几种商业化的高效晶体硅太阳能电池技术-solarbe文库

资源描述：

高效晶体硅太阳能电池技术摘要晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池。本文在解释常规太阳能电池能量损失机理的基础上，介绍了可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术及其工艺流程，并对每种电池技术的优、缺点及工艺难度进行了评价。关键词晶体硅电池；高效电池；商业化1 引言能源是一个国家经济和社会发展的基础 . 目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战 . 2005 年 2 月我国通过了中华人民共和国可再生能源法 , 从立法角度推进可再生能源的开发和利用 , 这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策。不论从资源的数量、分布的普遍性 , 还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说 , 太阳能在可再生能源中都具有更大的优越性 , 光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式。而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额 . 与其它的可再生能源一样 , 目前要使之从补充能源过渡到替代能源 , 太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。围绕着降低生产成本的目标 , 以高效电池获取更多的能量来代替低效电池一直是科学研究的的热门 [1] . 近年来高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在美国、德国和日本 , 高效太阳能电池研究正如火如荼，特别是美国，商品化高效电池的转换效率已超过 20。.2 硅太阳能电池能量损失机理目前研究成果表面，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面 ①光学损失 . 包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失 , 其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的 , 而长波非吸收损失与半导体性质有关； ②电学损失 . 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属 - 半导体接触（欧姆接触）电阻损失 . 相对而言 , 欧姆损失在技术上比较容易降低 , 其中最关键的是降低光生载流子的复合 , 它直接影响太阳电池的开路电压。而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压 Voc。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入了大量的复合中心。此外 , 当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时 , 背表面的复合速度 Sb 对太阳电池特性的影响也很明显。而从商业太阳电池来看 , 为了降低太阳电池的成本和提高效率 , 现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度 , 以降低原材料的价格 . 因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施 . 3 高效晶体硅太阳能电池技术3.1 背接触电池 IBC/MWT/EWT （ 1） IBC 电池（ PCC 电池）背接触电池是由 Sunpower 公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达 19～ 20。这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点 [2] （ 1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积，有利于增加电池效率；（ 2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（ 3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面所替代。由于光生载流子需要穿透整个电池被电池背表面的 pn 结所收集，故 IBC 电池对硅片本身的质量要求较高，需采用载流子寿命较高（纯度较高）的硅晶片材料，一般采用质量较高的 n 型 FZ 单晶硅作为衬底材料。正面采用氧化硅或氧化硅 /氮化硅复合膜与 n层结合作为前表面电场 , 并形成绒面结构以抗反射。