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2019 SEPERC电池资料整理 吴帅 太阳能电池的分类 太阳能电池的 能量损失分析 太阳能电池的工作图 ①太阳电池受光照后,能量小于禁带宽度的光子 不能被吸收,直接穿过电池而透射 出去 。 ② 若光子的能量比禁带宽度大,就会被吸收而产 生电子 -空穴对,电子和空穴分别 被激发 到导带和 价带的高能态,处于高能态的光生载流子很快与 晶格相互作用,将能量 交给声子而回落到导带底 和价带顶,这一过程称为热化过程 ( thermalization),热化过程使高能 光子的能 量损失一部分。 ③ 光生载流子的电荷分流和输运,在 p-n 结内的 损失。 ④ 光生载流子输运过程中的复合损失。 ⑤ 电压的输出又有一压降,引起接触电压损失。 太阳能电池的 能量损失分析 为减少电学损失以提高电池效率,可以从以下方面着手 ① 选用良好晶体结构(高 纯度 、少缺陷)的硅片和类型(如 n 型) ; ② 发展理想的 p-n 结形成技术(如离子注入) ; ③开发 理想的钝化技术,使器件表面或体内晶界的光生载流子复 合中心失去复合活性, 如 SiO2、 SiNx、 SiC、非晶硅( a-Si)和 H2 钝化等技术 ; ④ 采用合理的金属接触技术,以 使电池 的串联电阻最小,并联电 阻最大 ; ⑤ 最佳的前场和背场技术。 高效太阳能电池主要技术因素 太阳电池的主要技术参数有 短路电流 ( Isc)、开路电压( Voc)和填充因子 ( FF),这三个参数与电池材料、几何结构 和制备 工艺密切相关。所有的高效晶 体硅太阳电池技术,都是围绕如何获得较高的 Isc、 Voc和 FF 而展开的。 高效太阳能电池主要技术因素 几种 高效晶体硅太阳能电池 钝化发射极太阳能电池 ( passivated emitter solar cell, PESC) 近年来,晶体硅太阳电池的一个重要进展来自于表面钝化 技术水平的提高。 澳大利亚新 南威尔士大学采用钝化技术, 在高效太阳电池的研究方面取得了卓越的成就。钝化 发射 极 太阳电池的结构示意图如 图所 示。首先使用热氧化的技 术在硅片的表面生长一层 小于 10nm 的 SiO2 层,在这样 的厚度之下,载流子几乎不可能隧穿,从而起到钝化 发射 极表面 的作用;在背面沉积一定厚度的铝层,铝和硅热处 理之后会形成合金,可以吸除 电池体内 的杂质及缺陷,因 此提升了电池的开路电压。 SiO2 并不是覆盖电池整个表 面, 而是通过 光刻在栅电极的下面形成 5um 的细槽,在 这些细槽内,金属栅电极直接与硅片接触 ,这样 ,通过使 电极区域面积的缩小来增强电极区的钝化效果,进而降低 了表面态,减小 了表面 的复合速率,开路电压得以提高。 PESC 电池结构 示意图 几种 高效晶体硅太阳能电池 选择性发射极太阳能电池 p-n 结的形成是太阳电池的核心部分,因此在扩散时掺杂浓度的高低就显得尤为重 要 。发射区 掺杂浓度对转换效率的影响是双重的,在常规晶体硅太阳电池中,通常 采用较 高浓度 的掺杂,目的是使硅片和电极接触面之间的接触电阻减小,从而降低 其串联电阻。 但是若 掺杂浓度过高,电池的顶 .层复合增大、使得少子寿命也随之降 低,这就会影响电池 的短路电流 和转换效率。为解决发射区掺杂浓度对太阳电池转 化效率的限制,提出了 选择性发射极 ( selective emitter, SE)电池的设计方案, 即在金属栅线(电极)与硅片接触的 地方 及其附近进行高掺杂和深扩散,而在电极 以外的地方进行低掺杂浅扩散。 SE 电池与 传统 电池基本结构对比如 图所 示。采用 SE 结构的太阳电池,它具有如下优点 ①降低串联 电阻,提高填充因子。接触电阻与表面掺杂浓度有关,表面掺杂浓度越 高, 接触电阻越 小 。 ② 减少载流子复合,提高表面钝化效果。 SE 电池结构的电极间浅扩散可以使载流 子横向流动 .时的复合几率有效的减少,提高载流子收集效率;另外,低表面掺杂浓 度 可以 使表面态密度较低,这样也可提高钝化效果 。 ③ 增强电池短波光谱响应,提高 短路电流和 开路电压。同时,由于 SE 结构电池存在 一个横向的 nn高低结,和传统结构相比 ,此 高低结可以提高开路电压。 