n型晶體硅太陽電池最新研究進(jìn)展的分析與評估

1、n型晶體硅太陽電池最新研究進(jìn)展的分析與評估· 2011-09-29 14:12:10· 瀏覽：25338 次· 來自：· 分享：·摘要：n型晶體硅具有體少子壽命長、無光致衰減等優(yōu)點，非常適合制作高效低成本太陽電池。結(jié)合PC1D模擬，對n型晶體硅太陽電池的最新研究成果進(jìn)行了分析，指出n型晶體硅太陽電池要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須先解決P型硅表面鈍化、硼擴(kuò)散和硼發(fā)射極金屬化等問題。最后預(yù)測了n型晶體硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化前景。關(guān)鍵詞：n型晶體硅；太陽電池；PC1D模擬0引言P型晶體硅太陽電池一直是光伏市場的主力，目前只有Sunpower和Sanyo公司以n型晶體硅

2、制作太陽電池。2008年n型晶體硅太陽電池產(chǎn)量只占晶體硅太陽電池總產(chǎn)量的8%。盡管如此，Sunpower的IBC(Interdigitatedback-con-tacted)電池以及Sanyo的HIT(Heter0junctionwithintrinsicthinlayer)電池卻是目前效率最高的兩款商品化太陽電池，轉(zhuǎn)換效率都在20%以上，實驗室效率更是高達(dá)23%，表明n型太陽電池在低成本高效太陽電池方面具有良好的發(fā)展?jié)摿?。本文將對近年來n型晶體硅太陽電池在材料性質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)以及工藝技術(shù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行分析和評述。1材料性質(zhì)發(fā)展初期，太陽電池主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，所以在選擇基體時必須考慮材料的

3、抗輻射能力。1963年Bell實驗室發(fā)現(xiàn)在高能輻射下n型太陽電池性能衰減嚴(yán)重，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)換效率低于類似結(jié)構(gòu)的P型太陽電池。這一結(jié)果使P型太陽電池成為太空應(yīng)用的優(yōu)先選擇，其電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)得到不斷完善。在隨后太陽電池轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用的過程中，P型太陽電池結(jié)構(gòu)得到沿用，P型晶體硅太陽電池成為主流。但是，在地面應(yīng)用中并不存在太空輻射的威脅，因此P型晶體硅并不一定是最佳選擇。近年的研究成果證實了這一點。一方面，P型晶體硅在地面應(yīng)用中仍然存在衰減，而n型晶體硅的性能則更為穩(wěn)定。早在1973年HFischer等就發(fā)現(xiàn)剛制作好的P型硼摻Cz硅太陽電池在光照下會出現(xiàn)明顯的性能衰減。1997年JSchmidt等證

4、實硼摻雜Cz硅出現(xiàn)的光致衰減是由硼氧對導(dǎo)致的。由于n型磷摻雜Cz硅中硼含量極低，所以由硼氧對所導(dǎo)致的光致衰減并不明顯。這一點已經(jīng)被很多實驗結(jié)果驗證。另一方面，在太陽能級硅材料中，n型晶體硅比P型晶體硅具有更長的少子壽命。據(jù)JZhao等報道，不同體電阻率的n型Cz硅少子壽命都在1ms以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P型Cz硅的水平，甚至比P型Fz硅的少子壽命還要長。據(jù)ACuevas等報道，n型me硅的少子壽命達(dá)l00s，經(jīng)過磷吸雜后，可以提升到1ms。DMacdonald等對此進(jìn)行了解釋：因為鐵等常見金屬雜質(zhì)對電子的俘獲截面比對空穴的俘獲截面大，所以在低注人情況下，n型硅比P型硅具有更長的少子壽命。n型晶體硅的上

5、述優(yōu)點引起了研究人員的興趣，使得n型晶體硅太陽電池在結(jié)構(gòu)和工藝方面獲得了快速發(fā)展。2電池結(jié)構(gòu)與工藝按發(fā)射極的成分和形成方式區(qū)分，n型太陽電池可以分為鋁發(fā)射極、硼發(fā)射極和非晶硅晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池3類。后者與前兩種結(jié)構(gòu)差異較大，本文不作討論。按發(fā)射極的位置區(qū)分，n型太陽電池又可以分為前發(fā)射極和背發(fā)射極兩類。以下將對鋁背發(fā)射極、硼前發(fā)射極和硼背發(fā)射極太陽電池的研究進(jìn)展進(jìn)行討論。21鋁背發(fā)射極太陽電池圖1為鋁背發(fā)射極n型太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1(a)所示，鋁背發(fā)射極太陽電池的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)P型太陽電池幾乎一樣，只是基體導(dǎo)電類型有所區(qū)別。為了了解鋁背發(fā)射極太陽電池的特性，采用PCID軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬

