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【电池技术零距】各种N型高效单晶电池技术发展现状

信息分类:天合光能光伏能源 发布时间:2016-02-25  浏览量:1470

摘要:目前P型晶硅电池占据晶硅电池市场的绝对份额。然而,不断追求效率提升和成本降低是光伏行业永恒的主题。N型单晶硅较常规的P型单晶硅具有少子寿命高、光致衰减小等优点,具有更大的效率提升空间,同时,N型单晶组件具有弱光响应好、温度系数低等优点。因此,N型单晶系统具有发电量高和可靠性高的双重优势。根据国际光伏技术路线图(ITRPV2015)预测:随着电池新技术和工艺的引入,N型单晶电池的效率优势会越来越明显,且N型单晶电池市场份额将从2014年的5%左右提高到2025年的35%左右。本文论述了N型单晶硅及电池组件的优势,并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特点,及相关技术发展现状和产业化前景。

关键词:N型电池,高效电池



1. 引言


由于晶硅太阳电池成熟的工艺和技术、高的电池转换效率及高达25年以上的使用寿命,使其占据全球光伏市场约90%份额。理论上讲,不管是掺硼的P型硅片还是掺磷的N型硅片都可以用来制备太阳能电池。但由于太阳能电池是基于空间航天器应用发展而来的,较好的抗宇宙射线辐照能力使得P型晶硅电池得到了充分的研究和空间应用[1]。技术的延续性使目前地面用太阳能电池90%是掺硼P型晶硅电池[2]。而且,研究还发现N型晶硅电池由于p+发射结均匀性差导致填充因子较低[3,4],并且长期使用或存放时,由于发射结表面钝化不理想等原因电池性能会发生衰退[5]。另外,B2O3的沸点很高,扩散过程中始终处于液态状态,扩散均匀性难以控制,且与磷扩散相比,为了获得相同的方块电阻需要更长的时间和更高的温度,导致材料性能变差[6]。所以与在N型硅片上形成掺硼p+发射结在工业生产中比较困难。


然而,地面应用并不存在宇宙射线辐照的问题,而且随着技术的发展,原来困扰N型晶硅电池的发射结浓度分布、均匀性、表面钝化等技术难题已经解决。随着市场对电池效率的要求越来越高,P型电池的效率瓶颈已越发明显。N型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势,具有更大的效率提升空间和稳定性,成为行业关注和研究的热点。根据图1和2国际光伏技术路线图ITRPV2015的预测[7],随着背接触(BC)、异质结(HIT)等电池新结构,及激光、离子注入等新技术的引入,N型单晶电池的效率优势会越来越明显,且单晶硅在今后几年的市场份额会逐步增加,到2025年将超过多晶硅,占据光伏市场份额首位,其中80%以上为N型单晶。表1列举了Panasonic,SunPower, Sharp不同电池结构实验室的电池转化效率记录,大面积HBC电池最高效率已达到25.6%[8],展现了强大的发展潜力。



图1  ITRPV2015晶硅电池效率预测


图2 ITRPV2015不同类型硅片市场份额预测

1  部分机构N型单晶电池的最高转换效率

本文论述了n型单晶硅及电池组件的优势,并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特点,相关技术发展现状及产业化前景。



2. N型单晶硅材料及电池组件的优势


与P型单晶硅相比,n单晶硅的生产制备没有本质的区别,是非常成熟的工艺技术,随着N型单晶硅生产规模的扩大和技术的进步,两者之间的生产成本将会越来越接近。


磷掺杂的N型单晶硅及电池组件较硼掺杂的P型单晶硅及电池组件有许多明显的优势。首先,N型材料中的杂质对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力,相同电阻率的N型CZ硅片的少子寿命比P型硅片的高出1~2个数量级,达到毫秒级。且N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率,因此采用N型晶硅材料的少子空穴的复合将远低于P型的少子电子的复合[9]。


其次,N型硅片对金属污染的容忍度要高于P型硅片。如图3所示[10],Fe,Cr,Co,W,Cu,Ni等金属对P型硅片少子寿命的影响均比N型硅片大,由于带正电荷的金属元素具有很强的捕获少子电子的能力,而对于少子空穴的捕获能力比较弱,所以对于少子为电子的P型硅片的影响比少子为空穴的N型硅片影响要大,即在相同金属污染的情况下,N型硅片的少子寿命要明显高于P型硅片。但对于Au却是相反地,但对于现代工艺技术而言,Au污染已不再是问题。



