摘要高效率、低成本是晶体硅太阳电池发展的主流方向。背接触电池以其独特的器件结构、简单的制备工艺及较高的电池效率,备受光伏市场的关注。概括了目前国际上研究较多的几种背接触硅太阳电池,对其结构特点、制造技术及发展概况作了系统介绍,并在此基础上提出了需要改进的问题及未来的发展方向。
任丙彦1,吴鑫1,2,勾宪芳2,孙秀菊1,2,于建秀1,褚世君1,励旭东2
(1河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;2北京市太阳能研究所,北京100083)
关键词 背接触硅太阳电池 少子寿命 接触电极
0引言
已经商业化的常规硅太阳电池,发射区和发射区电极均位于电池正面。由于太阳能级硅材料少子扩散长度较小,发射区位于电池正面有利于提高载流子的收集效率。但此种结构有其局限性:尽管栅线电极所占面积已经很小(约为8%),可依然阻挡了部分阳光,使电池有效受光面积降低;组件封装时,需要用涂锡带从一块电池的正面焊接到另一块电池的背面,这种连接方式使自动化生产的难度加大。为此,研究人员把正面电极转移到电池背面,开发出许多结构不同的背接触硅太阳电池。
1背接触硅太阳电池及其分类
背接触硅太阳电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种硅太阳电池。背接触电池有很多优点:①效率高。由于降低或完全消除了正面栅线电极的遮光损失,从而提高了电池效率。②易组装。采用全新的组件封装模式进行共面连接[1],既减小了电池片间的间隔,提高了封装密度,又简化了制作工艺,降低了封装难度。③更美观。电池的正面均一、美观,满足了消费者的审美要求。根据p2n结位置不同,背接触硅太阳电池可分为两类[2]:①背结电池。p2n结位于电池背表面,发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面,如IBC电池。②前结电池。p2n结依然位于电池正表面,只是通过某种方法把在正表面收集的载流子传递到背面的接触电极上,如EWT电池。
2各种背接触硅太阳电池简介
2.1背结电池
背结电池的p2n结靠近电池背面,光照产生于正表面区域的光生载流子必须穿过整个衬底才能到达背电极,这就对材料少子扩散长度及少子寿命提出了更高要求。若寿命较短,还未扩散到背结区域就已经被复合掉了,从而会使电池效率大大下降。尽管n型硅材料的少子迁移率较小,但其寿命较长,且对杂质沾污的敏感性较低,所以比较适合于制作背结电池。
2.1.1IBC太阳电池
IBC(Interdigitatedbackcontact)电池[3,4]出现于20世纪70年代,是最早研究的背结电池,最初主要应用于聚光系统中,见图1。电池选用n型衬底材料,前后表面均覆盖一层热氧化膜,以降低表面复合。利用光刻技术,在电池背面分别进行磷、硼局部扩散,形成叉指状交叉排列的p区、n区,以及位于其上方的p+区、n+区。重扩形成的p+和n+区可有效消除高聚光条件下的电压饱和效应。此外,p+和n+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2,大大降低了串联电阻。IBC电池的核心问题是如何在电池背面制备出质量较好、呈叉指状间隔排列的p区和n区。为避免光刻工艺所带来的复杂操作,可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层,掩蔽层上的硼经扩散后进入n型衬底形成n+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成p+区。通过丝网印刷技术来确定背面扩散区域成为目前研究的热点。
图1早期IBC太阳电池
2.1.2PCC太阳电池
美国SunPower公司利用点接触(Point2contactcell,PCC)及丝网印刷技术,于2003年研制出新一代背面点接触太阳电池A2300,见图2,效率为20%,并通过进一步改进,使效率达到了21.5%[5]。A2300电池采用n型硅材料作为衬底,载流子寿命在1ms以上。正表面没有任何电极遮挡,并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应[6]。电池前后表面利用热氧钝化技术生成一层SiO2钝化层,降低了表面复合并增加了长波响应,从而使开路电压得以提高。在前表面的钝化层下又进行了浅磷扩散以形成n+前表面场,提高短波响应。背面电极与硅片之间通过SiO2钝化层中的接触孔实现了点接触,减少了金属电极与硅片的接触面积,进一步降低了载流子在电极表面的复合速率,提高了开路电压。较为出色的陷光、钝化效果,以及采用了可批量生产的丝印技术,使A2300成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表[7,8]。
图2A2300太阳电池
2.1.3RISE太阳电池
