几种高效率晶体硅太阳能电池性能分析

几种高效率晶体硅太阳能电池性能分析 *付 明 1, 苑 鹏 1 , 范 琳 2( 1 华中科技大学电子科学与技术系 , 武汉 430074; 2 武汉优乐光电科技有限公司 , 武汉 430074)摘要 综述了晶体硅太阳能电池的发展和研究现状 , 分析了几种高效率晶体硅太阳能电池 的结构 、 制备流程 、优越性以及性能等 , 这些 高 效率 电池 包 括 激光 刻 槽埋 栅 电池 、 PESC、 PERC 和 PERL 电 池 , 以 及 最新 型 太阳 能 电池 )) ) 金属贯穿孔电池 , 最后讨论了高效率太阳能电池存在的问题 , 展望了 今后太阳能电池的发展趋势 。关键词 晶体硅太阳能电池 高效率 对比分析中图分类号 : T M 615 文献标识码 : APerformance Analysis of Several High Efficiency Crystalline Silicon Solar CellsFU M ing 1, YUA N Peng1 , FAN Lin 2(1 Department of Electr onic Science and T echnology, H uazhong University of Science and T echnolo gy, Wuhan 430074;2 Wuhan Supernano Optoelec T echnology Co. , Ltd. , W uhan 430074)Abstract T he development and research status of crystalline silico n solar cells are r eviewed, and the parame-ters of several curr ent high efficiency crystalline silicon solar cells including structure, preparation pro cess, advantagesand perfo rmance etc are analyzed. T hose solar cells include laser grooved bur ied- contact solar cells, PESC(passivatedemitter solar cell) , PER C( passivated emitter and rear cell) and PERL ( passivated emitter and rear lo cally- diffusedcell) , and the latest M WT (metal wr ap t hrough) . A t last, the existing problems of high efficiency solar cells are dis-cussed and the development trends of solar cells are for ecasted.Key words cr ystalline silicon solar cell, high efficiency , comparative analysis* 武汉市 2009 年度重点 科技攻关项目 (200910221046)付明 : 男 , 1967 年生 , 副教授 , 博士 , 主要从事光伏材料及光 伏应用的研究 E- mail: fum ing@mail. hust. edu. cn近年来 ,太阳光伏产业发展迅速 , 很多国家开始逐渐实行 / 阳光计划 0, 开发太阳能资源 , 寻求经济发展的新动力 [ 1] 。在太阳能的有效利用中 ,太阳能电池的研究和开发是发展最快、 最具活力的研究领域。在众多材料的太阳能电池中 , 晶体硅电池工艺和材料发展日渐成熟 , 而且考虑到自然环境和对人体健康的影响 ,晶体硅太阳电池正向着更加环保的方向迈进 [ 2] , 可以预料晶体硅太阳电池今后仍是太阳能电池研究的主流方向。现在制约太阳能电池发展的关键问题还是降低成本和提高转换效率。目前有研究表明用 EFG 带状硅生长和快速热处理技术 [ 3] 来代替直拉单晶硅或区熔单晶硅制备硅片可以降低一定成本。另外 , 在晶体硅基础上设计新型的太阳能电池结构可提高其转换效率 , 降低硅片成本。本文对几种新型高效率太阳能电池的性能进行了分析 , 希望为光伏产业发展提供一定的依据。