背面利用扩散法做成 p与 n交错间隔的交叉式接面，并通过在氧化硅上开金属接触孔，实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分有利于电流的引出。结构见图 1[3] 。图 1a IBC 电池基本结构图图 1b IBC 电池基本结构图这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡” ，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分复杂，工艺中的难点包括 P＋扩散、金属电极下重扩散（丝印光阻）以及激光烧结等。IBC 电池的工艺流程大致如下清洗→制绒→扩散（ n＋）→丝印刻蚀光阻→刻蚀 P 扩散区→扩散（ p＋）→减反射镀膜→热氧化→丝印电极→烧结→激光烧结（ 2） MWT 电池如前所述， IBC 电池是在电池背面的 PN 结收集载流子，除此之外，还有一类背接触电池是两面均可收集载流子，并可将电流由正面传导至背面。这类电池包括金属环绕穿通（ MWT ）电池和发射极环绕穿通（ EWT ）电池。金属环绕穿通（ MWT ）电池和发射极环绕穿通（ EWT ）电池技术，是基于激光表面和背面加工技术的新型太阳能电池技术。MWT 技术是荷兰规模最大的太阳能电池生产商 Solland Solar 开发的用于其Sunweb 电池的方法。即通过激光钻孔将电池正面收集的能量穿过电池再转移至电池背面。这种将电池能量汇集到电池背面的方法使每块电池的输出效率提高了 2 ，再经过处理并与一个太阳能电池组件相连接，所得的输出效率甚至能提高 9。在金属环绕穿通（ MWT ）器件（如图 2 所示）中，较薄的金属接触 “ 手指 ” 被移到背面。通过激光钻微型通孔，将上表面与下表面接触连接起来，一般 MMT 每块硅片需要钻约 200个通孔。图 2 MWT 电池及其结构MWT 电池的制作流程大致为激光打孔→清洗制绒→发射极扩散包括孔内 →去 PSG →沉积 SiN →印刷正面电极→印刷背面电极→印刷背电场→烧结→激光隔绝→测试分选工艺中的难点包括激光打孔和划槽隔绝的对准以及重复性、孔的的大小及形状的控制、激光对硅衬底造成的损伤及孔内金属的填充等。（ 3） EWT 电池与 MWT 电池不同的是，在发射极环绕穿通（ EWT ）器件（如图 3 所示）中，传递功率的栅线也被转移至背面，使得上表面完全没有金属。与 MWT 电池类似， EWT 电池也是通过在电池上钻微型通孔来连接上、下表面。相比较于 MMT 的每块硅片钻约 200 个通孔，EWT 要求每块硅片上大约有 2 万个这种通孔，故激光钻孔成为唯一可满足商业规模速度的工艺。图 3a EWT 电池基本结构与 IBC 电池相似， EWT 电池由于正面没有栅线和电极，使模组装配更为简便，同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子，使光生电流有了大幅度的提高。但相对光生电流而言， EWT 电池填充因子和光生电压仍需进一步提高。用于工业化大面积（大于 10 10cm2）硅片的 EWT 电池工艺多采用丝网印刷和激光技术，并对硅片质量具有一定的要求，这为 EWT 电池工艺技术提出了诸多要求，比如无损伤激光切割的实现、丝网印刷对电极形状的限制、孔内金属的填充深度以及发射极串联电阻的优化（发射极串联电阻受硅片厚度、发射极体电阻和孔洞直径的影响）等。EWT 电池的主要工艺流程如图 3b所示 [4] 图 3b EWT 电池主要工艺步骤3.2 PERL 电池PERLPassivated Emitter , Rear Locally-Diffused 电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。设计是在 PERC 电池的基础上，在电池背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行定域掺杂。 1990 年，新南威尔士大学的 J.Zhao 在 PERC 电池结构和工艺基础上，在电池背面的接触孔处采用了 BBr3 定域扩散制备出 PERL 电池，结构如图 4 所示。这种电池背面接触孔处的薄层电阻可降到 20 Ω /□以下。孔间距离也由 2 mm 缩短为 250 μ m，大大减少了横向电阻。如此，在 0.5 Ω cm 和 2 Ω cm 的 p 型硅片上制作的 4 cm2 的 PERL电池，效率可达 23-24％，比采用同样硅片制作的 PERC 电池性能有较大提高。 1993 年该课题组又对 PERL 电池进行改善，使其效率提高到 24％， 1998 年再次提高到 24.4％， 2001 年达到 24.7％，创造了世界最高记录。图 4 PERL 电池基本结构PERL 电池具有高效率的原因在于 [5] （ 1）双面钝化电池正面和背面都覆盖着热生长的 SiO2 层。发射极的表面钝化，一方面降低了表面态，另一方面减少了前表面的少子复合。