德国ISFH研究所结合激光烧蚀及LFC技术开发出RISE(Rearinterdigitatedsingleevaporation)电池[9],见图3。电池以p型FZ2Si作为衬底,正面制作随机金字塔绒面,并通过PECVD沉积双层SiNx薄膜,以起到减反射和表面钝化作用。电池背面利用局部激光烧蚀技术,烧蚀成高低不同、呈叉指状交叉排列的两片区域。这种台阶结构成为RISE电池最大的结构特点。背面经磷扩散后,台阶的底面及侧面区域形成电池的发射区。台阶的顶面区域因SiO2薄膜阻挡了磷的扩散,成为电池的基区。随后,在电池背面蒸铝,并采用湿化学腐蚀法除掉沉积在基区与发射区衔接区域的铝浆,以实现发射区电极与基区电极的分离。最后,利用LFC技术穿透SiO2薄膜制作基区导电接点。RISE电池利用一层超薄的隧道氧化物形成高质量的Al/SiOx/n+电池Si接触。这些独特的结构设计,使电池效率达到19.5%(4cm2)。为了进一步降低基极接触区的复合速率,在其他区域保持不变的情况下,用局部硼扩散制作的硼背场(B2BSF)替换LFC制作的铝背场(Al2BSF),提高了短路电流,使效率提升到21.5%。由于背面电极是通过单步铝蒸发制作而成,因此,如何很好地分离基区电极和发射区电极,成为制作RISE电池的一项技术难题。该研究所开创的自对齐接触分离法成功地解决了这一问题,并经试验证实,此方法同样适用于大面积RISE电池的制作。
图3RISE太阳电池
此外,在德国Q2CellsAG公司资助下,ISFH与FraunhoferISE合作,在低质硅衬底上开发出高效背结电池。电池正表面结构与A2300类似,而背面则采用了更加紧凑的结构布局,并增大了发射区的覆盖比例,使对材料少子寿命的要求降低到600μs。衬底可选用p或n型FZ2Si以及n型Cz2Si,效率均可达到21%。基于此项技术,Q2CellsAG公司已着手建立中试生产线[10]。
2.2前结电池
前结电池的p2n结位于电池正表面,可以有效收集载流子,降低对衬底材料的要求。前结电池的关键在于如何实现正面p2n结与背面接触电极的连接。电池结构不同,其连接方式也不相同。
2.2.1MWA太阳电池
MWA(Metallisationwraparound)电池结构与常规电池很相似,只是把常规电池的主栅转移到了背面边缘区域,细栅依然保留在原来位置,见图4。光生电流被细栅收集后,经电池侧面传递到背面主栅上。由于主栅的转移,电池有效受光面积有所增加。正表面沉积一层SiNx作为减反射层和表面钝化层,并进行浅磷扩散形成发射区。在侧面及底面的电极接触区重扩,以形成选择性发射极结构。在基区电极接触区沉积一层铝膜形成铝背场。需要特别注意的是背面电极通常采用机械或激光刻槽的方法来隔绝基区电极和发射区电极。电极的制作分两种:一种是采用埋栅接触及化学镀的方法,效率可达到17.5%(Cz2Si)和15.7%(mc2Si)[11];另一种是采用丝网印刷的方法,效率也分别达到了17.0%9(Cz2Si)和15.9%(mc2Si)[12]。
图4MWA太阳电池
2.2.2MWT太阳电池
与MWA电池一样,MWT(Metallisationwrapthrough)电池的主栅同样转移到了电池背面,电池正表面保留了金属栅线,并沉积了SiNx薄膜,见图5。与MWA电池不同的是,正表面细栅与背表面主栅的连接不是通过电池的侧面区域,而是通过细栅上的导电孔。通常采用激光技术在细栅上作出这些导电孔,然后在孔内进行扩散及金属化,使其能导通到背面的主栅上。在主栅的电极接触区重扩形成选择性发射极结构,而在基区电极接触区制作铝背场。MWT电池同样需要考虑背面电极的理想绝缘问题。正面栅线电极及背面接触电极既可采用丝网印刷技术制作[13],又可采用激光刻槽埋栅电极(LGBG)及化学镀技术制作。采用LGBG技术制作的MWT电池,效率已达到17.2%(Cz2Si)[14]。Konstanz大学利用化学镀技术,在大面积(140cm2)Cz2Si衬底上成功地制作出效率为17%的MWT电池[15]。
图5MWT太阳电池
2.2.3EWT太阳电池
1993年JamesM.Gee研制出EWT(Emitterwrapthrough)电池[16](图6)。EWT电池完全去除了正表面的栅线电极,依靠电池中的无数导电小孔来收集载流子,并传递到背面的发射区电极上。导电孔的制作,早期主要采用光刻和湿法化学腐蚀法,目前最常用的是激光钻孔。孔内进行重磷扩散以降低接触电阻及接触复合。电池背面是间隔排列的p型电极凹槽和n型电极凹槽。分别在n型电极凹槽和p型电极凹槽内进行磷硼扩散以降低接触复合。FraunhoferISE采用SiO2钝化及光刻技术,在Fz2Si衬底上制作出效率为21.4%的EWT电池(6cm2),成为EWT电池的最高效率保持者[14]。Konstanz大学采用丝网印刷技术,在Cz2Si衬底上制作出低成本大面积EWT电池,效率为15.8%[17]。美国AdventSolar公司采用双面收集结结构,并利用激光钻孔及丝网印刷技术,批量生产低成本、大面积(156cm2)的EWT电池,效率均在15%以上[18,19]。
图6EWT太阳电池
2.2.4POWER2EWT太阳电池