1 激光刻槽埋栅电池 ( LGBC)1. 1 电池的结构激光刻槽埋栅太阳能电池的概念提出并发展于 20 世纪80 年代 [ 4] ,作为高效太阳电池结构的一种 , 其由于光电转换效率高、 工艺相对简单、 适于产业生产 , 因而具有高效率和低成本的优势 ,在实验室和产业化中得到了广泛关注。目前国内生产 线 上的 激 光刻 槽 埋栅 电 池的 最 高 效率 可 以 达 到21% [5] , 接近世界先进水平。图 1 是激光刻槽埋栅太阳能电池的结构示意图。图 1 激光刻槽埋栅电池的结构示意图Fig. 1 Structu re of laser grooved buried- contact solar cells该电池的结构既保留了常规太阳能电池的特征 , 如电池正表面有绒面、 减反射膜 , 表面钝化、 金属背场等 , 又有其独特性 , 即用激光在硅片上刻槽并在槽内化学镀金属电极和选择性发射区。在电池制 作过程中 , 既保留了高效电池的 特点 , 又省去了高效单晶电池制作中光刻等工艺 , 使刻槽埋栅电池大规模产业化生产变为现实。1. 2 电池的制备流程工业生产该电池的制备流程为 :#1#几种高效率晶体硅太阳能电池性能分析 / 付 明等埋栅电池的制作流程与常规的丝网印刷电池有一些相似之处。材料经过清洗去除损失层 , 制绒 , 之后在表面浅扩散和氧化。这层 SiO2 薄膜在电池制造工艺中起着重要的作用 [ 6] ,体现在 : ( 1) 钝化硅片的前后表面 , 进而减小了表面态密度 , 使表面复合速度下降 , 发射区暗电流降低 , 太阳电池效率提高 ; ( 2) 防止了在刻槽时硅片的污染问题 , 避免产生过多的复合中心 ; ( 3)SiO2 层实现淡磷和浓磷的分区扩散 ; ( 4) 防止在后续工艺化学镀的过程中金属在表面大面积附着 , 从而减小硅片的有效面积、 输出功率等 ; ( 5) 作为减反射层 , 大大降低光的表面反射率。刻槽有机械刻槽和激光刻槽两类 , 其中机械刻槽会使沟槽内产生严重的损伤层 , 必须采取腐蚀的办法去掉 , 所以目前较多使用激光刻槽 , 而经过调整好激光参数的划片机其刻槽速度快且重复性好 , 槽内损伤较小 [7] 。激光刻槽涉及到激光器的选取问题 , 通常有红外和紫外激光器 , 通过实验对比 ,使用紫外激光器刻槽后的少子寿命比率更高 , 热影响区和表面热损伤更小。激光刻槽之后 , 硅片经过激光的烧蚀作用发生熔融 , 冷却后形成损伤层 , 大量的残渣附着在槽之间的二 氧化硅层上 , 此时可以采用 12% 的 NaOH 溶液 , 在 55e 条件下清槽 ,但要注意清槽时间和槽深的限制 , 且必须要清理干净以免影响后续的化学镀工艺。清槽以后要在槽内进行浓磷扩散及二次扩散 , 在此利用了选择性发射极的特点。与常规太阳电池相比 , 选择性发射极电池的结构在电极栅线处多了一个横向 n+ / n 的高低结和一个横向 n+ / p 结 , 解决了扩散和金属电极制作的相互制约问题 [ 8] , 即 : 扩散浓度过高会形成较好的欧姆接触 , 但有着低的光子吸收效率及更高的缺陷密度 , 从而降低了 V oc和 I sc ;扩散浓度过低会提高电池的光量子响应 , 提高短 路电池密度 , 但同时会造成过高的接触电阻 , 使填充因子下降。图 2为选择性发射极电池的结构示意图。图 2 选择性发射极电池的结构示意图Fig. 2 Structure of selective-emitter solar cells在激光刻槽埋栅电池中磷的分区扩散的结构优越性 [ 9, 10]体现在 : ( 1) 可使电池正面电极遮光率减小到最低为 2%, 达到栅指电极的优化设计 ; (2) 浓磷扩散深入到硅表面下 40~100Lm,加强了从基区对光生电子的收集几率从而加强了被收集到发射区的分流作用 ; ( 3) 解决了 / 紫光电池 0[ 11] 一次磷扩散薄层横向电阻功耗率增大的问题。然后用蒸发、 溅射、丝网印刷的方法将铝沉积在电池背面 , 经高温烧结形成 A l/Si 合金。经过铝背场烧结和清除槽内磷硅玻璃后 , 依据氧化还原反应原理 , 利用强还原剂在含金属离子的溶液中 , 将金属离子还原成金属而沉积在材料表面形成致密镀层 , 采取依次化学镀镍 / 铜 / 银的方法实现电池的正面电极金属化。1. 3 性能分析激光刻槽埋栅电池的性能明显优于常规丝网印刷电池的性能。据 BP Solar 提供的对两种电池性能的比较 ,埋栅电池性能要比丝网印刷电池的性能高出 30%左右。同时 BPSolar 指出 ,两种电池每单位面积的生产成本基本相同。