6、(參數(shù)設(shè)置為：硅片厚度200m；體電阻率3·cm；擴(kuò)散曲線模型Erfc；光學(xué)部分由光線跟蹤軟件進(jìn)行模擬)，結(jié)果如圖2所示。從模擬結(jié)果可以得出，要獲得高的轉(zhuǎn)換效率，需要滿足3個條件。(1)硅基體要具有長的體少子壽命。從圖2可以看出，體少子壽命對電池效率的影響非常明顯。當(dāng)體少子壽命從1000s縮短到100s時，電池絕對效率下降超過4%。(2)太陽電池前表面要具有低摻雜濃度和低復(fù)合速率。(3)太陽電池背表面要具有低表面復(fù)合速率。特別是在前兩個條件已經(jīng)滿足的情況下，背表面復(fù)合速率對太陽電池性能的影響變得明顯。圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的背表面具有大面積的金屬一半導(dǎo)體界面，這種界面的表面復(fù)合速率極高。

7、在背表面沉積鈍化介質(zhì)膜可以減小金屬一半導(dǎo)體的接觸面積，從而降低背表面復(fù)合，所以圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)更有利于獲得高轉(zhuǎn)換效率。由于n型單晶硅(Fz、Cz)已被證實具有極長的體少子壽命，Si02、SiNx等鈍化介質(zhì)膜也被證實對重?fù)诫sn型硅表面具有良好鈍化效果。所以，近期的研究主要集中在電池背表面的鈍化上。前期研究發(fā)現(xiàn)，常用的Si02、SiNx介質(zhì)膜在重?fù)诫sP型硅表面上的鈍化效果并不理想，而等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)a-SiE"和原子層沉積(ALD)Al2O3卻顯示出優(yōu)異的鈍化性能。2008年CSchmiga等采用Al2O3Si02疊層介質(zhì)膜鈍化電池背表面，在1O·cm、4

8、cm2的Fz硅片上制作出效率達(dá)2O1%的鋁背發(fā)射極太陽電池。這是鋁背發(fā)射極太陽電池的最高效率。在同樣結(jié)構(gòu)上，采用a-SiSi02疊層介質(zhì)膜進(jìn)行背表面鈍化的樣品轉(zhuǎn)換效率為195%。2009年RBock等采用a-Si鈍化電池背表面，在3·cm、4cm2。的Cz硅片上制作出鋁背發(fā)射極太陽電池，效率達(dá)200%。與參考文獻(xiàn)相比，盡管該電池并沒有采用陷光效果更好的倒金字塔結(jié)構(gòu)，也沒有采用鈍化效果更好的Al203鈍化膜，但是該電池的效率只比最高效率低01。更值得注意的是，此結(jié)果是在Cz硅片上獲得的，表明n型晶體硅太陽電池在低成本高效太陽電池領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。上述高效太陽電池均采用了TiPdA

9、g前電極結(jié)構(gòu)以及背表面鈍化方案，這種結(jié)構(gòu)目前只能在實驗階段實現(xiàn)。為了滿足產(chǎn)業(yè)化要求，2006年CSchmiga等采用絲網(wǎng)印刷前、背電極的方式制作了如圖1(a)所示的電池結(jié)構(gòu)，在4·cm、100cm2的Cz硅上獲得170%的轉(zhuǎn)換效率。以上結(jié)果證明鋁背發(fā)射極結(jié)構(gòu)能在Fz和Cz硅基體上獲得較高效率，但是該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到mc硅基體時效果并不理想。這是因為該結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)位于電池背表面，大量光生載流子需要從前表面附近遷移到背表面才能被內(nèi)建電場分離，mc硅材料較短的體少子壽命導(dǎo)致光生載流子在遷移過程中大量復(fù)合，從而導(dǎo)致電池效率降低。22硼前發(fā)射極太陽電池硼前發(fā)射極太陽電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用P

10、C1D軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬(背表面復(fù)合速率SR一105cm·s-1，其余模擬參數(shù)與圖2一樣)，得到如圖4所示的結(jié)果。與鋁背發(fā)射極結(jié)構(gòu)相比，少子壽命對硼前發(fā)射極太陽電池的影響較小。從這點看，該結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于n型mc硅等質(zhì)量較差的材料上。從PCID模擬結(jié)果還可以看出，要獲得高轉(zhuǎn)換效率，必須盡量降低前表面摻雜濃度和前表面復(fù)合速率，因而對擴(kuò)散和表面鈍化提出了很高要求。此外，實際應(yīng)用中，硼發(fā)射極表面金屬化也是一個有待解決的問題。以下將對這3方面進(jìn)行討論。(1)硼擴(kuò)散硼擴(kuò)散的方法很多，按硼源分，有液態(tài)BBr3。以及各種用于絲網(wǎng)印刷和旋涂的商品化硼漿，從擴(kuò)散設(shè)備來分主要有管式擴(kuò)散和鏈?zhǔn)綌U(kuò)散兩種。Y

