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晶体硅太阳能电池钝化接触工艺的发展状况

关键词:硅片回收 电池片回收 太阳能电池板回收 多晶硅回收 │ 发表时间:2018-10-17

近年来,先后有多家科研机构对钝化接触太阳能电池展开研究。松下的HIT电池是典型的钝化接触电池之一,他们采用非晶硅薄膜作为钝化层,最新破纪录的效率达到25.6%,不过非晶硅薄膜由于其对表面准备要求较高,无法承受较高温度的后续工艺,人们开始将视野投向其他有钝化效果的薄膜材料。

①德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(FraunhoferISE)2013年,德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(FraunhoferISE)提出了隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术。他们采用n型FZ硅片,正面进行普通金字塔制绒,硼扩散,ALD氧化铝加PECVD氮化硅叠层起到钝化和减反射效果。背面采用TOPCon技术,先使用化学方法生长一层超薄的氧化层(1.4nm),随后在氧化层之上沉积掺磷的非晶硅薄膜(20nm),之后经过退火重结晶加强钝化效果。正反金属化采用蒸镀Ti/Pd/Ag叠层实现。经过上述步骤,双面钝化的200μm厚度的n型FZ硅片的隐开路电压可以达到710mV以上,即使后续工艺温度超过400℃,隐开路电压仍可保持在700mV以上。其中氧化硅减少了表面态保持了较低的隧穿电阻,掺杂多晶硅提供了场致钝化并对载流子选择性透过。经过后续优化,该电池的开路电压达到700mV,填充因子82%,效率达到23.7%。2014年,该研究机构公布了正反两面钝化接触的设计,实现了双面选择性接触电池结构。该电池采用p型FZ硅片,厚度250μm,无需扩散,正反两面直接化学生长1.4nm氧化层,分别沉积15nm掺磷和掺硼的非晶硅,之后退火。正面采用溅镀ITO,蒸镀Ti/Pd/Ag叠层栅线,背面蒸银作为背面电极。完成上述工艺步骤之后,电池的开路电压达到692.4mV,填充因子达到79.4%。由于退火温度的不同,这里沉积的非晶硅并未结晶为多晶硅,而是达到了类似薄膜硅电池中的微晶硅形态。但由于正面并未制绒,以及类似HIT电池中的正面ITO和微晶硅层的吸收,其短路电流只有31.6mA/cm2,效率为17.3%。不过研究人员还特别对比了正面多晶硅和微晶硅的吸收,同厚度的微晶硅的吸收比非晶硅小最多两倍。

2015年,该研究机构利用臭氧氧化技术对HNO3化学方法制备氧化层工艺进行了优化,然后沉积15nm的掺杂非晶硅薄膜,获得了开路电压为716mV,效率达到24.8%太阳能的电池。②美国国家可再生能源实验室(NREL)2014年,NREL同样采用了氧化硅和多晶硅薄膜,首先在n型硅片正面扩散p型发射极,之后使用KOH平整背面,接下来采用700℃热生长或者硝酸化学方法制作约1.5nm厚度的二氧化硅层。之后在之上PECVD沉积几十纳米厚的高掺杂非晶硅(a-Si:H)。通过约850℃的退火处理,非晶硅薄层结晶为多晶硅,之后再经过450℃氮氢混合气氛退火(FGA),加强表面钝化。最后背面整面金属化。NREL称SiO2和多晶硅层对钝化和接触的性能都有影响。通过850℃的非晶硅重结晶后,化学和热生长得到的氧化层有相似的钝化效果,隐开路电压可以达到700mV以上,暗饱和电流低于10fA/cm2,接触电阻约为20mΩ/cm2。不过NREL认为高掺杂多晶硅/氧化硅/硅接触的良好品质的机理尚未完全弄清,良好的表面钝化可能来自氧化硅的化学钝化效果以及高掺杂多晶硅的场致钝化效果,良好的导电率则来自缺陷辅助隧穿机制以及氧化层上的微孔。
其他研究机构2015年,澳大利亚新兰威尔士大学研究人员利用场诱导阳极氧化工艺制备超薄隧穿氧化层,其均匀性有所提高,优化了氧化层质量。此外,澳大利亚国立大学(ANU)、美国加州大学(UC)、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)等研究机构也都在这一领域进行研究,探索不同的钝化材料。
目前,国内研究机构在这一领域研究较少。2013年,中国科学院微电子研究所提出由于ALD沉积的Al2O3介质层在太阳能电池应用波长内没有吸收且具有良好的热稳定性,可作为硅基异质结太阳电池的钝化和隧穿层。虽然研究人员已经在钝化材料和工艺上做了许多研究,但如何能制得厚度合适、结构致密、缺陷少的钝化接触层,并且使钝化接触太阳电池的制作工艺与现有的工艺相兼容,仍然需要进行探索和改进。

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