激光刻槽埋栅电池效率高的原因为 : 因其埋栅电极的独特结构 , 使电极阴影面积较常规电池的 10% ~ 15% 下降到2%~ 4% , 短路电流可上升 12%, 同时槽内采用重扩散 , 使金属与硅片的接 触面积增大 , 接触电阻减小 , 填充因子提 高10% 左右。据有关文献报道 [ 12] , 激光应用到电池背面时 , 其损伤能产生很有效的吸杂作用。类似地 , 位于表面的激光槽和电池背场铝也能成为有效的吸杂区域。同时 , 浓磷扩散过程中 , 磷会优先扩散进入损伤区域并自动钝化槽内损伤层 ,其吸杂效果已得到证实。2 钝化发射极电池目前太阳能电池面临的两大问题是成本和效率 , 为降低太阳电池的成本 , 硅片向着越来越薄的方向发展 , 但在硅片减薄的过程中会带来电池片翘曲度增大、 长波光子吸收 下降、 背面复合速率对电池性能影响增强等一系列问题 [13] 。钝化发射极背面局域点接触太阳电池可以很好地解决上述问题 , 受到广泛关注。下面就具有代表性的 PESC电池、 PERC电池和 PERL 电池进行介绍。2. 1 PESC 电池为进一步提高 太阳电池的效率 , 关键是提高电池的开路电压 , 必须减小整个电池内的各种复合 , 以降低电池暗饱和电流密度。利用浅结 的结构可以降低发射区内的复合。综合考虑若进一步提高电池的开路电压则需设法降低电池的表面复合 [ 14] 。PESC(Passivatedemitter solar cell,钝化发 射极电池 ) 正是基于上述考虑而研制的。 图 3 为 PESC电池的结构 示意图。PESC电池是通过氧化技术在表面热生长一层二氧 化硅 , 厚 5~ 6Lm。在此厚度下 , 载流子隧道穿透几率很小 , 从而起到钝化表面的作用。这层 SiO2 并不是覆盖整个表面 ,而是在栅指电极下面光刻出 5Lm 宽的细槽 ,使金属栅指电极在这些细槽内直接与硅片接触 , 通过缩小电极区面积来增强电极区钝化效果 , 降低表面态 ,从而减少表面复合 ,提高开路电压。 PESC 电池还涉及双层减反射膜的制取、 上表面金属#2# 材料导报 A: 综述篇 2012 年 3 月 ( 上 ) 第 26 卷第 3 期电极的设计 , 金属电极由 T-i Pd 接触 , 然后电镀 Ag 构成 , 镀银的工艺使得电极的导电能力增强以提高电流性能。此外还有 Al 背场电极的烧结 , 来降低背电极电阻 , 并通过对入射到电池背表面的入射光的漫反射来增强电池对长波光的吸收 , 与激光刻槽埋栅电池铝背场一样且具有一定 的吸杂作用。有研究者在研究过程中 , 将 / 微槽 0的结构应用到该电池上 , 如图 4 所示。该结构电池采用的 / 微槽 0技术是采用光刻工艺实现的 ,可获得比通常金字塔形织构化技术更优的效果。此结构可以减少电池表面反射 , 使垂直光线在槽表面折射后以 41b角进入硅片 , 使光生载流子更接近发射结 , 提高了收集效率 , 降低了发射极横向电阻。将表面制绒技术和 PESC 方法结合 ,在标准测 试 条件 下 测得 硅 太阳 电 池的 效 率达 到 20% 以上 [ 15] , 而且该电池已被证明具有稳定、 可重复性结构。2. 2 PERC 电池在 PESC 电池中 Al 背场覆盖了整个背表面 , 起到很好的吸杂作用 ,同时起到 p+ 层的作用 , 阻止了少数载流子向背表面的迁移 ,减小了背表面复合。然而随着硅片背表面的高复合和低反射 , 硅片在减薄过程中全 Al 背场会带来电池片翘曲度增大、 长波光子吸收下降、 背面复合速率加快等一系列问题。 PERC[ 16] ( Passivated emit ter and rear cell, 钝化发射极背表 面电池 ) 和 PERL [17] ( Passivated emitter and rearlocally-dif ffused cell, 钝化发射极背面定域扩散电池 ) 的结构能较好地解决这些问题。图 5 为 PERC 电池的结构示意图。PERC 电池用背面点接触来代替 PESC 电池的整个全铝背场 , 并用 T CA( 氯乙烷 ) 生长的 110nm 厚的氧化层来钝化电池的正表面和背表面。 TCA 氧化使表面非晶化而产生极低的表面态密度 , 同时还能排除金属杂质和减少表面层错 ,从而能保持衬底原有的少子寿命 , 大大降低表面复合速率 ,而且介质膜钝化层位于金属层和硅基体之间 , 避免了两者直接接触 , 可以有效地降低电池片的翘曲。同时钝化层的背反射作用 , 增加了长波长光子的吸收。