, 2012, 15(17):30-39. [2] Aberle A G. Overview on SiN Surface Passivation of Crystalline Silicon Solar Cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2001, 65(1):239-248. [3] Ge J, Ling Z P, Wong J, et al. Optimisation of Intrinsic a-Si:H Passivation Layers in Crystalline-amorphous Silicon Heterojunction Solar Cells[J]. Energy Procedia, 2012, 15(1):107-117. [4] Wan Y, Mcintosh K R, Thomson A F. Characterisation and optimisation of PECVD SiNx as an antireflection coating and passivation layer for silicon solar cells[J]. Aip Advances, 2013, 3(3):239-a. [5] Nagel H, Aberle A G, Hezel R. Optimised antireflection coatings for planar silicon solar cells using remote PECVD silicon nitride and porous silicon dioxide[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 1999, 7(4):245–260. [6] Dhungel S K. Double Layer Antireflection Coating of MgF2 / SiNx for Crystalline Silicon Solar Cells[J]. Journal- Korean Physical Society, 2006, 49(3):885-889. [7] Chen J, Shen Y, Guo J, et al. Electrochemical grafting passivation of silicon via electron transfer at polymer/silicon hybrid interface[J]. Electrochimica Acta, 2017, 247. [8] Chen J, Shen Y, Guo J, et al. Silicon surface passivation by polystyrenesulfonate thin films[J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(8):297. [9] Chen J, Shen Y, Chen B, et al. Polymer Thin Films for Anti‐Reflection and Passivation on the Front Surface of Interdigitated Back Contact c‐Si Solar Cell[J]. Solar Rrl, 2017, 1(7):1700079. 作者简介： 葛坤鹏，女，河北大学硕士研究生，研究方向为新型光电功能材料与器件。E-mail：gekunpeng0207@163.com