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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