从基础结构透析光伏晶硅高效电池发展.docx

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1、从基础结构透析光伏晶硅高效电池发展一、光伏电池工艺技术原理及发展历史1.1 光伏发电是由半导体的光生伏特效应产生太阳能电池工作原理的基础是半导体的光生伏特效应，当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。晶体硅太阳能电池本质上就是一个大面积的二极管，由pn结、钝化膜、金属电极组成。在n型衬底上掺杂硼源，P型衬底上掺杂磷源，分别形成P+或n+型发射极。并与硅衬底形成Pn结。该Pn结形成内建电场，将光照下生产的光生载流子（电子空穴对）进行分离，分别被正面和背面的金属电极收集。根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，常规晶硅太阳能电池从上到下结构依次为正面栅线电极、正面

2、减反膜SINX,PN结、硅衬底、背表面场以及背面金属电极。影响电池性能的参数主要有开路电压、短路电流、填充因子等。根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，当受到光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端产生电压。可计算出电池性能的外部参数：开路电压VOC,短路电流ISC,最佳工作电压VM,最佳工作电流IM、最大功率PM、填充因子FF,以及串联电阻RS、并联电阻RSH和电池效率o根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，在太阳能电池负载特性曲线中，曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线,斜率为1/RL,工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。I-V曲线与V、

3、I两轴的交点即开路电压VOC,短路电流ISCo若改变负载电阻R到达某一个特定值RM,此时，在曲线上得到一个点M,对应的工作电流与工作电压之积最大我们就称点M为该太阳能电池的最大功率点;其中IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，RM为最佳负载电阻，PM为最大输出功率。PM与开路电压、短路电流之积的比值就称为填充因子（FF）o1.2 电池效率的损失归因：光学损失、电学损失、电阻损失在进行光电转换过程中，根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，造成太阳能电池效率损失的主要原因有：1）能量小于电池吸收层禁带宽度的光子不能激发产生电子空穴对；2）能量大于电池吸收层禁带宽度的光子被吸收，产生的电子空穴分别

4、被激发到导带和价带的高能态，多余的能量以声子形式释放，高能态的电子空穴又回到导带底和价带顶，导致能量的损失；3）光生载流子在pn节内分离和运输时，会发生复合损失；4）半导体材料与光生载流子运输过程金属电极接触的非欧姆接触引起电压降损；5）光生载流子运输过程中由于材料缺陷、界面缺陷等导致的复合损失。1.2.1 光学损失概述晶体硅是光学带隙为1.12eV的间接带隙半导体材料。根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，对晶体硅太阳能电池而言，太阳光中低于1.12eV能量的长波段光子能量太低,不足以提供足够的能量来产生自由载流子。这部分光子占比大约30%,电池无法利用。而短波的光子能量高,激发一个电子从价

5、带到导带只需1.12eV的能量,多余的光子能量又无法利用。=Exe)m 一/朝覆寒女_S生AMl.5G的太阳光谱图I5100O500050010150020002500波长nm光学损失的另一方面还来自晶体硅太阳能电池的结构和工艺。首先，对于晶体硅而言，硅折射率在3.8左右,空气折射率略大于1,两者差值很大。当太阳光照射在晶体硅表面时,由于折射率的差异,会导致入射光中很大一部分（30%40%）光被反射出去。其次,晶体硅是间接带隙半导体材料，光吸收系数相对较低。长波长光入射进硅片不能被充分吸收，导致部分光从电池背面透出。此外，晶体硅太阳能电池的正面金属栅线会遮挡入射光。1.2.2 电学损失概述根据

6、丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，半导体内的缺陷和杂质能够俘获载流子，增大载流子的复合概率。复合陷阱浓度越高，陷阱能级越靠近禁带的中央陷阱的俘获截面积就越大，载流子的运动速度越快,被陷阱俘获的数量就会越多，从而陷阱辅助复合的速率越大,载流子寿命越短。硅片体内由于存在掺杂、杂质、缺陷等因素,光生少数载流子在硅片内运动时,很容易被复合掉。另外，半导体材料表面高浓度的缺陷，称之为表面态。电子和空穴会通过表面这些缺陷复合,称为表面复合或者界面复合。复合损失主要有辐射复合、俄歇复合、SRH复合（ShoCkIey-Read-Hall,非平衡载流子复合）和表面复合。辐射复合：光生载流子的逆过程，对于直接带隙