2003年Konstanz大学与SunwaysAG公司合作,把EWT电池概念融入到POWER电池[20]中,开发出POWER2EWT(Polycrystallinewaferengineeringresultemitterwrapthrough)背接触太阳电池[21](图7)。POWER2EWT太阳电池既具有POWER电池半透明、机械柔韧性好等特点,又具有EWT电池连接简单、表面均一美观等优点。电池正反两面通过机械方法刻凿出相互正交的矩形凹槽,槽深大于衬底厚度的1/2,由此在两面凹槽的相交区域就会形成透光孔,孔的大小由槽宽决定。槽宽的设计要适中,既要考虑到印刷电极的技术需要,又要满足两种接触电极的绝缘要求。磷扩散后,这些透光孔起到了连接表面发射区与背表发射区电极的作用。POWER2EWT电池独特结构的优点是:正表面的凹槽结构增加了表面的陷光效果;电池中任一点到收集结的距离都相应变短,可以在低质衬底上获得很高的收集效率。但由于电池背面基区主栅的绝缘效果欠佳,致使效率仅仅达到8.3%。下一步研究的重点是主栅的贯穿结构设计以及电极间的绝缘问题。
图7POWER2EWT太阳电池
2.2.5RISE2EWT太阳电池
RISE2EWT(Rearinterdigitatedsingleevaporationemitterwrapthrough)电池[22]也是ISFH研究所近两年开发的一种大面积高效背接触太阳电池(图8)。其结构和制作工艺与RISE电池相似,只是p2n结位于电池正表面,随后采用EWT电池结构概念,利用激光钻孔连接正面发射区和背面发射区电极。RISE2EWT电池的整个制作流程只采用了激光烧蚀、PECVD、磷扩散等无直接机械接触的加工技术,便于加工面积较大的薄晶片。目前,RISE2EWT电池的最高效率为20%(FZ2Si,93cm2),通过优化单步磷扩散工艺及激光烧蚀工艺,有望使性能获得进一步提升。
图8RISE2EWT太阳电池
2.2.6VEST太阳电池
VEST(Via2holeetchingfortheseparationofthinfilms)电池[23]是把EWT概念运用到硅薄膜上而开发出的一种薄膜硅太阳电池(图9)。其主要特点是采用一种新颖的方法来剥离硅薄膜与生长衬底。硅薄膜的生长基于SOI(Silicononinsula2tor)技术。首先对高质量的硅片进行氧化,在表面形成一层SiO2,然后通过ZMR(Zone2meltingrecrystallization),在衬底上生长出大面积多晶硅薄膜,随后通过腐蚀,在硅薄膜上制作出面积约为100μm2、形状类似倒金字塔结构的小孔。最后,用HF腐蚀掉孔下方的SiO2层,实现衬底与硅薄膜的分离[24]。
与EWT电池一样,VEST电池也是利用小孔来传递载流子,只是这些小孔是采用化学腐蚀方法制作的,并且还能起到剥离衬底与外延层的作用。电池正面消除了电极的遮光损失,有效面积损失仅取决于孔的大小(约为1%),可以获得较大的电流密度。载流子由电池中呈点状分布的小孔收集后,沿孔的内侧流通到背面的电极上,其流通距离比常规电池长,因此在进行电池设计时,应当考虑串联电阻问题,换句话说,VEST电池的填充因子在很大程度上取决于孔的几何分布。三菱电机制作的厚度77μm、面积96cm2的VEST电池,其效率达到16%[25]。
图9VEST太阳电池
此外,还有一种基于金属2绝缘体2半导体接触的硅太阳电池———Back2OECO(Back2obliqueevaporationofcontacts)电池[26](图10)。Back2OECO电池具有双面感光特性,正面具有随机金字塔绒面。为了达到最佳的钝化和减反射效果,在电池表面通过PECVD低温(400°C)沉积折射率不同的双层SiNx薄膜。电池背面,采用倾斜蒸镀技术(OECO),利用背脊的自遮掩效应,在极薄的氧化层上蒸镀低成本的Al作为电极,无需光刻、电极下重掺杂和高温工艺,即可形成高质量的接触。电极的宽度可以根据蒸镀的角度作出相应的调整。电池背面除p型接触区域外,均通过常规磷扩散制成n+发射区[27,28]。Back2OECO电池的核心问题是:①背脊的宽度要适中;②通过超薄氧化层实现基区接触电极与其上方发射区之间的理想绝缘。IS2FH研究所研制的这种Back2OECO电池,效率已达到21.5%(FZ2Si,4cm2)[29]。
图10Back2OECO太阳电池
3结语
近年来,背接触电池以其性能和结构上的独特优势显示出诱人前景,得到普遍重视。经过多年的研究,已经开发出许多不同结构的背接触硅太阳电池,取得了骄人的成绩,但仍有许多不足之处需要改进,主要集中在3个方面:①降低成本。包括降低对衬底质量的要求、制作工艺易于工业化、简化工艺步骤等,②性能优化。包括电池结构的设计、陷光及钝化效果的优化、背面接触电阻的降低等,③大面积化。薄衬底、大面积电池成为未来发展的趋势。背接触硅太阳电池已经朝低成本、高效率、大面积方向发展。目前,笔者正在对背接触电池的性能进行研究,并将从上述3个方面展开深入探索。
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