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丝网印刷优化的n型太阳能电池效率达到20%

   2012-09-19 SEMI28920
核心提示:目前,全世界生产的太阳能电池组件85%以上是基于晶硅,其中大多数是基于p型硅片。在p型硅片上加磷扩散发射极和铝背面场得到了常见的
目前,全世界生产的太阳能电池组件85%以上是基于晶硅,其中大多数是基于p型硅片。在p型硅片上加磷扩散发射极和铝背面场得到了常见的多晶或单晶太阳能电池,为绝大多数(95%)基于硅片的PV组件所采用。Sanyo和Sunpower公司生产的PV组件多年来是这一规则的例外,他们采用n型硅片作为基材得到高效率电池:Sanyo是HIT(具有本征层的异质结)电池,Sunpower是IBC(叉指背接触)电池。这二类电池的效率都有超过23%的报道。最近。英利太阳能也投产了基于n型硅片的高效率“熊猫”电池。

用n型材料比用p型材料有若干优点。首先,在n材料中没有或极少硼杂质,因此硼氧络合物的形成可以忽略不计。在p-Cz材料中由于光照会形成B-O络合物,这在氧中是相当富集的,使材料的体载流子寿命降低。这将严重限制用这些硅片能得到的高效率。第二,发现n型材料对过渡金属杂质(例如Fe)灵敏度低得多。这使n型材料有较高的原料变化容差。

对n型太阳能电池的挑战
与在p型材料上加工太阳能电池比较,制造基于n型材料的太阳能电池遇到另外一些挑战。其中之一是p型硼发射极的形成。硼扩散要求的温度比用于p型电池的磷发射极扩散高。这使同时形成n型电池的发射极和BSF是一个挑战。此外,用氮化硅(SiNx)钝化发射极的常规方法对p+硼发射极效果较小,这是因为在SiNX/Si界面附近形成了固定的正电荷。这些将产生p+发射极耗尽倾向;这将增加pn-积(pn-product),从而表面有效复合将增加。但是,目前有几种方法能有效地钝化硼发射极。其中一个在最近几年受到广泛注意,就是应用ALD(原子层淀积)Al2O3层,它在Al2O3/Si界面上/附近引入固定的负电荷。在ECN,我们已经开发了简单的湿法化学工艺,随后用PECVD淀积,在硼发射极上形成SiOX/SiNX钝化堆叠。
n型电池加工另一个要注意的是n型硅锭内电阻率的变化,它比p型硅锭的大,这是由于磷的分凝系数比较高。但是,在商用生产的Cz硅锭标准电阻率(1-5Ω-cm)范围内,我们至今也没有看到基极电阻率对电池效率的任何不利影响。

ECN的n型概念:n-PaSha
图1是n-pasha太阳能电池的基本结构。电池有一个敞开的背面,使其有可能适合作为双面电池。这与常规的p型电池明显不同,放入有透明背面的组件时增加了效率增益。从双面电池得益的另一途径是把电池置于有反射背板箔的组件中。正面与背面二者的特点是在n-pasha电池中的H栅金属化图形。英利制造的Panda电池就是采用这一概念。此外,这一电池概念很容易适应于像金属贯穿式(MWT)一类的背接触电池,如本次会议上Guillevin等人发表的论文中所述。

n-pasha电池是在6英寸半方n型Cz硅片上制作的。加工的第一步是用碱性刻蚀将硅片制绒使其具有随机形状的棱锥。用Tempress的工业管式炉形成硼发射极和磷BSF。用BBr3作为前驱物制造60Ω/sq发射极。正面和背面均覆盖SiNx层,用作钝化和抗反射。用丝网印刷在正面与背面加上金属化,在单次共烧工艺过程中在发射极合BSF上形成电接触。正面和背面的金属化能直接焊接,所以,为了实现组件中的接触,不需要任何额外的金属化步骤。

n-pasha电池的改进
n-pasha太阳能电池开发早期主要关心正面的优化:硼扩散和硼钝化。现在,重点转移到n-pasha电池的背面,做出对磷BSF和钝化的优化。

图2中示出了三种不同BSF(不同的掺杂剖面)电池(没有金属化时)的暗电压 Voc值。有剖面3的BSF比有剖面1的标准BSF的Voc增加15mv以上。这一电压增益在电池一级也能看到,尽管稍微小一些:在6个分开的实验批次中,对从3个不同的供应商提供的n型Cz材料作了试验,对于改进的BSF剖面观察到8-10mV的增益。Voc的增加可以用改进的背面钝化解释。有和没有金属化的电池之间Voc增益的差异可用金属接触下面的接触复合解释。为了进一步优化背面,可选的方法之一是大大减少金属部分。

除了Voc增加外,对于改进的BSF还观察到Jsc增加。这部分是因为改进的背面钝化,但也因为增加了内部反射。图3中示出了Jsc和Voc。此图示出了3个不同实验批次中对不同供应商的n型Cz做的试验的数据。对每一个实验批次(用不同的记号区分),加工了标准组(蓝色记号)和有改进的背面组(红色记号)。Jsc*Voc增益约3%,每一批次是明显重复的,增益与实验中所用的材料质量无关。

表1及图4中给出了旨在改进背面钝化实验之一的测量结果。背面钝化的改进大大提高了开路电压(Voc)和电流(Jsc)。即使填充因子(FF)稍低一些,绝对的总效率增益仍有0.4%,最高效率达到20.0%(用AAA级太阳模拟器在室内测量)。

由于电池是双面的,内部量子效率(IQE)可从正反二面决定,如图4所示。正面的IQE图表说明,长波长响应提高了。这一提高也许是由于几个因素:背面复合减少、背面内部反射提高及自由载流子吸收减少。背面照明取得的IQE图表说明,长波长与短波长二者的响应均有提高。背面IQE蓝色响应中的大增益是背面复合减少的明显标志,同时,红色响应中的增益指出了自由载流子吸收的减少。

总结
本文说明了,通过改进背面钝化,n-pasha电池效率可以提高绝对值的0.4%。这一工艺已被证明能增加Jsc和Voc,与我们在实验中所用n型基材质量无关。这使我们用工业电池生产工艺能在n-pasha电池上达到20.0%的效率。

作者:I.G. Romijn、A.R. Burgers、L.J. Geerligs、A.J. Carr、A. Gutjahr、D.S. Saynova、J. Anker、M. Koppes,ECN Solar Energy, Netherlands;Lang Fang、Xiong Jingfeng、Li Gaofei、Xu Zhuo、Wang Hongfang、Hu Zhiyan,Yingli Solar, China;P.R. Venema、A.H.G. Vlooswijk,Tempress Systems Netherlands

 
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