7、的半导体而言,辐射复合是半导体材料内部复合的主要方式，但对于间接带隙的硅来说，辐射复合需要声子的参与，所以其辐射复合相对要小很多，在晶体硅太阳能电池复合中不起主导作用。俄歇复合：当电子与空穴复合时，复合产生的能量会传递给另外一个电子或空穴，使其获得足够的动能,跃迁到更高能态，成为热载流子，然后在弛豫时间内,以声子的形式发散到晶格中,这就是所谓的俄歇复合。俄歇复合速率与载流子的浓度有关，是高掺杂浓度区域（发射极）的主要复合方式。SRH复合：晶格缺陷会在禁带中产生额外的能级,这些能级也会成为复合的中心。电子和空穴通过禁带中的陷阱能级进行复合，导带中的电子可通过这些复合中心跃迁至价带，这就是所谓的S

8、RH复合。表面复合：晶体硅的表面同样也存在大量的位错、悬挂键、晶格损伤等缺陷而导致载流子复合。1.2.3 电阻损失概述太阳能电池实际工作中，串联电阻Rs和并联电阻Rsh等寄生电阻会影响转换效率。RS源于大面积太阳能电池电流流向的电阻和金属栅线等的接触电阻，并联电阻Rsh主要受pn结结构和制备过程中的工艺影响。串联电阻主要由Si的体电阻、前后电极的接触电阻、发射极电阻、细栅电阻、主栅电阻和焊接带电阻组成。串联电阻的高低与电池的填充因子有强相关性,当串联电阻过高时，电池的填充因子会较低。并联电阻的形成较为简单，一般认为是在晶体硅太阳能电池边缘产生的。以P型硅片为例，由于发射极中的电子能够通过表面态

9、与基区甚至是背面电极的空穴进行复合，产生电流通道，导致电池的局部漏电。不恰当的工艺也会导致并联电阻的形成，包括边缘漏电、边缘pn结的残留、硅片隐裂和空洞、Pn结烧穿、表面刮伤、铝对前表面的污染、严重的晶体损伤和表面反型层的形成等等，都有可能降低并联电阻，形成漏电。1.3 发展高效电池技术的关键工艺：抛光、制绒、扩散、钝化、介质开膜和金属化技术在电池片生产制造环节，常会用到抛光、制绒、扩散、钝化、介质开膜和金属化技术等工艺来降低光伏电池片的光学、电学、电阻损失。抛光：根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，晶体硅电池常规清洗工艺包括硅片去损伤层、抛光、制绒、背结刻蚀、发射极刻蚀、高效电池的及RCA

10、清洗等。在整套太阳能电池工艺中，硅片从头到尾需经过多道不同的清洗工艺。切割硅锭形成的硅片，其损伤层厚度大约10m,需要用氢氧化钾(KOH)等碱性溶液去除损伤层。制绒：根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，为提高光线在硅片中的折射次数、提高光电转换效率，清洗后的硅片需制备出正金字塔绒面。硅片通过无机碱如KOH.NaOH与IPA的混合溶液在7085C下一定时间内可以制备出大小均匀、形貌一致的正金字塔绒面。为了提升制备出绒面的均匀性或者控制绒面尺寸的大小，需要在碱制绒过程中使用碱制绒添加剂。扩散：根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，晶体硅电池的pn结通常是通过扩散方式在硅衬底表面制备一层均匀的掺杂

11、层形成的。扩散掺杂浓度分布一般呈余误差分布和高斯分布，即硅片表面的掺杂浓度较高，随着深度增加，浓度逐渐降低。由于扩散后的硅片表面杂质浓度很高，俄歇复合比较严重，为了有效降低复合，开发了两种优化的晶体硅发射极，一种是浅掺的均匀发射极(homogenousemitter,HE),另一种是选择性发射极(selectiveemitter,SE)o相对于高方阻HE工艺，SE工艺相对复杂，但电池的绝对光电转换效率可提高0.2%左右。SE的制备方法，目前大规模使用的有激光掺杂、化学返刻以及离子注入等。钝化：根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，常规p型晶硅电池的正面钝化膜采用氢化氮化硅(SiNx:H)薄膜。