11、Komatsu等研究發(fā)現(xiàn)，在眾多硼擴(kuò)散方式中，用氮氣攜帶液態(tài)BBr3。進(jìn)行管式擴(kuò)散的效果最好。與其它方法相比，該方法更有利于避免金屬污染。采用該擴(kuò)散方法，硅片有效少子壽命比用其它方法擴(kuò)散的樣品高5倍以上。硼擴(kuò)散存在的一個問題是均勻性難以控制。在擴(kuò)散前期，BBr3。反應(yīng)生成B203。，后者沉積在硅片表面，并在高溫作用下擴(kuò)散進(jìn)入硅基體。這與磷擴(kuò)散時P0Cl3。先生成P2O5再沉積到硅片表面的過程相類似。不同的是，P2O5在850時為氣相，可以均勻沉積在硅片表面。而B2O3的沸點較高，擴(kuò)散過程中一直處于液相狀態(tài)，難以均勻覆蓋在硅片表面，擴(kuò)散均勻性因而難以控制。硼擴(kuò)散的另一個問題是高溫導(dǎo)致材料性能變壞

12、。一方面，硼原子在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較低。與磷擴(kuò)散相比，硼擴(kuò)散需要用更高溫度或更長時間來獲得相同的方塊電阻。另一方面，硼前發(fā)射極太陽電池多采用磷擴(kuò)散來制作背表面場，一般還采用熱氧化方法來制作掩模。多次高溫不僅浪費能源，還會導(dǎo)致硅片少子壽命下降。多次高溫嚴(yán)重限制了mc硅的應(yīng)用。(2)前表面鈍化如前所述，ALDA1203。以及PECVDa-Si對P型硅表面具有良好的鈍化效果，但將其應(yīng)用到硼前發(fā)射極結(jié)構(gòu)時還必須考慮該介質(zhì)膜的透光率。a-Si對短波段具有較強(qiáng)吸收，厚度不宜過大。ARichter等認(rèn)為a-Si的最佳厚度為810nm。A1203則無論在鈍化效果還在透光率方面都比a-Si好，但是ALDA1203

13、。的沉積速度較慢，影響了它的應(yīng)用。VD._Mihailetchi等用硝酸氧化生成Si02并用PECVD沉積SiNx組成疊層鈍化膜，采用這種鈍化膜的硼前發(fā)射極太陽電池比只使用SiNx單層膜鈍化的樣品效率提高2%。該疊層鈍化膜的鈍化效果甚至比熱氧氧化Si02和PECVDSiNx的疊層膜好。(3)金屬化目前的商品化銀漿并不適用于硼前發(fā)射極，這是因為銀和P型硅之間的接觸電阻較大，特別是在硼發(fā)射極表面存在"硼耗盡區(qū)"時。硼耗盡區(qū)是指硅片表面硼含量較低的薄層區(qū)域，該區(qū)域的存在不利于硅片和銀電極間通過隧穿效應(yīng)來實現(xiàn)歐姆接觸。RLago研究發(fā)現(xiàn)，采用銀鋁漿代替銀漿料可以有效降低接觸電阻，但

14、是在燒結(jié)過程中，發(fā)射極的部分區(qū)域會熔融到鋁當(dāng)中。這可能導(dǎo)致發(fā)射極局部區(qū)域被電極貫穿，使p-n結(jié)短路。在銀鋁漿中加入適量硅可以降低硼發(fā)射極被電極貫穿的幾率，但是摻硅的銀鋁漿導(dǎo)電性比銀漿料差，這將導(dǎo)致柵線體電阻增大。盡管存在以上問題，研究人員仍然開發(fā)出大量新材料、新工藝，使硼發(fā)射極太陽電池的性能得到不斷完善。2002年JZhao等采用PERT結(jié)構(gòu)，在09·cm、4cm2的Fz硅上制作出效率達(dá)219%的硼前發(fā)射極太陽電池。該電池采用TCA氧化以及Alneal工藝進(jìn)行鈍化，開路電壓達(dá)695mV，顯示出良好的鈍化效果。采用同樣結(jié)構(gòu)，JZhao還在不同體電阻率的Cz硅片上制作PERT電池，其效率

