郎芳

摘要：本文從提升N型太陽能電池發(fā)電效率入手，分析了目前N型電池效率損失的原因，通過對其正背面降低復合來提升其轉(zhuǎn)換效率。介紹了單晶N型電池新工藝以提升電池效率，通過采用氧化鋁鈍化技術和選擇性背場技術的結合，使得單晶N型電池的平均效率達到20.5%，從成本方面看相對于傳統(tǒng)的N型單晶電池加工工藝有一定的優(yōu)勢。高效率低成本的電池的應用對于日后要開發(fā)的小型戶用系統(tǒng)有非常積極的幫助，便于有限空間的合理利用。

關鍵詞：高效率 低成本 單晶N型電池 應用

中圖分類號： TM615 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）07（b）-0000-00

隨著人類社會不斷發(fā)展和進步，人與自然的矛盾越來越突出。尤其在受到經(jīng)濟危機沖擊的今天，能源和環(huán)境問題已成為了制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，也受到全社會的高度重視。哥本哈根氣候會議使大家進一步深切的體會到能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為刻不容緩的問題！尋求低碳經(jīng)濟之路成為當今的必然趨勢。太陽能電池的研究與應用越來越受到世界各國廣泛的關注。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽輻射光通過半導體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應”。太陽電池加工制作過程不斷追求產(chǎn)業(yè)化，這就要求電池效率更高，目前，太陽能電池的制作有85%以上采用晶體硅作為材料，其中更多的是P型晶體硅材料電池。P型材料中多晶材料和單晶材料的加工過程多是以化學方式來處理表面，通過擴散制結、對表面進行減反射和鈍化處理，再通過背場鋁漿印刷和電極制作并燒結完成全部生產(chǎn)過程。N型材料應用相對較少，前期除了英利與荷蘭ECN研究所合作開發(fā)的技術外，還有松下公司的HIT（Heterojunction with Intrinsic Layers）技術和Sunpower的IBC（Interdigitated Back Contacted）技術，目前實驗室效率均高于20%。隨著技術的不斷應用，目前越來越多的人已經(jīng)開始增加了對N型基材電池的關注，N型技術的優(yōu)勢有待進一步發(fā)展。

1 N型硅材料電池的優(yōu)勢

半導體中有兩種載流子，即價帶中的空穴和導帶中的電子，以電子導電為主的半導體稱之為N型半導體，與之相對的，以空穴導電為主的半導體稱為P型半導體。 在N型半導體中，參與導電的主要是帶負電的電子，這些電子來自半導體中的施主。凡摻有施主雜質(zhì)或施主數(shù)量多于受主的半導體都是N型半導體。

N型硅材料作為太陽能電池的基材相對于P型材料有幾大優(yōu)勢：第一，由于N型材料中只有微量的B摻雜，B-O對的影響會非常小。P型材料中的B-O對使得材料的少子壽命降低，從而使高效率電池的制作受到一定的限制[1]； N型材料對金屬雜質(zhì)例如Fe不像P型材料那么敏感，這就使N型材料對加工過程有了更高的容忍度，利于高效電池的制作[2，3]。第二，由于P型基體B-O對的大量存在和電子對金屬極強的復合能力，使得其光致衰減很高；而對于N型基體，由于其摻雜不同，其B-O對比P型要少的多，N型基體的少子為空穴，對金屬的復合能力也比P型弱。因此其光致衰減低。總之，相對于P型材料，N型材料的電池效率易做到更高，光致衰減更低。

2 N型硅電池結構及工藝過程簡介

英利與荷蘭ECN研究所進行合作，從2009年開始進行N型基材新工藝的嘗試，其電池結構以N型基材為中心，正面制備硼擴散發(fā)射極，背面制備磷擴散的背場，正反兩面均采用氮化硅鈍化。其工藝流程包括：

1、堿制絨：對硅片表面處理，增加其對于光的吸收

2、磷硼共擴散：形成電池的發(fā)射極和背場

3、周邊刻蝕：實現(xiàn)邊緣的絕緣

4、化學處理：對硅片表面進行處理

5、PECVD：形成硅片正背面的減反射膜

6、金屬化：制作金屬電極并實現(xiàn)接觸

通過堿制絨對表面進行處理，增加光的吸收；利用磷硼共擴散的技術，實現(xiàn)發(fā)射極和背場的制備過程；通過刻蝕工藝達到邊緣絕緣的目的；經(jīng)過化學處理對表面進行加工；采用PECVD的方法進行鈍化和減反射膜層的制作；金屬化工序，完成電池的電極制作并實現(xiàn)良好的接觸。目前，英利產(chǎn)線上N型電池的平均效率達到20%以上。

