宽带隙硅薄膜在TOPCon晶体硅太阳电池的应用研究-陶科-中国科学院.pdf-solarbe文库

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第十四届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（14 th CSPV ）西安，中国，2018.11.8-10 陶科 K. Tao, 贾锐 R. Jia, 许志钰Z. Xu, 姜帅S. Jiang, 周颖Y. Zhou ，包建辉J. Bao Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所 2018-11-10 宽带隙硅薄膜在TOPCon晶体硅太阳电池的应用研究  中科院微电子研究所太阳电池与系统应用研究中心  研究背景  TOPCon太阳电池的研究方案  结论与展望中科院微电子研究所太阳能研究中心  高效晶体硅太阳电池  TOPCon  IBC  HJ-IBC  湿法黑硅制绒技术同质结IBC电池转换效率达到21 以特殊的掩膜代替光刻，完成背面图形化，转换效率超过19 Ke Tao, et al, Solar Energy 144 2017 735 Qiang Li, Ke Tao, et al, Solar Energy 135 2016 487 Rs4.4Ω.cm -1 Rsh 6.03Ω.cm -1 Voc681mV Jsc39.3A/cm 2 FF79.88 E FF 21.38 TOPCon 太阳电池大面积电池 156x156cm 2 0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 Voc689mV Jsc39.8A/cm 2 FF80.3 Eff22.02 Area 2x2 cm 2 实验室小面积电池理想的载流子选择性接触 1.使用非晶硅作为钝化层；非晶硅异质结钝化结构 2. 使用超薄氧化层作为钝化层；隧穿氧化层钝化接触结构 2012 2016 2020 2024 2028 16 18 20 22 24 26 28 Efficiency Year Al-BSF PERC Passivated contact IBC 26.0 25.0 23.5 20.0 Development of industry Si solar cells 源于德国F-ISE  研究背景 400 600 800 1000 1200 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 HJ IBC-HJ 26.3IBC-HJ from Kaneka, Japan EQE of short wavelength improved due to front optics improvement  对Top/Rear HJ ， Jsc要明显偏低，主要是因为前表面存在寄生吸收损失；  对于TOPCon太阳电池，因为前表面采用同质结，Al 2 O 3 /SiNx作为钝化减反介质，电池Jsc较高，而Voc 则偏低。 Cell type VocmV JscmA/cm 2 FF Eff. Areacm 2 IBC-HJ 744 42.3 83.8 26.3 180.4 Kaneka IBC-HJ 740 41.8 82.7 25.6 143.7 Panasonic IBC 737 41.3 82.7 25.2 153.5 Sunpower Top/Rear HJ 738 40.8 83.5 25.1 151.9 Panasonic Top/Rear HJ 740 38.6 82.9 23.7 242.5 Hanergy Top/Rear TOPCon 725 42.5 83.3 25.7 4 Fraunhofer JscmA/cm 2 VocmV FF Eff 40.6 698.1 81.1 23 41.4 703.2 82.5 24 41.5 715.1 82.1 24.4 41.5 719 83.2 24.9 42.1 718 83.2 25.1 42.5 725 83.3 25.7 相比于SHJ ，TOPCon电池的开路电压有明显的提升空间 前表面有明显的载流子二维输运，且选择性发射极结构复杂，不利于工业化 能不能把TOPCon应用到发射极，设计类似HIT的对称结构 A. Richter, et al, DOI 10.1016/j.solmat.2017.05.042 衬底清洗RCA 双面隧穿氧化层 n /p poly-SiC x ,O x ITO sputtering Metallization 样品结构电池工艺流程  双面TOPCon太阳电池的研究方案 PECVD NAOS 200 300 400 500 600 700 15 20 25 30 35 40 45 50 Sheet resistanceohm/sqr / Mobility cm 2 /Vs Annealing temperature o C sheet resistance mobility 0 2 4 6 8 10 resistivity carrier concentration Carrier concentration x10 20 cm -3 /Resistivityx10 -4 ohm*cm 5.00E015 1.00E016 1.50E016 200 400 600 800 10000 15000 20000 After a-Si deposition After ITO annealed J 0e 18.9 fA/cm 2 1/Tau correctedsec -1 Minority Carrier Densitycm -3 J 0e 14.7 fA/cm 2 J 0e 310 fA/cm 2 After ITO deposition 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 Tau sec Minority Carrier Density cm -3 n-TOPCon ITO-20W ITO-40W ITO-60W post-annealed unannealed ITO 薄膜的溅射功率及退火温度对n-type TOPCon样品钝化特性的影响 高能粒子轰击导致多晶硅薄膜缺陷增大，样品少子寿命大幅衰退，并且溅射功率越高，少子寿命下降越厉害； 一定温度的退火处理可以使溅射损伤得到修复，样品的钝化寿命也因此得到大部分恢复； 研究发现退火温度在500 o C附近少子寿命恢复程度最高，而此时ITO 的电学性能也达到最佳。 