12、p型晶硅电池正面除了可采用氮化硅钝化外，二氧化硅(Sio2)由于能很好地钝化硅片表面悬挂键，降低表面缺陷态密度，也已经大规模应用于量产。目前主流的p型晶硅电池正面钝化膜是SiO2SiNx叠层膜。氧化铝由于具有良好的钝化效果，已广泛应用于PERCJBCPERT电池的p型层。氧化铝和晶硅表面生成的氧化硅界面的交界处存在着高密度的负电荷，实现了场钝化。同时氧化铝的化学钝化效果也非常好,通过饱和硅表面悬挂键(缺陷复合中心)，降低了界面态密度。氧化铝钝化膜制备技术要主要包括原子层沉积(ALD)和等离子气相沉积(PECVD)o由于AI2O3的沉积速率较慢，而且三甲基铝AI2(CH3)3成本又高，因此在实际

13、生产过程中，一般采用AI2O3SiNx,叠层膜来钝化硅片表面，降低成本。除此之外，非晶硅(a-Si)薄膜目前也广泛应用于光伏电池上，包括异质结电池。介质开膜：利用背面整面钝化可以降低背表面复合速率，但需要在背面局部开膜来实现良好的电接触。开膜的图形对背面局部接触影响很大。钝化膜的开膜方法主要有激光开膜、腐蚀液开膜以及腐蚀浆料开膜等。激光开膜技术由于其较低的运营成本，已经在量产上大规模使用。激光作用在钝化膜或硅衬底上，可以使钝化膜或硅吸收能量而发生蒸发或崩裂。激光主要采用皮秒(ps)和纳秒(ns)激光，皮秒激光对硅的损伤较小，可直接作用在钝化膜上开膜；纳秒激光对硅片损伤较大，但成本相对皮秒激光低

14、。但是随着浆料技术的发展，纳秒激光对电池表面的损伤会大大降低，对影响电池的效率较小。金属化技术：丝网印刷技术(SCreenPrinting,SP)是目前晶体硅电池的主流金属化技术。根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，以PERC电池为例，通常背面印刷Al浆，正面印刷Ag浆。背面的Al浆需要具有良好的局部电接触性能，对钝化膜有一定的渗透以保证足够的拉力，但又不能破坏或烧穿背面钝化膜。Ag浆料的发展方向依然是持续降低AgSi的接触电阻和提高栅线的高宽比。同时为了满足高方阻发射极越来越高的方阻要求，对Ag浆的要求越来越高。金属化工艺，除了丝网印刷法外，还有如激光转印、移印、喷墨、电镀、喷雾等方法。激

15、光转印和喷墨打印可以有效降低栅线的宽度，减少硅片碎片率，电镀工艺一般以Ni/Cu/Sn或Ni/Cu/Ag为电极材料，其中底层的Ni为接触层，退火后可实现良好的电接触，同时可将栅线宽度降至30m,有效降低光损失。1.4 主流电池技术路线优劣势及关键工艺主流的电池技术主要包括PERC电池、TOPCon电池、HJT电池和IBC电池。1.4.1 PERC电池根据丁健宁等高效晶体硅太阳能电池技术，对比其他高效电池技术,PERC技术受到推崇主要是因为只需在普通全铝背场（AI-BSF）电池生产线基础上增加背面钝化膜沉积和介质层开槽设备。利用存量BSF产线设备，即可实现单晶硅和多晶硅电池转换效率大幅度提升。随

16、着电池制造装备的国产化，PERC电池产线投资大幅度降低。PERC技术的优势还体现在与其他高效电池和组件技术的兼容性，以及进一步提升效率的潜力。通过与多主栅、选择性发射极和先进陷光等技术的叠加，PERC电池效率可以进一步提升。而双面PERC电池在几乎不增加制造成本的情况下实现双面发电，提升发电量。PERC关键工艺：1）选择性发射极制备：常规晶体硅太阳能电池采用均匀高浓度掺杂的发射极。发射区掺杂浓度对太阳能电池转换效率的影响较大,较高浓度的掺杂可以改善硅片和电极之间的欧姆接触，降低电池的串联电阻。但是在高浓度掺杂的情况下，电池的顶层掺杂浓度过高，造成俄歇复合严重，少子寿命也会大大降低，使得发射极区所吸收的短波长效率降低，降低短路电流。同时重掺杂表面浓度高，造成了表面复合提高，降低了开路电压，进而影响了电池的转换效率。为了解决均匀高浓度发