HIT电池与同质结电池的比较（报告人-王文静-中科院电工所）

HJT电池与同质结电池的比较 王文静 中科院电工所 中国科学院大学 HJT与同质结的比较  原理的比较  工艺比较  设备比较  规模的比较  成本比较  特性比较 HJT与同质结的比较  原理的比较  工艺比较  设备比较  规模的比较  成本比较  特性比较 SiNx:H 铝背场 金属电极 p型硅衬底 n型发射极 发射极轻掺杂 接触电 阻增大 少子复 合降低 发射极重掺杂 接触电 阻减小 少子复 合升高 重掺杂发射极 区域制备电极 轻掺杂区域产 生光生电流 均匀发射极太阳电池 选择发射极太阳电池 太阳电池技术发展方向之一：降低少子在中掺杂区域的输运 太阳电池技术发展方向之二：从钝化接触（ con）到钝化重掺杂 SiNx:H 铝背场 金属电极 p型硅衬底 n型发射极 SiNx:H 背场 金属电极 P(N)型硅衬底 n型发射极 金属电极 钝化膜 SiNx:H 背场 金属电极 P(N)型硅衬底 n型发射极 钝化膜 可产业化的新型结构晶体硅太阳电池 Topcon POLO HJT与同质结的比较  原理的比较  工艺比较  设备比较  规模的比较  成本比较  特性比较 常规铝背场电池 P型 PERC单晶电池 P型 PERC+SE N型双面电池 HIT电池 1 硅片清洗植绒 硅片清洗植绒 硅片清洗植绒 硅片清洗植绒 硅片清洗植绒 2 扩磷 扩磷 扩磷 扩硼 PECVD沉积硼 3 — — 激光掺杂 — — 4 等离子去边 or 湿法去背结 湿法去背结 湿法去背结 湿法去背结 — 5 清洗 清洗 清洗 清洗 — 6 — — — 离子注入磷 PECVD沉积磷 7 PECVD镀 SiNx膜 PECVD镀 SiNx PECVD镀 SiNx PECVD镀 SiNx PVD镀透明导电膜 8 — ALD+PECVD镀 Al2O3+SiNx ALD+PECVD镀 Al2O3+SiNx ALD+PECVD镀 Al2O3+SiNx PVD镀透明导电膜 9 — 激光开槽 激光开槽 — — 10 3丝印 +3烘干 3丝印 +3烘干 3丝印 +3烘干 3丝印 +3烘干 3丝印 +3烘干 11 测试分选 测试分选 测试分选 测试分选 测试分选 12 19% 21.5% 21.5% 22.0% 23% 工序数 6 8 9 8 4 各种新型晶体硅太阳电池的工艺比对 几种新型晶体硅电池的优劣对比 常规铝背场电池 P型 PERC单晶电池 N型 PERT HIT电池 硅片掺杂 P型 P型 N型 N型 硅片晶型 单晶 /多晶 单晶 /多晶 单晶 单晶 工艺步骤 6 8 8 4 最难工艺 — — 硼掺杂 镀非晶硅钝化膜 产线平均 效率 20.0%/18.8% 21.5%/19.5% 21.5% 23% 双面发电 X √ (70%) √ (90%) √ (90%) 成本 最低 次低 次高 最高 衰减 单晶 6% 无 无 综合评价 效率已达到瓶颈，将陷 于低价竞争。渐渐推出 产业 目前性价比最高 衰减问题严重 无光衰、双面发电 效率提升空间有限 成本不易下降 无光衰、双面发电 效率提升潜力最大 主要任务是降本 可产业化的新型结构晶体硅太阳电池 Topcon POLO N型 PERT电池的结构和效率  效率不高  双面扩散技术难度大  双面银电极 — 成本较 PERC提 升很多  扩硼难度大增 2017年 N型 PERT电池最高效率记录 22.9%， Voc=705mV， Jsc=40.9mA/cm2， FF=79.4% IMEC公司 2017年的世界最高记录 国内外公司 PERT电池 2017年结果 公司 工艺特点 效率 (%) Voc(mV) Jsc (mA/cm2) FF(%) 双面率 (%) 备注 英利 双面扩散 ， 双面 SiO2/SiNx 22.01 666.8 40.01 82.5 90 244.3cm2 中来 扩硼注磷 ， 双面 SiO2/SiNx 21 — — — 90 244.3cm2 航天机电 扩硼注磷 ， 双面 SiO2/SiNx 21.34 655.9 40.74 80.24 90 244.3cm2 扩硼注磷 ， 双面 SiO2/SiNx 20.74 643.4 40.31 79.99 — 245.5cm2铸锭N型准单晶 IMEC 双面扩散 ， 前 Al2O3/SiNx背 SiO2/SiNx， 前后镀 Ni/Ag 22.8 694.2 40.5 81.1 97.2 239 cm2 双面扩散 ， 背表面为发射极 前 Al2O3/SiNx背 SiO2/SiNx 前镀 Ni/Cu/Ag 背表面 Al 22.9 705 40.9 79.4 单面 239 cm2 ECN 扩硼 /LPCVD生长掺杂多晶硅(Topcon) 21.5 676 39.7 80 86 239 cm2 