图 5 PERC 电池的结构示意图Fig. 5 Structure of passivated emitter and rear cells背面电极图形的设计也是实现 PERC 电池的关键步骤。电极面积比在背表面所占比例越小 , 则背表面复合越少。但/ 边缘效应 0的存在使得在相同电极面积比的情况 下 , 小 间距、 小接触点图形带来的复合 反而会多一些。基于以上 考虑 , 背表面的暗电流可以表示为 [ 18] :J 0 = J 100 f [ 1+ 0. 88Xr + w28r2 ] ( 1)式中 : J 100 为背表面全部电极覆盖时的暗电流 ; r 为接触半径 ;X为电池厚度 ; f 为电极面积占背表面的比例。从式 ( 1) 中可得出 , 在 f 相同的情况下 , 要想使暗电流较小需选择大间距、 大接触点的设计。 采用局部背接触电池结构后 ,背电极面积减小使电池功率的损失 f 1b[ 16] 为 :f 1b = Q8XJ mpVmpS2 [ ln( Sa ) - 0. 75] ( 2)式中 : Jmp、 Vmp 分别为最大功率点的电流密度和电压。从式( 2)可看出 , 大间距增加了功率损失 ,但可以采取低电阻率的衬底来减小其带来的影响。综上考虑 ,可选择间距为 2mm @2mm, 大面积接触点 ( 200Lm @200Lm) 的背电极图形 [19] 。经计算 , 背表面电极面积只占整个表面的 1% ,由背表面贡献的暗电流 J0 仅占背表面全部被金属覆盖时的 5%, 从而使复合的影响减小。根据模拟 , 理想情况下 , 背面复合减少带来的增益为 5% ~ 10%, 背反射对光的内反射作 用使增益提 高3%~ 4%。在 PERC 电池制作工艺中 , 使金属铝穿透介质膜与基体硅形成良好的欧姆接触是制备背面局域接触太阳电池的又一关键步骤。目前在生产线上主要有以下几种制备方法 : 光刻法 ( Photolithography process) 、 机 械法 ( M echanical scr-ibing) 、 喷墨打印法 ( Inkjet print ing)、 激光烧蚀法 ( Laser abla-tion) 和激光烧结电极法 ( Laser- fired contacts, LFC) [20] 。制备背面局域接触太阳电池有两种方法可循 : 一种是用光 刻法、 机械法、 喷墨打印法和激光烧蚀法在介质膜钝化层上开孔 , 然后沉积金属层 , 退火后可得到背面局域接触 ;另一种是#3#几种高效率晶体硅太阳能电池性能分析 / 付 明等激光烧结法的应用 , 即先在介质膜钝化层上沉积金属层 , 通过激光烧结使金属层穿透介质膜与基体硅形成合金得到背面局域接触。通过比较各种制备方法 , 认为由德国太阳能研究机构Fraunhofer ISE 开发 [21] 的激光烧结方法 ( LFC ) 工艺更为简单。图 6 为激光烧结过程中不同激光参数下的 LFC 的金相图 ( 激光功率 : 左图小于右图 ) , 左图中由于激光功率较小导致部分铝没有穿透钝化层 , 右图是加大激光功率后铝全部穿透钝化层。图 6 不同激光参数下 LFC 局域电极金相图Fig. 6 Microscope imageof LFC contacts with diffe rentlaser parametersLFC 工艺通过烧结一次完成电极的制备 , 在烧结过程中伴随着铝的扩散 , 铝与基体硅形成合金 , 形成 p+ 区 , 减少电极区载流子复合 , 最终可提高开路电压。 L FC 是很具有产业化潜力的制备背面局域接触太阳电池的方法。2. 3 PERL 电池钝化发射极背面定域扩散太阳能电池即 PERL 电池在20 世纪 90 年代后期创下了迄今太阳能电池高达 24. 7% 的最高效率的世界纪录 [ 22] 。 PERL 电池的结构示意图如图 7所示。图 7 PERL 电池的结构示意图Fig. 7 Structure of passivatedemitter and rearlocally-diffused cellsPERL 工艺流程 [23] 为 :硅片 ) 正面倒金字塔结构的光刻法制作 ) 背面局域硼扩散 ) 栅指电极接触区的浓磷扩散 )正面淡磷 扩散 ) SiO2 减 反射 层的氧 化 ) 光刻背 电极接 触孔 ) 光刻正面栅指电极引线孔 ) 正面蒸发 T-i Pb 薄栅指电极 ) 背面蒸发铝电极 ) 正面镀银加厚栅指电极 ) 退火 ) 测试。参照 PERC 电池的制备方法 , PERL 工艺过程中的打孔环节可采用激光烧结法。