几种 高效晶体硅太阳能电池 选择性发射极 太阳能电池 SE 电池(左)与传统晶体硅电池(右)的结构对比示意图 几种 高效晶体硅太阳能电池 金属环绕贯穿 ( metal wrap throug, MWT)太阳能电池 通常 晶体硅太阳电池的发射区以及发射区的电极都在电池正面,尽管电 极栅线在 电池正面 的所遮面积仅为电池面积的 7左右,但这部分栅线依 然会阻挡电池对阳光的吸收 ,可以 通过减小栅线宽度来减少遮光的面积, 然而较细的栅线会导致电极的接触电阻增加 ,从而 降低转换效率,而且 工艺难度也会増加,如果把正面电极转移到背面,使发射区 电极和 基区 电极均位于电池背面,即所谓的背接触电池,则可以降低或完全消除正 面栅线 电极的 遮光损失,从而提高电池的效率。一般 MWT 电池的结构 示意图如 图所 示。 几种 高效晶体硅太阳能电池 金属环绕贯穿 ( metal wrap throug, MWT)太阳能电池 MWT 电池的主要优势是 MWT 电池与常规太阳电池的主要区别是 主栅 .线位于 电池的 背面,仅保留了正 .面的细 .栅,因此正 .面的遮 .光 面积减小,接受 .光照的 .面积增大, 有效增加 了电池片的短路电流, 使转换效率得以提高。由于激光钻孔后,在孔内进行扩散及 金属化 , 这样正面和孔中就是电池的发射区,可以实现双 p-n 结,位于前表面 的发射极细 栅所 收集的电流通过金属化的通道引导到电池的背面主栅, 共同对载流子进行收集,使 载流子的分离和与收集效率提高。因此, MWT 电池对材料质量要求不高,少子寿命较低的硅片 采用此结构仍 可以获得较高的短路电流,应用于多晶硅电池更加有利于降低成本。 同时 , MWT 电池制作光伏组件时,不存在正面主栅的焊接,电池片 之间的连接均由背面电极 提供 ,降低了由焊接引起的电阻损耗,使电 池到组件的损耗降低,提高组件的输出功率。 但是 MWT 电池的组件 封装技术及其低成本化、是 MWT 技术面临的问题。 几种 高效晶体硅太阳能电池 IBC 太阳能电池 IBC 电池是在 20 世纪 70 年代被 提出, 是研究最早的背结电池,最开 始主要 应用于 聚光系统中。该电池是利用光刻技术,在背面分别进行 硼、磷局域扩散,形成 p发射极 和 n背表面场,同时发射区电极和 基区电极也交叉排列在背面。在电池前后表面 覆盖一 层热氧化 SiO2, 以降低表面复合。在高聚光条件下的电压饱和效应可以通过重扩散所 形成的 p区与 n区进行有效消除,此外, p和 n区接触电极的覆 盖面积几乎较小到背 表面 的一半,使其串联的电阻大幅度降低。如何 制作出质量比较好、呈叉指形间隔排列的 p区 和 n 区是 IBC 电池的核 心。 IBC 电池除具有背接触电池的所有优点外,还由于电池 前表面 没 有金属栅线,带来了如下好处 ① 由于正面无栅线遮挡,入射光子更多,可以 增加电池 的短路电流密 度 ; ② 由于正面无栅线,不必考虑正面的接触电阻问题,可以最大 程度 优 化前表面的陷光和表面钝化性能 ; ③ 由于正负电极都放在电池背面,不用考虑金属栅 线对 电池的遮挡问 题,可以将栅线宽度加宽,降低金属接触的串联电阻 。 几种 高效晶体硅太阳能电池 HIT( Heterojunction with Intrinsic Thinfilm太阳能电池 HIT 电池的结构示意图如 图所示, 它是以 n 型单晶硅片为衬底,在 经过 清洗 制绒的 n 型 CZ c-Si 正面首先沉积厚度为 5~ 10nm 的本 征氢化非晶硅薄膜 i-a-Si H,接着 进行 p 型氢化非晶硅薄膜 p- a-Si H的制备,从而形成 p-n 异质结。在硅片背面 依次沉积 厚度 为 5-10nm 的 i-a-SI H 薄膜、 n 型 a-SI H 薄膜 n-a-Si H形成 背表面场。在 掺杂 a-Si H 薄膜的两侧,再沉积透 .明导 .电氧 .化物 薄膜 TCO,最后通过丝网印刷技术在 两侧 的顶层形成金属集电极, 构成具有对称结构的 HIT 太阳电池。也可以用 p 型单晶硅 为衬底 , 获得对应结构的异质结 电池 . HIT 电池的制作工序为硅片 → 清洗 → 制绒 → 正面 沉积 非晶硅薄膜 → 背面沉积非晶硅薄膜 → 正反面沉积 TC0 薄膜 → 丝网印刷电极 → 边缘 隔离 → 测试。 HIT 太阳能电池结构示意图 晶体 硅太阳能电池钝化接触技术 太阳能电池表面钝化结构的演进 早期丝网印刷电池 普通丝网印刷电池 PERC/PERL 电池 背面钝化接触电池 背面钝化接触电池结构 钝化 接触理论 当一块半导体突然中止时,理想单晶 晶格的完整周期性就会被突然破坏。 周期性 势函数 将导致禁带中出现电子 能级。半导体中的单一缺陷会在禁带 中产生分立能态,而表面 处周期函数 的突然中止,将会导致如 图所 示的 情 形, 即在整个半导体禁带中 会出现 允 带能级分布。