面向大規(guī)模應用的高效晶體硅雙面可受光太陽電池的研究.pdf

1、光伏科技和產業(yè)的發(fā)展提供給我們一個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穩(wěn)定、工藝成熟，在可預見的未來，仍將會長期占據光伏市場的壟斷地位。從整個晶體硅光伏組件生產鏈：多晶硅-硅片-電池-組件來看，各生產環(huán)節(jié)的主要技術在沒有重大突破的前提下，生產成本很難再大幅度降低。通過提高太陽電池的光電轉化效率，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，很難實現轉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構，電池正反兩面可以同時受光發(fā)電，從而顯著增加了單位面積的電能輸出。該電池結構較傳統(tǒng)單面鋁背場電池結構來說，相當于是間接的、大幅度提高了單位電能輸出，達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。本文通過對以低成本絲網印刷為基礎的晶體硅電池技術的理解和研究，設計完成了雙面受光太陽電池的制作工藝，并結合太陽電池制作原理，詳細分析了該電池結構制作中的擴散、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化情況及反射曲線；擴散后表面方塊電阻、摻雜濃度，結深；表面鈍化后的表面復合速率、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的定量模擬，理論上設計雙面電池所需達到的主要電性能指標。
　　 基于理論研究的結果，后續(xù)的研究工作集中于器件的制作及分析。限制現有晶體硅電池轉化效率進一步提高的主要因素是鈍化和電池結構中的光

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

5、要更高的擴散溫度(900-1050℃)。結深、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)。擴散工藝中的驅入步驟與飽和暗電流密度J0和有效少子壽命τeff有著直接的聯系。通過實驗，在1020℃的驅入溫度條件下，基于n型15Ω.cm和p型2Ω.cm的直拉單晶硅片在雙面擴硼后，我們實現了J0值小于150FA/cm2，而少子壽命也達到了375μs(n型

6、15Ω.cm直拉硅片)。然而在開管擴散狀態(tài)上，即使在最優(yōu)化爐管內氣氛并保證硼擴散的均勻性的條件下依然很難實現批量、密集置片(硅片間距<2cm)擴散。通過運用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)軟件來模擬管式擴散條件，我們驗證了硅片的間距對擴散均勻性的影響關系，并且提出了減壓擴散可以實現批量、高均勻性的液態(tài)源硼擴散。
　　 在背靠背硼擴散時需要對非擴硼面進行適當的保護，或者在硼擴散結束后對非擴

7、硼面進行處理，祛除可能發(fā)生的部分硼繞射，滿足該面后續(xù)擴磷時表面無殘留的要求；同樣在后續(xù)的背靠背擴磷工藝中同樣需要對擴硼面進行保護，避免由于磷、硼交叉摻雜導致的擴硼(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。
　　 等離子增強氣相沉積(PECVD)方法生成的SiNx膜直接沉積在擴硼(p+)面上，鍍膜所產生的

8、正電荷會影響SiNx膜對擴硼(p+)面的鈍化效果。采用原子層沉積(atomic layer deposition)方式生成的Al2O3膜由于其富集的負電荷是最為理想的擴硼(p+)面鈍化層，然而目前該技術在產業(yè)化生產中實現規(guī)?；瘧眠€有很多問題，故目前如何實現等離子增強氣相沉積(PECVD)方式完成擴硼(p+)面的鈍化膜結構還是重要的研究工作，并且有著直接的應用價值。在我們的研究中已證明了在某些硼擴散條件下，通過高溫退火工藝處理的SiNx

9、膜可以基本滿足擴硼(p+)面的鈍化要求。
　　 絲網印刷是最為成熟的實現晶體硅太陽電池金屬化的制造技術。然而在擴硼(p+)面上選擇何種漿料，如何通過絲網印刷技術完成電池的金屬化至今仍是一個難題，也是限制擴硼技術規(guī)模化應用的主要因素之一。我們在實驗中選用不同的銀漿、銀鋁漿在擴硼(p+)面上進行金屬柵線的印刷和燒結，進行了大量的比對試驗。繼而進行了擴硼(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硼(p+)面的漿料、表面柵線結構和電池燒結工藝。在電池燒結后，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)現了不同漿料在燒結工藝后與硅體材料形成的不同的金屬-硅合金結構，從而在理論上解釋了不同漿料在擴硼(p+)面上形成的接觸電阻差異的原因。
　　 通過對絲網印刷技術制作雙面晶體硅太陽電池工藝和技術的細致研究，我們最終在電阻率為2Ω.cm的直拉單晶硅材料上，采用絲網印刷技術制造完成了正面轉化

11、效率為16.6％、背面轉化效率為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準光強的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％。該電池的轉化效率為目前國內最高水平，在國際上也處于領先地位，并且相應的電池效率測試也已經得到了美國喬治亞理工大學國家杰出光伏實驗室的確認。目前已經采用該工藝技術進行了雙面電池的小批量制備，封裝了30片串的