PERT电池的结构和工艺 The PERT cell structure and its process Screen printing Ag Texture P emitter formation Front AlOx/SiNx N BSF formation Back SiNx Fire through P emitter N BSF B diffusion P diffusion B diffusion P implantation B implantation P implantation B spray P diffusion Epitaxial growth Epitaxial growth RVD (快速气象沉积掺杂 ) RVD (快速气象沉积掺杂 ) PECVD a-P-Si:H PECVD a-N-Si:H PERT硼掺杂工艺难点之一： BBr3扩散 The problem of boron doping —1： Diffusion of BBr3 • BBr3是无色透明的液体，熔点 -46℃ ，沸点 91℃ ，蒸汽压高，可以获得较高的扩散表面浓度。使 用时采用液态源扩散法，源蒸汽用氮气携带。 BBr3在高温下分解： 23223 6234 BrOBOBBr     上式产生的溴蒸气对硅片有腐蚀作用， 故通常在扩散时要通入少量的氧气或水蒸汽 。实际反应中三个反应都会发生， 反应产生的 SiO2可以保护硅不被溴蒸气腐蚀。  B2O3在 950℃ 时是液态，其沸点在 1600℃ ，因此会造成表面不均匀。 通过降低腔内压力可以降低 B2O3的饱和蒸汽压，从而 增加扩散均匀性 。  在腔室内部温度较低处会形成 BSG，导致粘舟、粘锅，并且导致石英管壁上沉积的 BSG出现应力，使得石英管裂缝。在扩 散硼后，一旦降低温度，往往会因为应力导致石英管破损。 23 322 BrBBBr    22 S iOOSi    减压扩散 Low pressure diffusion PERT硼掺杂工艺难点之二：氧化层与硅中的扩散系数不同导致杂质分布不同 The problem of boron doping —2： The different of diffusion coefficient Diffusion coefficien t B in SiOx Diffusion coefficie nt B in Si 在氧化环境中， 硼原子在氧化 层中扩散速率 较低，硼原子 在氧化层中聚 集 在还原环境中， 硼原子在氧化 层中扩散速率 较高，硼原子 挥发到空气中， 在氧化层中聚 集较少 Diffusion coefficie nt P in SiOx Diffusion coefficie nt P in Si 1000° C P 1.1 31 Atom weight is large, the damage is amorphic area. 1000° C 使用硼的化合物分子增加注入离子质量，增加晶格损伤 使用不同的离子注入导致的损伤不同 The damage of varies B molecular implantation 有质量选择 (MA)的 B注入导致的晶格损伤小，无法形 成非晶区。无质量选择 (NMA)的 B注入导致明显的非 晶区。但是在 NMA注入后进行退火，晶化的非常好。 a-SI(480) c-SI(520) MA NMA B+ implantation result in higher annulling temperature(MA) BF+ implantation result in lower annulling temperature (NMA) Vikram Bhosle et.al. Proceeding of 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference 425(2015) 外延与 RVD的设备 Epitaxial growth and RVD equipment 高速 In Line 式设备 PERT硼掺杂工艺难点之四：制备双面掺杂层 The problem of boron doping —4： co-doping P type emitter N type BSF BBr3 diffusion POCl3 diffusion BBr3diffusion P Implantation B implantation P implantation B spray POCl3 diffusion APCVD deposited BSG POCl3 diffusion B epitaxial growth POCl3 diffusion RTV（ LPCVD） B doping POCl3 