Ke Tao et al Solar Energy 176 2018 241 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 annealed at 500 o C Jsc35.87 mA/cm2 Voc604 mV FF74.1 Current densitymA/cm 2 VoltageV without annealing Jsc38.14 mA/cm2 Voc671 mV FF72.5  采用双面TOPCon钝化结构，得到的太阳电池转换效率达到18.55  电池的短路电流密度38.14mA/cm 2 ，仍低于PERC电池的平均值，电池表面存在寄生吸收损失 TOPCon太阳电池结构双面TOPCon钝化接触的太阳电池 F. Feldmann et al. / Solar Energy Materials 多晶硅薄膜的光学寄生损失相对较弱，但依然达到0.5mA/cm 2 /10nm 对策增大硅薄膜的光学带隙，降低光的寄生吸收短波损失碳原子的掺杂对P原子的内扩表现出抑制效应相同的退火温度下，碳掺杂浓度越大，P原子向硅衬底内部扩散深度越低 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1E15 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 900 850 800 CH41 CH42 CH43 退火温度甲烷流量 1sccm 2sccm 3sccm 800℃ 27 25 26 850℃ 143 83 26 900℃ 305 187 123 不同条件下样品的结深nm 宽带隙多晶硅碳薄膜的研究 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH41 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH42 1E13 1E14 1E15 1E16 1E-4 1E-3 0.01 900 850 800 CH43 少子寿命的变化也很有意思随着碳掺杂浓度的增大，样品的最佳退火温度发生了显著的变化，碳掺杂浓度为3 时，900 ℃ 的少子寿命最高，而800 ℃时的少子寿命最低。碳掺杂对钝化寿命的影响 1E14 1E15 1E16 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 950 o C CH44 SiO 2 sSis → 2SiOg 退火温度过高，氧化硅遂穿层受到破坏，界面钝化效果变差，有效少子寿命降低尽管退火温度已经达到950 o C ，但钝化样品的少子寿命并没有出现明显的降低，我们推测，碳原子的掺入能够对氧化层起到保护作用 Τau3ms 1e15cm -3 iVoc714mV 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 1E21 950 CH441.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 碳掺杂对硅薄膜光学带隙及微结构的的影响 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 800 o C 900 o C as dep. 随着碳掺杂浓度的变化，硅薄膜的光学带隙可以从1.8eV 增大到 2.3eV 得益于高温退火碳原子的加入对多晶硅的微结构有序度影响较小，进而使得多晶硅碳薄膜依然具备远高于非晶硅薄膜的掺杂浓度相关的电池验证工作正在展开当中  结论与展望  双面TOPCon结构 [n poly-Si /SiOx/n - c-Si/SiO x /p poly-Si] 太阳电池的载流子输运呈一维特性，易于获得更高的 FF，同时良好的表面钝化保证了较高的开路电压，但是前表面的寄生吸收导致短路电流密度下降，进而影响了该结构的电池效率；  溅射ITO 薄膜导致TOPCon 样品钝化寿命急剧下降，溅射功率越高，少子寿命衰退越厉害但是通过退火可以使TOPCon 样品钝化性能得到有效恢复，并且在500 o C附近得到最佳的恢复；  通过碳原子的掺杂可以使多晶硅薄膜的光学带隙达到2.3eV而保持钝化寿命超过3ms ，有望解决表面的光吸收损失，进而使得双面 TOPCon太阳电池获得更高的效率。下一步，我们将以宽带隙多晶硅薄膜作为发射极，将其应用到p型晶体硅太阳电池，考察电池在效率及成本方面的潜力。电池工艺间光刻工艺间 B 、P扩散炉标准RCA清洗多腔室PECVD PV2000A 量子效率综合测试仪完整的测试平台椭偏仪 SEM 拉曼-AFM 综合测试系统磁控濺射系统 ALD 系统超高真空CVD 链式烧结炉自制PECVD 完整的研发平台 Thank you for your attention 提供整套高效电池测试、关键工艺、专业模拟和测试分析服务 拥有完整研发平台，欢迎合作研究 联系方式jiaruiime.ac.cn