而背面钝化的增加，使反向饱和电流密度 Jo 下降，同时光谱响应也得到较大的改善。（ 2）淡磷、浓磷分区扩散在金属栅指电极下进行浓磷扩散，可以满足栅指电极接触电阻小的要求；而在栅指之间大面积的受光区域内，进行淡磷扩散，只要调整好淡磷扩散的表面浓度及结深，就能同时满足横向电阻功耗小，且短波响应好两方面的要求。（ 3）背面进行定域、小面积的硼扩散如图 4 所示，背面电极采用了小面积的定域硼扩散 p区，显然，这将减少背电极的接触电阻，又给 PERL 电池增加了硼背面场，蒸铝的背电极本身又是一个很好的背反射器，从而进一步提高了电池的光电转换效率。（ 4）电池正面采用“倒金字塔”结构这种“倒金字塔” 结构受光效果优于绒面结构及微槽结构，具有很低的反射率，从而提高了电池的 Jsc。目前这种电池技术是制造实验室高效太阳能电池的主要技术之一。但是，这种电池的制造过程相当烦琐，其中涉及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产工艺，很难将且应用于大规模工业生产。PERL 电池的工艺流程为硅片→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→正面蒸发钛钯薄栅指电极→背面蒸发铝电极→正面镀银加厚栅指电极→退火→测试3.3 HIT 电池1997 年，日本三洋公司（ Sanyo）推出了一种商业化的高效太阳能电池设计和制造方法，如图 5 所示 [6] 。该电池以 n-型晶体硅材料为基底材料，并在两侧沉淀本征层 i-和 p-及 n-型非晶硅薄膜，形成 n-型硅和非晶硅异质结结构（ HIT ）太阳电池。非晶硅（ a-SiH）材料的带宽在 1.7eV 左右，远大于晶体硅 1.1eV 的带宽，因此此种 HIT 电池结构对于电池表面有很好的钝化作用。由于非晶硅几乎没有横向导电性能，因此必须在硅表面淀积一层大面积的透明导电膜（ TCO）以有效地收集电池的电流。 2003 年时，这种电池的量产销率达到了 19.5。2009 年 5 月，据宣称其单元转换效率已经达到 23。一般制造这种电池的工艺温度不超过 300℃。如果温度高于 400℃，氢原子很容易从非晶硅材料内逸出，从而降低非晶硅材料的质量，影响电池的转换效率。另外，由于 TCO 层和非晶硅发射层的本征吸收，还可能影响电池的蓝光响应。此外，由于涉及到复杂的真空系统，制造工艺也相对复杂。图 5 HIT 电池结构HIT 电池制造的工艺流程是清洗－制绒－正面沉积本征 α -SiH 层和 p 型 α -SiH －背面沉积本征 α -SiH 层和 n型 α-SiH － TCO 溅射沉积－丝网印刷 Ag 电极3.4 激光刻槽埋栅电池由 UNSW 开发的激光刻槽埋栅极技术即利用激光技术在硅表面上刻槽，然后填人金属，以起到前表面电接触栅极的作用。图 6 显示了激光刻槽埋栅电池的结构 [7] 。图 6 激光刻槽埋栅电池结构发射结扩散后，用激光在前面刻出 20μ m 宽、 40μ m 深的沟槽，将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积，使电池效率达到 19． 6％。与传统工艺的前表面镀敷金属层相比，激光刻槽埋栅电池所具有的优点是栅电极遮光率小、电流密度高；埋栅电极深入到硅衬底内部可增加对基区光生电子的收集；浓磷扩散降低了浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高了电池的开路电压等几个方面。刻槽埋栅电池既保留了高效电池的特点，又省去了高效电池制作中一些复杂工艺，很适合利用低成本、大面积的硅片进行大规模生产。目前这一技术已转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂家如英国的 BP SOLAR 和美国的 SOLAREX 等，激光刻槽埋栅电池的大致工艺流程为清洗、腐蚀制绒面 → 清洗 → 淡磷扩散 → 热氧化钝化 → 开槽 → 槽区腐蚀 → 清洗→ 槽区浓磷扩散 → 背面蒸铝 → 烧制背场 → 化学镀埋栅 → 制作背面电极 → 蒸镀减反射膜 → 去边烧结 → 测试3.5 OECO 电池（ 1）标准 OECO 电池OECOObliquely evaporated contact 太阳电池是德国 ISFH 研究所从九十年代就开始研制的一种新型单晶硅电池。与当前一些研究机构利用复杂技术制作的高效电池相比，具有结构设计新颖、制作简单、电极原料无损耗、成本低廉和适合大批量生产等优点。OECO 电池结构基于金属－绝缘体－半导体（ MIS ）接触，利用表面沟槽形貌的遮掩在极薄的氧化隧道层上倾斜蒸镀低成本的 Al 作为电极，无需光刻、电极烧穿、电极下重掺杂和高温工艺即可形成高质量的接触，并且一次性可蒸镀大批量的电池电极。更为重要的是当这种电池制作面积从 4 cm2 扩大到 100 cm2 时，效率也只是从 21.1％略微降到 20％，仍然属于高效范围，所以这种结构的电池更适宜于工艺生产。