diffusion N-PERT电池 需要去背结或掩膜扩散 可产业化的新型结构晶体硅太阳电池 Topcon POLO 由 PERT电池走向 TopCon电池 2017年 ECN公司报道了其 Topcon电池的中试线的平均效率 为 21.5%， Voc=676mV， Jsc=39.7mA/cm2， FF=80%，双面 率为 86% 新的技术路线 钝化接触 钝化前电极接触 钝化背电极接触 本征非晶硅层 氧化硅层 本征非晶硅层 氧化硅层 HIT Triex HIT POLO PERPoly Triex PEVCD TopCon LPVCD 原位掺杂 POCl3扩散 离子注入 从 Topcon到 HJT HIT Triex Topcon POLO Sanyo 塞昂 (Solivo) Frauhofer GIT， ECN PECVD 湿法氧化 +PECVD 湿法氧化 +PECVD LPCVD+湿法氧化 24.7% 23.1% 25.1% 21.2% T. Kinoshita, D. Fujishima, A. Yano, A. Ogane, S. Tohoda, K. Matsuyama, Y. Nakamura, N. Tokuoka, H. Kanno, H. Sakata, M. Taguchi and E. Maruyama, Proc. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2011. p. 871. N-Si Ag Finger P: a-Si:H ITO Ag Finger I: a-Si:H N: a-Si:H ITO 97μ m 三洋， HIT 三洋 HIT电池的改进 Jsc Voc FF Eff mA/cm2 mV % % 2009 38.8 743 79.1 22.8 2011 39.4 745 80.9 23.7 2013 39.5 750 83.2 24.7 面积 =100cm2 厚度 =97μ m 1. J. Benick, etal., High efficiency n-type Si solar cells on Al2O3-passivated boron emitters, Appl. Phys. Lett., 92(2008)253504/1– 3. Gen Jsc Voc FF Eff mA/cm2 mV % % Gen1 38.4 690.8 82.1 21.8 Gen2 40.6 698.1 81.1 23.0 Gen3 41.4 703.2 82.5 24.0 Gen4 41.5 715.1 82.1 24.4 Gen5 42.1 718 83.2 25.13 Area=2x2cm2 Gen1： 140Ω /sq， Ti背电极， Pd/Ag 前栅线遮光率 3% Gen2： Ag背电极，减小背面光吸收， Pd/Ag前电极遮光率降至 1.1%。 Gen3： 在 Gen2基础上，使用 Ti/Pd/Ag前电极。 Gen4： 增加 SE，降低发射极方阻。 N-Si SiNx Ti/Pd/Ag Finger Al2O3 n: a-Si:H ITO P+ Si Metal P++ Si 隧道钝化 层 SiO2 SiO钝化层 HJ电池的研究进展 Fraunhofer的 TOPCon结构（ n型衬底） 硼掺杂的外延技术与 RVD技术 The epitaxy and RVD technology for B doping Tube type diffusion：  Batch type  Forming BSG  Wet chemical  Double side diffusion  Solid diffusion Epitaxial growth：  In-Line type  One side process  Profile can be control  Required polished  The Dit of interface RVD：  In Line type  One side process  Gas diffusion 外延 RVD Chemical TCS/B2H6/H2 B2H6/H2 Doping density 1x1017~1X1020cm-3 1x1017~1X1020cm-3 Process duration 7~10min Fraunhofer 研究所 Stefan Linderkugel, et., al., Epitaxially Grown Emitters and Emitters Diffused from the Gas Phase for High Eff Solar Cell, Proceding of 31st EUPVSEC（ 2015） 2CO.4.5