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N型黑硅太阳能电池知多少?

2015-11-13 00:05
科技那回事
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  3.实验结果和讨论

  图2是910℃扩散发射极、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后对照组硅片的反射率曲线。在短波区域黑硅反射率比对照组样品反射率低很多,但在中波区域对照组反射率比黑硅略低。尽管黑硅表面只沉积了Al2O3,通过表面反射率计算出的AM1.5光谱加权反射率比对照组低。

  表1是在标准条件下测试的4cm2区域的电池电性能数据以及虚拟填充数据。可以看出所有条件的电池包括对照组开路电压都很低,在630mV左右。从IQE的曲线对比可以发现所有电池的背面钝化效果较差,这主要是因为正面Al2O3、背面PassDop钝化层所适应的退火温度不同,也就是说高温适用于Al2O3退火而不适用于PassDop钝化层退火,以致背面的钝化效果较差。所有电池短波区域的IQE都很高,说明电池正面的钝化效果良好。这和我们之前对硼掺杂黑硅表面钝化效果的研究相吻合,J0e高达51fA/cm2说明N型硅基体P+表面的钝化效果良好[12]。J0e是使用高注入模型[13]并通过准静态光电导法(QSSPC,SintonWCT-120)测试发射极均匀的样品得到的。可以看出对照组的IQE是最高的,黑硅太阳能电池的IQE随着温度的升高而降低,优化黑硅太阳能电池的扩散温度会使其IQE更接近对照组。

  具有倒金字塔结构的对照组电池短路电流密度Jsc最高,大小为39.9mA/cm2。黑硅太阳能电池的Jsc略低且随温度的升高而降低。扩散温度越高,结深和掺杂量会越大,Jsc就会越小,这也可以从IQE曲线上看出来。另一方面黑硅太阳能电池的平均反射率为2-3%,比预期的反射率高,这也是引起黑硅电池Jsc低的原因。但是我们已经研究分析出了造成黑硅电池反射率高的原因,将来通过工艺优化可以解决这个问题。

  所有电池的填充因子FF都很低,其原因有待于进一步的研究。图4是黑硅电池表面和金属接触面的横截面图,可以看出金属没有渗入到纳米小山峰的底部,导致串阻升高。对照组电池的FF也低,这可能与基体电阻率高有关,但还需要做进一步的实验研究,这是因为其虚拟填充也比预期的低说明FF低不是串阻影响的。通过IV曲线没有观察到分流。将来需要进一步优化工艺来提高黑硅电池的效率。

  N型黑硅电池的效率达到了18.7%,这说明黑硅表面结构是一种具有应用潜力的正面绒面结构。最重要的是黑硅正面的纳米结构在后续工艺工程(扩散、硼玻璃刻蚀、光刻中抗腐蚀剂应用)中不会被破环。

  要想进一步优化发射极扩散工艺,需要获得更多关于发射极剖面的信息。这可能需要通过过程模拟来处理,然而剖面测试可能不可行。优化发射极剖面包括表面钝化效果的优化、金属化的优化。正面Al2O3和背面PassDop层的退火温度也需要优化来进一步提高电池效率。

  表1.标准条件下测试的所有电池的电性能数据,以及通过Suns-Voc测试出的各电池的虚拟填充因子。

  图3.所有电池IQE曲线以及反射率曲线。

  图4.通过SEM观察到的黑硅和正面金属接触面的图像,可以看出金属没有达到纳米级小山峰的底部。

  4.结论

  我们研究证实了原子层沉积Al2O3可以应用到正面高浓度硼掺杂的N型PERL太阳能电池上。黑硅太阳能电池效率最佳可达18.7%。短波区域IQE很高说明硼掺杂黑硅正面PA-ALDAl2O3的钝化效果良好。研究结果表明:黑硅正面的纳米级小山峰结构在后续的工艺处理过程(扩散、硼玻璃刻蚀、光刻中抗腐蚀剂应用)中没有被破环。对工艺进一步优化可以提高黑硅太阳能电池的转换效率,例如扩散工艺优化、正面钝化和金属接触优化等。首次尝试把Al2O3钝化层引入到N型黑硅太阳能电池中,我们对结果很满意。 

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