OECO 结构如图 7a所示，电池的表面由许多排列整齐的方形沟槽组成（这种沟槽可由划槽工具的不同而有半圆形或三角形等形状），浅发射极 n位于硅片的上表面，在其上有一极薄的氧化隧道层， Al 电极倾斜蒸镀于沟槽的侧面，然后利用 PECVD 蒸镀氮化硅作为钝化层和减反射膜图 7a OECO 电池结构OECO 电池具有高效性的原因包括几乎是无遮挡的表面。由于电极是蒸镀在沟槽的侧面，对光线的遮挡率极小，有利于提高短路电流；优异的 MIS 结构设计。电极与发射极不是直接接触，电池表面完全被钝化，所以载流子复合很小，可以获得很高的开路电压和填充因子以及高质量的蒸镀电极接触（丝网印刷电极方式严格限制了电池效率的进一步提高）。OECO 电池同时也是一种成本很低的电池，这是因为（ 1）采用特殊的磨具可以使开槽工艺成本大为降低；（ 2）使用便宜的金属 Al 代替昂贵的 Ag 作前表面电极；（ 3）制作前表面电极无需掩膜并且蒸镀金属几乎无损失；（ 4）无需光刻和其它高温工艺；（ 5）利用倾斜方式可以一次性蒸镀大批量电池；（ 6）适合于大面积和薄的硅片制作电池。OECO 电池的制作工艺流程为前表面机械开槽 → 化学腐蚀 → 化学清洗 → 背面掩膜（扩散） → 前表面化学制绒 → 使用液态源 POCl3 进行磷扩散制作 n发射极 → 打开背面接触，真空蒸镀 Al 作为背电极 → 前表面低温热氧化形成氧化隧道层 → 前表面无需掩膜直接倾斜蒸镀 Al 作为面电极 → 使用导电胶将各个面电极连接起来 → 采用 PECVD 法在前表面蒸镀氮化硅作为钝化和减反射层（ 2）背接触双面 BACK OECO 电池在 OECO 电池的基础上，德国 ISFH 研究所又开发出了 BACK OECO 电池，即将所有的电极设计在电池的背光面上，如图 7b所示 [2] 。图 7b BACK OECO 电池结构与标准 OECO 电池的不同的是， BACK OECO 电池正表面采用 PECVD 整面镀制 SiNx膜，实现了较好的钝化效果；而金属－绝缘体－半导体（ MIS ）接触线以波浪形分布在背表面，波脊的一侧是 n 型接触线，另一侧是 p 型接触线。这样的设计使电池兼具有 OECO 和背接触电池的优点，而其非常突出的一个优点是该电池可以十分有效的利用在背面之间来回反射的光，故能显著的提高输出功率。这种成本低廉的双面电池将十分有希望为光伏电池带来突破性的经济效益。4 小结太阳能电池技术发展的终极目标是提高效率并降低成本。晶体硅太阳能电池以其优异的应用特性和较高的转换效率，已成为公认的并在未来相当长一段时期内都将占据主导地位的太阳能电池技术。目前，我国对高效晶体硅太阳能电池基础理论仍需深化，工业化研究更为欠缺。本文介绍了几种可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术，并分别对其工艺技术特点及难点进行了评价，为国内实现高效电池技术工业化生产提供参考。随着中国太阳能电池产业的迅猛发展，市场的强劲需求必将带动太阳能电池向着效率更高、成本更低的方向发展，而先进的工业制造技术，则无疑是这一清洁能源真正实现产业化生产、走进千家万户的保障基础。参考文献[1] 杜樊立 , 付秋明 , 陈炳若。高效单晶硅太阳电池的结构分析与设计武汉大学学报理学版第 51 卷第 S2 期 2005 年 12 月 72-74[2] David D. Smith Review of Back Contact Silicon Solar Cells for low-cost Application Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM [3] Rudolf Hezel Process in Manuafacturable High-Effciency Silicon Solar Cells [4] A. Sch necker, H. H. C. de Moor, A. R. Burgers, A. W. Weeber, J. Hoornstra, W. C. Sinke P.-P. Michiels *, R. A. Steeman * An industrial multi-crystalline EWT solar cell with printed metallization [5] 史济群， M.Green 钝化发射极、背面定域扩散高效硅太阳电池华中理工大学学报第 22卷，第 9期， 1994年 9月[6] H.Sakata, et al., Proc. 3rd World Conf. on Photov. Energy Conversion, WCPEC-3, Osaka, in press2003. 43 [7] W. Wettling High efficiency silicon solar cells State of the art and trends, Solar Energy Materials and Solar Cells 381995 487-500