与 PERC 电池有很多相似之处 , PERL 在背面接触点下采取浓硼扩散 [ 24] , 减小局部接触电阻 , 背电场为点接触 , 在保持背面场效应的同时又减少了背面金属接触面积 ,使金属与半导体界面的高复合速率区大为减少 , 从而降低了表面 复合 , 也使得 开路电压 从背面 全接 触结构 的 690mV 提高 到712mV [25] , 效率大大提升。3 金属贯穿孔电池 ( M WT )为降低太阳电池产电成本 , 以前的战略是尽可能降低生产成本和增加生产线的产能 , 同时选择具有高效率潜能的新颖太阳电池结构和组件也是实现这一目的的途径之一。金属贯穿孔太阳电池 ( M etal w rap t hrough, M WT )[ 26] 是基于目前工业生产技术 , 把正面主栅线电极转移到背面的一种新型结构太阳电池。据报道 , 在标准测试条件下 ( AM 1. 5)金属贯穿孔电池的最高效率达到 18. 6%, 是目前由硅 MWT电池取得的最高效率 [27] 。 M WT 电池有两大主要优势 : 一是由于消除了正面主栅线 , 从而减小了正面遮光面积 , 增大了短路电流 , 减少了电池成本 ; 二是正负电极都设计在背面简化了电池片之间的联接 , 而且允许使用新的垮结技术降低了电池的串联电阻 [ 28] 。基于 Fraunhofer ISE 的研 究 [ 28, 29] , 目前较新 改进制 备M WT 电池的流程为 :图 8 为 M WT 电池的结构示意图。图 9 展示了经过快速烧结过程后 MWT 电池的正面。从图 9 中可以清晰地看到 , SiO2 氧化层环绕在电池片周围而且每条细栅线通过金属穿孔连接到背面。图 8 MWT 电池结构的示意图Fig.8 Structu re of metal wrap throu gh solar cells虽然丝网印刷浆料包含银但没有达到纯银的传导率 , 为了达到进一步降低串联电阻的目的 , M WT 电池使用了光诱导电镀 ( LIP) 技术 [30, 31] 。在 MWT 制备工艺中 , 金属银浆填充激光穿孔是电池取得低串联电阻和较高填充因子的关键 , 整个通孔要用丝网印刷填满银浆 , 这就要在丝网印刷过程中对其印刷速度、 压力以及网板与硅片间距、 细栅指线之间的间距和太阳电池硅片通孔个数进行优化设计 , 确保在穿孔中不能出现空洞、 断层区域 [ 32] 。此外 , 利用 SiO2 代替激光实现电池两面的电化学#4# 材料导报 A: 综述篇 2012 年 3 月 ( 上 ) 第 26 卷第 3 期性能绝缘 , 一方面避免了激光损害硅电池 , 另一方面也提高了太阳能电池的填充因子。图 9 MWT 电池正面图Fig. 9 Schematic of the MWT fron-t side4 问题及展望以上介绍的各种高效太阳电池 , 无一例外地都使用了激光技术。激光刻槽埋栅使用激光刻槽 , PERC 和 PERL 电池利用激光实现背面局域点接触 , 金属贯穿孔电池使用激光打孔。激光的使用增加了电池制备的成本且需要对不同的电池进行激光参数的优化设计来达到各种电池实现高效的目的。高效太阳电池的制备工艺需要更好地与现有生产线友好地结合 , 在设计新型结构时需要考虑现有工艺的影响 , 避免增加过多工艺流程而提高生产成本。在各个领域急需能源发展的今天 , 光伏发电无疑成为最适合人类应用的可再生能源形式之一 , 不仅替代部分常规能源 , 而且有望成为世界能源供应的主体之一。从现有太阳电池发展趋势来看 , 由于硅电池工艺和材料的研究日益成熟 ,预计今后太阳电池基于硅材料的主导 地位仍将不会改变。基于晶体硅而进行的高效太阳电池新型结构的研究 , 在提高太阳电池效率和降低成本这两大制约太阳能电池发展的问题面前 ,展现了特有的优势 , 使将来大面积的推广和应用成为太阳能电池工业发展的一种趋势。参考文献1 席珍强 , 陈君 , 杨德仁 . 太阳能电池发展现状及展望 [ J]. 新能源 , 2000( 12) : 1002 付明 , 丁骁 , 范琳 . 环保型 硅太阳 能电池背 场铝 浆的 研究进展 [ C] / / 第十届中国太阳能光伏会议 论文集 : 迎接光 伏发电新时代 . 杭州 , 2008: 683 王涛 . 硅太阳能电池研究 [ D] . 长沙 : 国防科技大学 , 20064 G reen M A, et al. 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