同样,在硅的晶体结构 中,表面与界面都代表了严重的不连 续性。 因此 ,在硅材料表面存在着一 系列密度很高的容许能级,这些能级 对应了禁带之中的能量 ,电子 和空穴 就会在禁带内的某个能级(复合中心) 复合,如 图所示, 禁带 中存在 的这些 缺陷能级使价带之中的空穴和导带之 中的电子在缺陷能级中进行复合,这 种 复合 通常被称为间接复合。 表面状态示意图 表面能态示意图 晶体硅表面示意图 钝化 接触理论 载流子复合必然伴随能量的降低,能量守恒要求这部分 降低的能量必须被释放出来, 释放能量的方式有三种 ① 发射光子,以这种方式释放能量的复合为辐 .射复 .合或 者发 .光 .复合; ② 发热,也就是多余的能量会使晶格震动更为强烈 ; ③ 将能量传给其他的载流子 ,增加 其动能,这种复合被 称为俄歇( Auger)复合 。 钝化的实质是令结构缺陷包括表面处的不饱和键饱和, 从 能带结构 上看就是令其能级被填充而不能起作用,钝 化是硅晶太阳电池技术的关键核心之一。 目前较好的钝化水平可以使表面复合速度降到 10 cm/s 水平。 间接复合过程示意图 钝化 接触理论 晶界的局域态缺陷 包括 1悬挂键 dangling bond 或 broken bond引起的晶体 缺陷; 2从外界沉积的非本征杂质 extrnsic impurity; 3晶体生长过程中在界面聚集的非本征杂质。 钝化 接触理论 钝化接触结构的隧穿 钝化接触技术既能降低表面复合,又无需开孔。要用于 钝化接触结构的材料 必须满足 ① 对电池表面具有良好的钝化效果 ; ② 可以有效地分离准费米能级 ; ③ 可以高效 将一 种载流子从吸收层传输到掺杂层 。 有了 这三个条件,就可以把这一结构用于电池的表面, 形成既满足钝化要求,又无需开孔即可传输电流的钝化 接触结构太阳能电池 。 研究 人员首先在电池背面用 化学方法 制备一层超薄氧化 硅,然后再沉积一层掺杂硅薄层,二者共同形成了钝化 接触结构。 图为背面 TOPCon 结构太阳能电池的隧穿效应示意图, 厚度 为 1-2nm 的二氧化硅层 对载流子 具有很好的选择性, 在允许多子电子通过的同时阻挡了少子空穴的传输。 钝化接触结构隧穿效应示意图 钝化 接触理论 钝化接触结构的隧穿 具体来说,钝化接触太阳能电池的隧穿原理如 图所 示 以 n 型电池为例,正面 首先 生长超薄的二氧化硅层,作 为表面钝化层,然后沉积硼掺杂的 p型非晶硅层,这两 层共同 构成正面空穴传输层。沉积后,硅片靠近表面由 于能带弯曲,阻挡了电子向正面的 移动 ,电子只能向后 表面移动。相反的对空穴来说,虽然二氧化硅层对空穴 有一个小的阻挡 ,但 由于二氧化硅层很薄,空穴可以隧 穿然后通过高掺杂的 p型非晶硅。在背面同样 沉积超薄 二氧化硅层和掺磷的 n非晶硅层,同样由于能带弯曲, 空穴无法穿过背面,而 电子可以 穿过,所以这两层构成 了电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层, 使得光 生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池 的一个表面流出,从而实现电子和 空穴 的分离。 选择性接触电池能带图 SE原理 -量产化 原理 在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂,而在电极以外的区域进行低浓 度掺杂,这样,既降低了硅片和电极之间的接触电阻,又降低了表面的复合,提高了少子寿 命 ; SE的优点 1)降低串联电阻,提高 FF; 2 减少载流子复合,提高表面钝化效果; 3)增加电池短波光谱响应,提高短路电流和开压; SE激光原理激光掺杂中,利用激光的热效应,熔融硅片表层,覆盖在发射极顶部的磷 硅玻璃中的 P原子进入硅片表层,磷原子在液态硅中的扩散系数要比在固态硅中的扩散高数个 数量级,固化后掺杂磷原子取代硅原子的位置,形成重掺杂层 ; 量产化 SE SE优势验证 Eta ISC UOC FF Irev2 Rs Rsh 计数 LPD75欧姆 SE流程 21.56 10.011 0.665 79.68 0.038 0.00147 536 23 TS88欧姆 SE流程 21.55 10.064 0.6679 78.91 0.041 0.00152 399 20 SE 21.69 10.065 0.6711 79.04 0.050 0.00149 436 127 