面向大規(guī)模應(yīng)用的高效晶體硅雙面可受光太陽電池的研究.pdf

1、光伏科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供給我們一個(gè)解決日益增長的能源需求和可持續(xù)發(fā)展環(huán)境要求之間矛盾的方法。晶硅電池由于其技術(shù)穩(wěn)定、工藝成熟，在可預(yù)見的未來，仍將會(huì)長期占據(jù)光伏市場的壟斷地位。從整個(gè)晶體硅光伏組件生產(chǎn)鏈：多晶硅-硅片-電池-組件來看，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要技術(shù)在沒有重大突破的前提下，生產(chǎn)成本很難再大幅度降低。通過提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率，可以最直接的降低光伏發(fā)電成本?；趥鹘y(tǒng)鋁背場的晶硅太陽電池工藝成熟，很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的大幅度提高。雙面晶

2、體硅太陽電池采用雙面金屬柵線結(jié)構(gòu)，電池正反兩面可以同時(shí)受光發(fā)電，從而顯著增加了單位面積的電能輸出。該電池結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)單面鋁背場電池結(jié)構(gòu)來說，相當(dāng)于是間接的、大幅度提高了單位電能輸出，達(dá)到了單面高效太陽電池發(fā)電的效果，繼而大幅度的降低了太陽電池每瓦的發(fā)電成本。本文通過對(duì)以低成本絲網(wǎng)印刷為基礎(chǔ)的晶體硅電池技術(shù)的理解和研究，設(shè)計(jì)完成了雙面受光太陽電池的制作工藝，并結(jié)合太陽電池制作原理，詳細(xì)分析了該電池結(jié)構(gòu)制作中的擴(kuò)散、鍍膜及表面金屬化等核心工藝

3、步驟。
　　 理論研究工作主要集中于雙面太陽電池的模型建立。主要包括硅片表面的織構(gòu)化情況及反射曲線；擴(kuò)散后表面方塊電阻、摻雜濃度，結(jié)深；表面鈍化后的表面復(fù)合速率、有效少子壽命；表面金屬化后的接觸電阻、柵線情況等。通過雙面電池的性能參數(shù)的定量模擬，理論上設(shè)計(jì)雙面電池所需達(dá)到的主要電性能指標(biāo)。
　　 基于理論研究的結(jié)果，后續(xù)的研究工作集中于器件的制作及分析。限制現(xiàn)有晶體硅電池轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高的主要因素是鈍化和電池結(jié)構(gòu)中的光

4、吸收利用技術(shù)。硼擴(kuò)散技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)電池效率提高的基礎(chǔ)，通過介質(zhì)膜鈍化硼擴(kuò)散形成的p+層，可以大幅度的降低表面復(fù)合速率；同時(shí)引入的位于本體硅材料和表面金屬之間的介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)(SiNx、SiO2、SiC和Al2O3等)又是非常好的背反射層，提高了電池內(nèi)部背面光的反射、增加了對(duì)光的有效吸收。采用液態(tài)源三溴化硼(BBr3)實(shí)現(xiàn)硼擴(kuò)散是最適合于產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模使用的低成本、高質(zhì)量的工藝技術(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)850-900℃的三氯氧磷(POCl3)磷擴(kuò)散，硼擴(kuò)散需

5、要更高的擴(kuò)散溫度(900-1050℃)。結(jié)深、表面濃度、方塊電阻大小和均勻性決定了飽和暗電流密度J0和有效少子壽命，而較低的J0值保證了電池的開路電壓Voc(Voc∝ln J0-1)。擴(kuò)散工藝中的驅(qū)入步驟與飽和暗電流密度J0和有效少子壽命τeff有著直接的聯(lián)系。通過實(shí)驗(yàn)，在1020℃的驅(qū)入溫度條件下，基于n型15Ω.cm和p型2Ω.cm的直拉單晶硅片在雙面擴(kuò)硼后，我們實(shí)現(xiàn)了J0值小于150FA/cm2，而少子壽命也達(dá)到了375μs(n型

