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钝化接触太阳能光伏电池的前世今生

导读: 晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。从早期的仅有背电场钝化,到正面氮化硅钝化,再到背面引入诸如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化局部开孔接触的PERC/PERL设计。

  晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。从早期的仅有背电场钝化,到正面氮化硅钝化,再到背面引入诸如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化局部开孔接触的PERC/PERL设计。虽然这一结构暂时缓解了背面钝化的问题,但并未根除,开孔处的高复合速率依然存在,而且使工艺进一步复杂。近几年来,一种既能实现背面整面钝化,且无需开孔接触的技术成为机构研究的热点,这就是钝化接触(Passivated Contact)技术。当电池两面均采用钝化接触时,还可能实现无需扩散PN结的选择性接触(Selective Contact)电池结构。本文将详细介绍钝化接触技术的背景,特点及研究现状,并讨论如何使用这一技术实现选择性接触电池。

  表面钝化的演进

  钝化的“史前时代”

  在90年代之前晶硅电池商业化生产的早期,太阳能电池制造商已经开始采用丝网印刷技术,但与我们如今使用的又有所不同。主要的区别在于两点:首先当时的正面网印银浆没有烧穿(Fire-through)这一功能,因此在当时的生产线上,需要先进行网印,而后沉积当时的TiO2减反射层。另一个区别在于当时的银浆与硅形成有效欧姆接触的能力较差,只有与高掺杂的硅才可以接触良好。由于TiO2没有很好的钝化功能,人们在当时并没有过多的考虑钝化。而且由于减反射层在金属电极之上,因此沉积的时候需要用模版遮挡主栅,以便后续的串焊。

  虽然这一时期,在实验室中,科研人员已经采用SiO2钝化电池表面,并取得不俗的开路电压和效率。

  SiNx:H 第一次进化

  90年代,科研机构和制造商开始探索使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备含氢的氮化硅(SiNx:H)薄膜用作电池正面的减反射膜。其中原因之一在于相对合适的折射率,但更重要的原因则在于氮化硅优良的的钝化效果。氮化硅除了可以饱和表面悬挂键,降低界面态外,还通过自身的正电荷,减少正面n型硅中的少子浓度,从而降低表面复合速率。SiNx中携带的氢可以在烧结的过程中扩散到硅片中,对发射极和硅片的内部晶体缺陷进行钝化,这对品质较低的多晶硅片尤其有效,大幅提高了当时太阳能电池的效率。

  伴随着钝化材料上的创新,银浆材料与烧结工艺上的变革也同时到来,那就是可以烧穿的浆料和共烧(Co-firing)烧结工艺。有了烧穿特性后,可以先进行减反射膜的沉积,后网印浆料,然后烧结。由于顺序的颠倒,不用再担心金属栅线上覆盖的减反射层影响焊接,也省去了沉积TiO2需要的部分遮挡。同时人们发明了将正反面浆料一次烧结的共烧工艺,在一次烧结中,正面的银浆穿过SiNx与硅形成接触,而背面的铝浆也同步形成背面电极和背电场 (back surface field)。这一系列改进大大简化了丝网印刷电池的工艺,并逐渐成为了晶硅电池生产的主流。

  AlOx 第二次进化

  随着电池正面的钝化效果和接触性能由于SiNx的使用和银浆改进在不断提高,进一步优化正面已经进入瓶颈阶段,人们把视线投向了另一个复合严重的区域,那就是电池的背表面。虽然在传统丝网印刷的晶硅电池中,铝背场可以减少少子浓度,减少复合,但仍然无法与使用介质层带来的钝化效果相比较。其实背面的介质层钝化也非新鲜话题,UNSW早在90年代就提出了发射极和背面钝化(PERC)结构以及发射极和背面钝化局部扩散(PERL)结构,在早期设计中,这两种结构都在背面采用氧化硅层钝化,局部开孔实现点接触以减少非钝化区域的面积。两者的区别在于是否在开口区域进行局部掺杂扩散,局部扩散增加工艺难度,但会形成局部背电场,减少接触部分的复合速率。但高品质氧化硅的生长需要较高的温度,对于已经经过高温扩散的硅片来说,为减少对体少子寿命的影响,应尽量减少长时间的高温工艺,因此对其他材料的搜索在2000年左右提上议事日程。

  既然SiNx已经在电池正面证明有诸多好处,那能否在背面继续使用这一材料呢。答案是否定的,上面已经提到,SiNx钝化的机制之一在于利用其正电荷减少正面n型区的少子浓度,可是到了p型的背面,其正电荷将有可能在背面诱导形成一层n型反转层(inversion layer),这会造成背面的旁路损失,影响电流,降低电压和填充因子。

  那么问题来了,钝化背面究竟哪家强呢?在欧洲几家研究机构的努力下,一种对光伏研究人员并不陌生的材料的又一次走到台前,那就是氧化铝(AlOx)。其不但像SiNx一样可以钝化表面缺陷,还拥有与SiNx相反的负电荷,正是因为这一点,在p型硅背面使用AlOx钝化层,不但不会形成反转层造成漏电,反而会增加p型硅中多子浓度,降低少子浓度,从而降低表面复合速率。不过AlOx的使用也需要伴随这工艺的改进和设备的进步,例如解决高速沉积AlOx的问题,氧化铝本身的不稳定性以及良品率较低等问题。

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