图3  金属杂质在硅中的复合行为


1973年H.Fischer等[11]发现P型掺硼CZ晶硅电池在光照下会发生明显的电性能衰减。1997年J.Schmidt等[12]证实硼掺杂Cz晶体电池出现光致衰减是由于光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合中心,从而使少子寿命降低,引起电池转换效率下降。2006年A.Herguth等人[13,14]发现在一定的温度和光照条件下,可以使硼氧复合体形成复合活性较低的中间态,在一定程度上降低由硼氧复合体复合中心导致的光致衰减。而掺磷的N型晶体硅中硼含量极低,本质上消除了硼氧对的影响,所以几乎没有光致衰减效应的存在。


最后,由于N型基体材料高的少子寿命,N型晶硅组件在弱光下表现出比常规P型晶硅组件更优异的发电特性。如图4所示[15],N型晶硅组件在光强小于600W/m2的弱光情况下,相对发电效率明显高于P型晶硅组件。


图4  N型和P型晶硅组件相对效率随入射光强度的变化曲线



3. N型单晶电池结构和特点


目前研究的N型单晶高效电池主要有:PERT电池,PERL电池,HIT电池,IBC电池,HBC电池等。PERT电池根据其发射结的位置可分为正结型(p+nn+)和背结型(n+np+),根据其受光面不同分为单面受光型和双面受光型。PERL电池根据其受光面不同,也可分为单面受光型和双面受光型。如图5所示。本文将就几种典型电池的结构和工艺特点进行重点介绍。


图5  N型单晶硅太阳能电池的分类


3.1 N-PERL电池

PERL电池是发射结钝化背面局部扩散电池(PassivatedEmitter Rear Locally-diffused),其结构特点是背面局部接触处重掺杂以降低电池背面局部接触区域的接触电阻和复合速率。背面局部重掺可以通过不同的工艺方式实现,比较常用的是激光掺杂和离子注入等。另外,PERL电池根据其受光面不同,可分为单面受光型和双面受光型。单面受光型电池背面一般为全金属背电极覆盖,而双面受光型一般为丝网印刷正反面对称结构,背面可接收反射光线,结合双玻组件技术可提高3%以上的总发电量。


德国Fraunhofer实验室利用PassDop技术制备的n-PERL小面积电池(4cm2),其转化效率达23.2%(Voc=699 mV, Jsc = 41.3mA/ cm2,FF= 80.5%),电池结构如图6所示[16]。基体材料为N型CZ单晶硅,正面通过离子注入形成硼掺杂p+发射结,正面采用ALD工艺沉积Al2O3钝化层钝化发射结降低表面复合速率,再用PECVD沉积SiNx形成减反膜。正面光刻工艺开槽后用蒸镀方法形成Ti/Pb/Ag金属电极,背面利用激光掺杂技术形成局部背场,如图7所示。其工艺特点是先在背面PECVD法生长一层磷掺杂的a-SiCx钝化层,再利用激光在熔融钝化层的同时将其中的磷元素掺杂进晶体硅形成局部重掺,最后通过PVD的方法形成Al背面电极。背面磷掺杂的a-SiCx钝化层具有很好的钝化效果,金属接触区域n++局部重掺在降低接触电阻的同时,减少了金属接触区域的复合,提升了电池的开路电压和填充因子。电池Uoc达699mV,FF达80.5%,显示了良好的表面钝化效果和接触特性。


PassDop技术采用成熟的激光掺杂技术在形成背面局部接触窗口的同时形成局部重掺,在不额外增加工艺步骤的情况下实现了PERL电池结构,是一种非常有应用前景的N型高效电池的技术。


图6  德国FraunhoferPassDop技术PERL电池结构示意图

7  PassDop激光掺杂示意图(a)基体硅背面(b)沉积磷掺杂的a-SiCx钝化层(c)激光开槽形成局部重掺(d)沉积Al背电极


日本三菱电机的n-PERL电池则采用双面受光型结构,在156*156mm2大面积单晶硅片上实现转化效率21.3%(Jsc= 39.8mA/ cm2,Voc = 677mV,FF = 80.5%),电池结构如图8所示。其正面发射结利用APCVD的方法沉积硼硅玻璃后经热扩散形成P型发散结,再采用ALD沉积Al2O3钝化p+发射结以降低表面复合速率。与Fraunhofer的N型PERL电池背面结构不同的是,除了在电极下局部重掺形成LBSF,以有效地降低背面接触位置的复合速率及接触电阻外,其背面局部接触之间通过扩散形成一层均匀的N型掺杂层,可有效降低由于N型材料相对较高的体电阻率所引起的电阻损耗。背面栅状电极通过精准对位准确覆盖于局部重掺区域形成双面受光电池结构。此电池结构兼具PERT和PERL电池结构的优点,但因引入多步掺杂工艺而额外增加了工艺复杂度及制造成本而未被广泛采用。