6、15Ω.cm直拉硅片)。然而在開管擴(kuò)散狀態(tài)上，即使在最優(yōu)化爐管內(nèi)氣氛并保證硼擴(kuò)散的均勻性的條件下依然很難實(shí)現(xiàn)批量、密集置片(硅片間距<2cm)擴(kuò)散。通過運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)軟件來模擬管式擴(kuò)散條件，我們驗(yàn)證了硅片的間距對(duì)擴(kuò)散均勻性的影響關(guān)系，并且提出了減壓擴(kuò)散可以實(shí)現(xiàn)批量、高均勻性的液態(tài)源硼擴(kuò)散。
　　 在背靠背硼擴(kuò)散時(shí)需要對(duì)非擴(kuò)硼面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，或者在硼擴(kuò)散結(jié)束后對(duì)非擴(kuò)

7、硼面進(jìn)行處理，祛除可能發(fā)生的部分硼繞射，滿足該面后續(xù)擴(kuò)磷時(shí)表面無殘留的要求；同樣在后續(xù)的背靠背擴(kuò)磷工藝中同樣需要對(duì)擴(kuò)硼面進(jìn)行保護(hù)，避免由于磷、硼交叉摻雜導(dǎo)致的擴(kuò)硼(p+)面的失效或者漏電。通過研究我們證明了，采用等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)方式沉積的SiNx膜是最為理想的掩膜層，可以基本上杜絕交叉摻雜，并且簡化電池的制作工藝。
　　 等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)方法生成的SiNx膜直接沉積在擴(kuò)硼(p+)面上，鍍膜所產(chǎn)生的

8、正電荷會(huì)影響SiNx膜對(duì)擴(kuò)硼(p+)面的鈍化效果。采用原子層沉積(atomic layer deposition)方式生成的Al2O3膜由于其富集的負(fù)電荷是最為理想的擴(kuò)硼(p+)面鈍化層，然而目前該技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用還有很多問題，故目前如何實(shí)現(xiàn)等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)方式完成擴(kuò)硼(p+)面的鈍化膜結(jié)構(gòu)還是重要的研究工作，并且有著直接的應(yīng)用價(jià)值。在我們的研究中已證明了在某些硼擴(kuò)散條件下，通過高溫退火工藝處理的SiNx

9、膜可以基本滿足擴(kuò)硼(p+)面的鈍化要求。
　　 絲網(wǎng)印刷是最為成熟的實(shí)現(xiàn)晶體硅太陽電池金屬化的制造技術(shù)。然而在擴(kuò)硼(p+)面上選擇何種漿料，如何通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)完成電池的金屬化至今仍是一個(gè)難題，也是限制擴(kuò)硼技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素之一。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選用不同的銀漿、銀鋁漿在擴(kuò)硼(p+)面上進(jìn)行金屬柵線的印刷和燒結(jié)，進(jìn)行了大量的比對(duì)試驗(yàn)。繼而進(jìn)行了擴(kuò)硼(p+)面的接觸電阻Rc、金屬柵電阻Rg和電池表面的金屬柵遮光面積等的綜合比較分析

10、，最終確定了合適的擴(kuò)硼(p+)面的漿料、表面柵線結(jié)構(gòu)和電池?zé)Y(jié)工藝。在電池?zé)Y(jié)后，祛除電池表面的金屬柵線，通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析，我們發(fā)現(xiàn)了不同漿料在燒結(jié)工藝后與硅體材料形成的不同的金屬-硅合金結(jié)構(gòu)，從而在理論上解釋了不同漿料在擴(kuò)硼(p+)面上形成的接觸電阻差異的原因。
　　 通過對(duì)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作雙面晶體硅太陽電池工藝和技術(shù)的細(xì)致研究，我們最終在電阻率為2Ω.cm的直拉單晶硅材料上，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制造完成了正面轉(zhuǎn)化

11、效率為16.6％、背面轉(zhuǎn)化效率為12.8％、正反面電流密度比(Jsc-rear/Jsc-front)為76.8％的雙面電池。背面接受的可見光按照標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的20％來算，該雙面電池整體輸出電能可以比常規(guī)的鋁背場電池的電能輸出提高15.4％。該電池的轉(zhuǎn)化效率為目前國內(nèi)最高水平，在國際上也處于領(lǐng)先地位，并且相應(yīng)的電池效率測(cè)試也已經(jīng)得到了美國喬治亞理工大學(xué)國家杰出光伏實(shí)驗(yàn)室的確認(rèn)。目前已經(jīng)采用該工藝技術(shù)進(jìn)行了雙面電池的小批量制備，封裝了30片串的