3基于N型基材更高效電池工藝的開發(fā)

通過對N型電池基材基礎工藝的研究，查找電池的損失機制，我們發(fā)現(xiàn)目前的N型基礎工藝存在一些問題，主要是電池的正背面復合較為嚴重，導致電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了制約。由于電池前表面和背表面的損失存在，影響了電池的效率提升。

針對上述情況，我們開發(fā)了新型的表面鈍化機制，通過增加一層氧化鋁膜層，即采用疊層鈍化膜的機制，對電池前表面的損失進行補償。

氧化鋁鈍化的機理是：氧化鋁自身帶有固定的負電荷，通過化學鈍化與場效應鈍化的結合，實現(xiàn)更好的鈍化效果?；瘜W鈍化可以減少表面缺陷態(tài)密度；場效應鈍化通過界面處的內(nèi)建電場減少表面附近少數(shù)載流子的濃度。

針對背表面的損失，我們通過一種新型的選擇性背場工藝的應用，使得背面的損失降低，從而實現(xiàn)了更高的電池轉(zhuǎn)換效率。其來源有兩個方面：一是減少自由載流子的吸收；另一個是增加背表面的鈍化效果。

新工藝的工藝流程包括：

1、堿制絨：對硅片表面處理，增加其對于光的吸收

2、磷硼共擴散：形成電池的發(fā)射極和背場

3、周邊刻蝕：實現(xiàn)邊緣的絕緣

4、選擇性背場制備：對背表面進行優(yōu)化處理

5、化學處理：對硅片表面進行處理

6、氧化鋁鈍化：對前表面增強鈍化

7、PECVD：形成硅片正背面的減反射膜

8、金屬化：制作金屬電極并實現(xiàn)接觸

4實驗過程和實驗結果及電池片的表征

本實驗樣品是由英利（中國）能源有限公司生產(chǎn)的磷摻雜N型單晶A等硅片，電阻率為0.7-3.0Ω·cm，尺寸為156×156mm，厚度約為200μm的硅片300片，來自整棒的頭、中、尾段三個位置，電阻率1-3歐姆*厘米，按照上述的工藝過程進行電池的制作，較單晶正常工藝增加了選擇性背場工藝和氧化鋁鈍化工藝。經(jīng)過對電池工藝流程的優(yōu)化，相對于傳統(tǒng)工藝而言，開路電壓顯著增高，短路電流也明顯提升，填充因子變化不大。電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.5%。

通過新工藝的引入，電池的開路電壓達到0.654V以上，短路電流達到9.5A以上，填充因子保證80%以上，電池平均效率為20.5%。

通過對實驗片和常規(guī)N型工藝的參考片進行光譜響應的對比可以看出，增加了選擇性背場工藝和氧化鋁工藝后的電池片，其SR曲線能明顯看出電池的前表面和背表面的光譜響應增強了，這就從根本上增加了光的吸收，增強了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

5產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)

新工藝的采用使得電池效率得到大幅提升，平均效率達到20.5%以上。目前的光伏市場已經(jīng)慢慢向分布式轉(zhuǎn)化，高效率的組件產(chǎn)品可以合理的利用小面積的空間，光電轉(zhuǎn)換效率達到更高可以使得小型系統(tǒng)的空間得到更大的利用。因此，高效低成本的單晶N型電池的利用必然是今后的一大趨勢。

參考文獻

[1]. J. Schmidt et al. 26th IEEE PVSC Anaheim， p13 （1997）

[2]. D. Macdonald and L.J. Geerligs， Appl Phys. Lett. 92， p4061 （2008）

[3]. A. Cuevas et al.， Appl Phys. Lett. 81， p4952 （2002）

[4]. 高虎，李俊峰，許洪華；太陽能光伏發(fā)電技術發(fā)展狀況與趨勢分析【J】，中國科技產(chǎn)業(yè)，2006.