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N型黑硅太阳能电池知多少?

导读: 黑硅在很宽的波长范围内具有反射率低、接受角广的优点,在太阳能电池领域倍受关注。本文将黑硅制绒工艺应用到N型硅基体上制备成的太阳电池效率高达18.7%。在N型黑硅表面可以制作高浓度硼掺杂的发射极且不影响黑硅表面的光学特性,然后在黑硅发射极表面原子层沉积Al2O3,起到优异的表面钝化效果。

  黑硅在很宽的波长范围内具有反射率低、接受角广的优点,在太阳能电池领域倍受关注。本文将黑硅制绒工艺应用到N型硅基体上制备成的太阳电池效率高达18.7%。在N型黑硅表面可以制作高浓度硼掺杂的发射极且不影响黑硅表面的光学特性,然后在黑硅发射极表面原子层沉积Al2O3,起到优异的表面钝化效果。

  1.引言

  黑硅表面有纳米级小山峰,反射率很低。通过优化反应离子刻蚀(RIE)工艺的参数来制作黑硅,由于其在很宽的波段范围内反射率都很低且接受角广而备受关注。除了RIE还有其他制作黑硅的方法,如激光制绒、金属催化湿化学刻蚀、等离子体浸没离子注入等。黑硅在太阳能电池应用中的一个难题是黑硅表面面积增大而导致表面复合速率增大,进而造成短波段的光谱响应变差。黑硅已经被广泛应用到P型电池上,通过热氧化和沉积SiNx作为正面钝化层。但是低反射率的增益无法弥补高表面复合速率的影响,电池效率较低,效率最高可达到18.2%。

  近几年来,Al2O3被认为是P型、N型、P+表面最有发展潜力的电介质钝化层。Al2O3的钝化效果与硅片表面的低缺陷密度和Si/Al2O3接触面固定负电荷有关。在光伏行业,原子层沉积(ALD)的出现解决了黑硅表面复合速率高的难题,ALDAl2O3对P型黑硅表面具有良好的钝化效果。

  2.实验设计

  使用5ΩcmFZN型硅片制作黑硅钝化发射极背面局部扩散太阳能电池(PERL)。图1为太阳能电池结构示意图和制备太阳能电池的工艺流程图。制备了正面只有Al2O3的黑硅太阳能电池,同时制备了正面具有倒金字塔结构和Al2O3/SiNx钝化层的电池作对照组。对照组电池和黑硅太阳能电池唯一的不同是正面的倒金字塔结构和等离子体加强化学气相沉积(PECVD)的65nm厚的SiNx层。首先在硅片表面制作氧化层掩膜留出2*2cm2的窗口。通过RIE使用SF6/O2在120℃条件下刻蚀硅片窗口位置7分钟制作黑硅。图2a显示了黑硅表面随机纳米级小山峰的平均高度和宽度为1um和200nm。在890℃、910℃、930℃三个条件下BBr3扩散形成硼发射极。黑硅表面等离子辅助原子层沉积(PA-ALD)10nm厚的Al2O3,背面通过PassDop工艺进行钝化。PassDop工艺包括PECVD沉积磷掺杂非晶SiCx:H层,在钝化层表面激光开槽形成接触点。激光开槽后,在接触点位置磷扩散形成局部背表面场。在硅片背面烝镀铝形成背面金属化,然后在425℃条件下退火15min激活Al2O3钝化层。硅片正面光刻后烝镀Ti/Pd/Ag并电镀Ag加厚电极形成正面接触电极。

  图1.N型黑硅太阳能电池结构示意图和电池制作工艺主要步骤

  图2.(a)通过扫描电子显微镜(SEM)观察到的黑硅表面。(b)910℃扩散发射极、硼玻璃去除、沉积Al2O3后黑硅表面反射率曲线和具有倒金字塔绒面结构且沉积Al2O3/SiNx后对比组硅片的反射率曲线以及通过表面反射率计算出的两者的光谱加权平均反射率值(Rw)。

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