图8  日本三菱电机PERL电池结构示意图


3.2 N-PERT电池

PERT电池是发射结钝化全背场扩散电池(PassivatedEmitter Rear Totally-diffused),其结构特点是背表面扩散全覆盖以降低电池的背面接触电阻和复合速率。背面全背场扩散可以通过不同的工艺方式实现,主要包括管式扩散,外延生长法,离子注入法等。


英利公司PANDA电池是采用双面受光型PERT结构的大面积电池(239cm2),并且已实现量产,最高转化效率为20.76%(Voc=650.3 mV, Jsc = 39.6mA/ cm2,FF= 80.63%),电池结构如图9所示[17]。其在普通化学制绒的N型Si片上,通过硼磷管式共扩散制备正面P型发射结和N型背面,然后通过PECVD技术在前后表面制备钝化层和减反膜,正反面电极使用常规丝网印刷工艺完成。


PANDA电池双面发电的设计,能够同时接受从正面和背面进入电池的光线从而实现双面发电的功能;正面采用细密栅线的设计,减少了遮光面积,提高了电池的短路电流。与规模化生产的IBC、HIT等N型电池相比,其结构简单、制备成本低、工艺流程短,与现有的P型生产线相兼容,容易实现大规模量产。



图9  英利公司PANDA电池结构示意图


比利时IMEC n-PERT电池是背结型大面积电池(225cm2),转化效率达21.51%(Voc=675.9 mV, Jsc = 39.35mA/ cm2,FF = 80.9%),电池结构如图10所示。正面为N型前表面场,背面为通过外延法生长的P型晶硅背发射结,再用ALD法生长Al2O3钝化层钝化背面。外延法生长背面P型发射结技术目前仍然处理实验室研究阶段,其量产可能性还有待验证。



图10  IMEC PERT电池结构示意图


为了进一步降低背面复合速率实现背面整体钝化,并去除背面开膜工艺,钝化接触技术近年来成为行业研究热点。德国Fraunhofer开发的Topcon(TunnelOxide Passivated Contact)[18]技术在小面积电池(4cm2)上实现25.1%的转化效率(Voc=718 mV,Jsc = 42.1mA/ cm2,FF = 83.2%),电池结构如图11所示。正面采用选择性发射结结构,方块电阻达150ohm/sq,并采用Al2O3/SiNx进行表面钝化和减反射以降低表面复合速率和反射率。背面首先在电池背面采用湿化学方法制备一层超薄SiO2,厚度约1~2nm,然后再沉积一层20nm厚的磷掺杂非晶硅层,经过高温退火后形成掺杂多晶硅,二者共同形成钝化接触结构,最后通过PVD的方法形成全背面金属接触。


背面TopCon结构的隧穿效应示意图如图12所示,1~2nm厚的化学SiO2隧穿氧化层具有很好的选择性,允许多子电子穿越同时阻挡少子空穴的复合,由于采用晶化处理,此钝化结构具有很好的热稳定性。Topcon全接触钝化结合全金属电极的创新结构,克服了PERL电池结构由于局部开孔对载流子传输路径的限制,实现了最短的电流传输路径,将传输电阻损失降低为零,根本上消除了电流横向传输引起的损失。


相比较于PERL电池结构,TopCon结构无须背面开孔和对准,也无须额外增加局部掺杂工艺,极大地简化了电池生产工艺,同时掺杂多晶硅层良好地钝化特性以及背面金属全接触结构具有进一步提升转换效率的空间,或可成为下一代产业化N型高效电池的切入点。




图11  德国FraunhoferTopcon技术PERT电池结构示意图

12 TopCon结构的隧穿效应示意图

3.3  N-PERT/PERL电池的研究和产业化现状

N-PERT/PERL电池由于比较大的效率提升潜力,相对比较简单的电池结构,且与现有产业化生产比较好的兼容性,成为近些年行业研究的热点,不同国家不同机构的研究人员开展了大量富有成效的工作。表2汇总了N-PERT/PERL电池的实验室研究水平和产业化现状,其中中国英利公司与ECN合作开发的PANDA双面电池已经实现大规模量产,并充分利用了原有电池线的生产设备;韩国LG公司利用离子注入工艺和丝网印刷实现量产的电池效率达到21.5~22%,是比较高的量产效率。需要特别指出的是德国Fraunhofer利用Topcon技术制备的n-PERT电池转化效率达25.1%,是非常值得产业界期待的技术路线。