15、都在210%以上。2008年JBenick等采用PERL結(jié)構(gòu)，在1·cm、4cm2的Fz硅上制作出效率達(dá)234%的硼前發(fā)射極太陽電池。該電池硼發(fā)射極采用ALDA12O3。進(jìn)行鈍化，開路電壓達(dá)7036mV。234%的轉(zhuǎn)換效率是目前n型硅太陽電池的最高記錄，而且這個效率是在未采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的情況下獲得的。2009年在未對硅基體進(jìn)行制絨的情況下，ARichter等通過優(yōu)化a-Si鈍化膜厚度和硼發(fā)射極摻雜工藝，在1·cm、4cm2的Fz硅上制作出如圖3所示的硼前發(fā)射極太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)178%。該電池的特別之處在于采用了COSIMAE金屬化工藝。該工藝先在a-Si鈍化膜上蒸

16、鍍鋁電極，在隨后的退火過程，電極下的a-Si溶解到鋁中，使鋁電極與硅基體接觸。采用COSIMA工藝，電池的填充因子達(dá)到8O2，表明這種金屬化工藝應(yīng)用在硼擴(kuò)散發(fā)射極上的效果良好。2009年YKomatsu等采用硼發(fā)射極與磷背表面場同時擴(kuò)散的方法，在1.8·cm、156cm2的n型mc硅上制作出圖3所示結(jié)構(gòu)的硼前發(fā)射極太陽電池，效率達(dá)164%。該電池采用絲網(wǎng)印刷銀鋁漿的方法實現(xiàn)硼發(fā)射極的金屬化，并采用了前文所述的硝酸氧化Si02PECVDSiNx疊層介質(zhì)膜作鈍化。這一結(jié)果證明硼前發(fā)射極太陽電池不僅適用于Fz和Cz硅，還可以應(yīng)用于更為便宜的mc硅，因此具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。在關(guān)于硼前發(fā)射極

17、太陽電池的研究中還有一個報道值得關(guān)注，盡管很多實驗證實硼前發(fā)射極太陽電池在暴曬較長時間后沒有出現(xiàn)明顯的光致衰減，但是JZhao等在2003年發(fā)現(xiàn)，采用n型Cz、Fz硅基體制作的硼前發(fā)射極太陽電池在存放兩三年后出現(xiàn)了嚴(yán)重的性能衰減，對該樣品進(jìn)行暴曬，衰減還會加劇。目前仍然沒有足夠證據(jù)判斷上述現(xiàn)象的起因，一種解釋是硼發(fā)射極中的硼原子與硅材料體內(nèi)或環(huán)境中的氧形成硼一氧對，從而引起光致衰減。23硼背發(fā)射極太陽電池硼背發(fā)射極太陽電池結(jié)構(gòu)如圖5所示。硼發(fā)射極位于電池背表面，可以免受紫外光照射，避免硼發(fā)射極出現(xiàn)光致衰減。此外，位于電池背表面的P型金屬電極不會對電池造成遮擋，可以通過增加電極寬度的方法來降低金

18、屬柵線的體電阻，甚至可以采用蒸鍍鋁制作電極。由此，硼發(fā)射極的金屬化問題得以解決。2006年JZhao等在12·cm、22cm2的n型Fz硅片上制作出效率達(dá)227%的背發(fā)射極PERT太陽電池，采用相同結(jié)構(gòu)，在4555·cm的n型Cz硅上制作的樣品效率達(dá)2O8%。據(jù)WPMulligan等報道，Sunpower公司采用光刻技術(shù)制備的IBC電池轉(zhuǎn)換效率超過23，而采用大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)制作的149cm2樣品最高效率為215%，平均效率超過2O%。IBC電池是一種特殊的硼背發(fā)射極太陽電池，其最大特點是所有電極均位于電池背表面，這樣可以減少前電極造成的遮光損失。IBC電池的背表面由硼擴(kuò)散P+區(qū)域和磷擴(kuò)散n+區(qū)域呈十指交叉狀分布，表面覆蓋SiO2鈍化介質(zhì)膜，P型和n型金屬電極透過SiO2介質(zhì)膜上的孔槽與硅基體接觸。SunpowerIBC電池成功地實現(xiàn)商品化證明硼背發(fā)射極太陽電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但與鋁背發(fā)射極太陽電池一樣，由于其p-n結(jié)位于電池背表面，所以必須采用高少子壽命的硅材料作為基體。這在一定程度上限制了該電池結(jié)構(gòu)的發(fā)展。3結(jié)語本文對n型晶體硅太陽電池的3種主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對近年的相關(guān)研究成果進(jìn)行了比較和評估，所得出的基本結(jié)論如下。(1)相比較而言，鋁背發(fā)射極電池制作工藝簡單，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前主要困難集中在背發(fā)射極表面的鈍化上。(2)硼前發(fā)射極電池遇到的困難