差值( SE-TS88欧姆) 0.14 0.0010 0.0032 0.13 0.009 -3E-05 37 SE优势验证 Eta ISC UOC FF Irev2 Rs Rsh 计数 常规双面 SE印刷 21.45 9.871 0.6693 79.32 0.0285 0.0016 769 48 SE 21.58 9.8745 0.6726 79.40 0.0591 0.0015 425 85 差值( SE-常规双面) 0.13 0.0035 0.0033 0.08 0.0306 -0.0001 -344 SE的电性能优势趋势基本与理论一致,数据显示, UOC优势比较 明显, ISC和 FF优势不明显 ; 量产化 SE SE重扩 SE浅扩 SE重扩 常规双面 PERC扩散 SE扩散的 ECV比较 量产化 SE SE工艺流程 ➢SE扩散 分为常规炉管和 SE激光扩散,常规炉管进行浅 掺, SE激光进行重掺,因表面有 PSG层保护,两者均可 进行 库存 ; ➢ 常规炉管扩散除了需要进行浅掺,还需要为激光在 PSG层中储备一定的磷,以备激光进行重掺;所以激光 前后的方阻降低有一定的要求,目前基本在 40欧姆 左右; 量产化 SE SE工艺流程 激光 印刷 检测 PECVD 制 绒 常规炉管扩散 高方阻) 湿法刻蚀 氧化 AL2O3 SE激光扩散(低方阻) 量产化 SE 激光原理 1.激光定义 激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称 LASER的 音译,是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是 “ 通过受激发射光扩 大 ” 。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。 1964年按照我 国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称 “激光”。 2.激光产生理论 介绍 激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态 a. 受激吸收(简称吸收)处于较低能级的粒子在受到外界的激发,吸收 了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级 。 量产化 SE 激光原理 b.自发辐射粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在 着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自 发地从高能级激发态 ( E2)向低能级基态 ( E1)跃迁,同时辐射出能量为 ( E2-E1)的光子 。 c. 受激辐射(激光 ) 当频率 为 ν( E2-E1) /h的光子入射时,会引发粒子 以一定的概率,迅速地从 能级 E2跃迁到 能级 E1,同时辐射一个与外来光子 频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。 量产化 SE 激光原理 3.晶体 腔工作物质,谐振腔,激发源 工作物质使受激辐射成为介质中的主导过程,必要条件是在介质中造成离 子数反转分布,即使介质激活。例如掺钕钇铝石榴石 ( NdYAG) YAG激光 晶体。 谐振腔加强介质中的受激辐射,通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或 凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔 的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,把其它频率和方向 的光加以抑制。 激发源要使工作物质成为激活态,需要外界激励作用。一般有光泵式,电 激励式,化学式。 量产化 SE 激光原理 激励能源 工作物质 全反射镜 部分反射镜 激光的产生过程可归纳为 量产化 SE 激光原理 镜头聚焦原理 凸透镜 量产化 SE 激光原理 激光刻划原理 量产化 SE 激光原理 激光扫边原理 激光控制系统 冷却系 统 激光电 源 激光腔 反 射 镜 扩 束 镜 Q 开 关 输 出 镜 声光电源 计算机系统 扫描振 镜 运动工作台 聚焦系 统
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