表2 N-PERT/PERL电池研究和产业化现状汇总


3.4 IBC电池

叉指状背接触电池IBC(InterdigitatedBackContact)最早是由Schwartz和Lammertz在1975年提出来的[19],它将pn结、基底与发射区的接触电极以叉指形状全部做在电池背面,完全消除了前表面栅线的遮光,同时无须考虑前表面减反射结构对电极接触的影响,为前表面陷光结构和实现更低反射率提供了更大的优化空间和潜力。全背面电极由于不用考虑对电池光学方面的影响,设计时可以更加专注于电池电性能的提高。 

  

IBC电池的核心问题使如何在电池背面制备出质量较好、成叉指状间隔排列的p区和n区。传统的技术路线是液态硼扩散和光刻技术[20],但需要高温工艺,且均匀性较差;为避免多步光刻及扩散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膜层,掩膜层上的硼经扩散后进入N型衬底形成p+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成n+区。另外,使用离子注入技术[21]可获得均匀性好、结深精确可控的p区和n区,具有很好的发展前景,但成本较高,尚未产业化。


美国SUNPOWER公司IBC电池已实现量产,电池结构如图13所示[22],实验室最高转换效率达25%(Voc=706mV,Jsc =42.1mA/ cm2,FF=82.8%),量产平均效率达23%。其电池前表面通过金字塔结构及减反膜来提高电池的陷光效应。电池的背表面由硼扩散p+区域和磷扩散n+区域呈指状交叉分布,正反表面均覆盖SiO2钝化膜,降到了表面复合并增加了长波响应,从而提高了开路电压。在前表面的钝化层下进行浅磷扩散以形成n+前表面场,提高短波响应。P型和N型金属电极通过丝网印刷方式实现,透过SiO2介质膜上的孔槽与Si衬底实现点接触,减少了金属电极与硅片的接触面积,进一步降低了电极表面的复合,提高了开路电压。但是,IBC电池制程工艺复杂,多次使用掩膜、光刻等半导体技术,成本几乎为常规电池的两倍,因此如何简化工艺,开发低成本的IBC技术并推向产业化应用是业界关注的重点和难点。



图13  美国SUNPOWER公司IBC电池结构示意图


表3汇总了IBC电池部分机构&公司研究现状,电池效率普遍在22%以上,美国Sunpower公司IBC电池已实现量产,实验室最高效率达25%。天合公司的大面积IBC电池,简化了工艺流程,最高转换效率达22.9%,通过工艺优化预计可达到23.8%。另外,天合与澳大利亚国立大学(ANU)共同研发的小面积电池效率达24.37%。显示了IBC电池在结构方面的优势及强大发展潜力。



表3  IBC电池研究现状汇总


3.5 HIT电池

HIT电池正面首先沉积很薄的本征非晶硅层作为表面钝化层,然后沉积硼掺杂的p+型非晶硅层,两者共同构成正面空穴传输层。沉积后硅片靠近表面由于能带弯曲,阻挡了电子向正面的移动。相反对空穴而言,由于本征层很薄,空穴可以隧穿后通过高掺杂的p+型非晶硅。在背面同样沉积本征非晶硅薄膜和掺磷的n+非晶硅层,同样由于能带弯曲,阻挡了空穴向背面的移动,而电子可以隧穿,两者共同构成了电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层,使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出,从而实现两者的分离[23]。


1992年三洋公司的MakotoTanaka和Mikio Taguchi第一次成功制备了HIT(Heterojunctionwith Intrinsic ThinLayer)电池[24]。HIT电池结构简单,其中间衬底为N型晶体硅,通过PECVD方法在P型a-Si和c-Si之间插入一层10nm厚的i-a-Si本征非晶硅,在形成pn结的同时本征a-Si:H具有很好的钝化晶体硅表面缺陷的作用,极大地降低了晶体硅的表面复合,复合速率可降至3cm/s[25],确保了电池很高的开路电压。电池背面为20nm厚的本征a-Si:H和N型a-Si:H层,在钝化表面的同时可以形成背表面场。由于非晶硅的导电性较差,因此在电池两侧利用磁控溅射技术溅射TCO膜进行横向导电,最后采用丝网印刷技术形成双面电极,使得HIT电池有着对称双面电池结构,一定程度上减少了电池的热应力和机械应力,并允许薄硅片的使用,同时电池背面可以利用地面的反射光发电,提高了发电量。整个制备过程都是在低于200℃下进行的,可避免高温工艺对硅片的损伤。并且,N型HIT电池没有光致衰减效应,且温度稳定好,温度系数仅为-0.25%/°C,即使在户外高温度条件下工作,仍能表现出很好的输出特性[26]。


日本Panasonic公司于2009年收购三洋公司后,继续HIT电池的开发,其电池结构如图14所示,实验室最高转换效率达24.7%(Voc=750mV,Jsc = 39.5mA/cm2,FF=83.2%),量产平均效率达22.5%。


图14  日本Panasonic公司的HIT电池结构示意图


表4汇总了HIT电池部分机构&公司研究现状,电池效率普遍在22%以上,显示了HIT电池在结构方面的优势及发展潜力。需要特别指出的是,美国Silevo利用隧穿氧化钝化层制备大面积HIT电池效率达23.1%,非常具有大规模量产的前景。



表4  HIT电池研究现状汇总


HIT电池虽然发展迅速,但是仍然存在许多问题,一定程度上限制了其大规模量产。首先其生产过程中的每一步工艺要求都非常严格,比如由于非晶硅薄膜生长对表面质量要求很高,所以对前道晶硅的表面清洁净化技术提出非常高的要求。其次,非晶硅薄膜无法承受较高温度的后续工艺,后道必须使用高成本低温工艺和材料。另外,TCO薄膜成本较高,且产量有限。所以在保证高效的情况下,大规模的量产还需要进一步的研究。到目前为止,只有panasonic公司的HIT电池成功实现了产业化,但其对HIT电池的相关参数以及制备过程无详细报道,而世界各地的科研小组至今没有能达到或重复其实验效果。


大规模量产方面,据报道日本松下(Panasonic )现有HIT产能共1GW,160MW为一条产线。电池量产转换效率约为22.5%,马来西亚工厂HIT组件成本约为0.7美元/瓦。所有硅片电池均为125mm×125mm,主要原因是薄片化(初始硅片厚度150μm,制成电池后厚度为110μm),如果采用156mm×156mm硅片在丝网印刷段容易碎片。最早投入使用的HIT组件至今大约11年,累计衰减仅为2%~3%。


另外,Solarcity 收购Silevo ,计划在美国建设1GW HIT电池工厂。欧洲联合研究中心最近公布“MW级先进光伏制造工厂计划(X-GWp),核心目标是推动新型高效(22-25%)HIT电池的量产,预计在2017年建设产能1GW的工厂。

 

3.6 HBC电池

日本Panasonic公司的HBC电池(Hetero-junctionBack Contact)是将HIT技术运用于IBC结构的电池。其电池结构如图所示[8],创造了实验室最高转换效率25.6%的世界纪录(Voc=740mV,Jsc=41.8mA/cm2, FF=82.7%)。HBC电池与HIT电池相比最大的特点是前表面没有栅线电极,极大降低了栅线对太阳光的遮挡损失,确保了电池高的Isc。其正面先生长“一个钝化效果非常好的钝化层”钝化表面,再沉积SiNx减反膜降低反射率。背面先沉积一层本征a-Si:H,再沉积呈指状交叉分布N型a-Si:H层和P型a-Si:H层,非晶硅薄层极好地钝化效果确保了电池的高开路电压,最后用电镀工艺制备背面的正负电极,由于不用考虑对电池光学方面的影响,电极设计时可以更加专注于电池电性能的提高,确保了电池高的填充因子。



图15  日本Panasonic公司的HBC电池结构示意图



4. 总结


本文重点介绍了几种N型高效单晶电池的结构特点和研发现状。与传统的P型晶硅电池相比,N型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势,具有更大的效率提升空间和潜力,是高效电池技术路线的必然选择,而且随着电池新技术的引入,N型晶硅电池的效率优势会越来越明显。德国Fraunhofer实验室PassDop技术的N-PERL电池和Topcon技术的N-PERT电池最高效率分别达到23.2%和25.1%,具有很好的发展潜力。日本Panasonic公司的HBC电池创造了电池效率25.6%的世界纪录。而Sunpower公司的IBC电池和Panasonic公司的HIT电池已经实现了大规模量产,平均效率达到22%以上。


不断追求效率提升和成本降低,是光伏行业永恒的主题。随着市场对效率和品质的要求越来越高,单晶N型电池由于自身的天然优势,必然会成为市场的追逐的方向。N型单晶电池将是未来几年高效电池产业化的热点技术,其市场份额在可预见的未来必将会有重大突破,甚至成为主流。



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