對比PERC太陽電池及產(chǎn)業(yè)化

1、對比 PERC 太陽電池及產(chǎn)業(yè)化1.李紅波海潤光伏科技有限公司PERC 太陽電池及產(chǎn)業(yè)化 2.賈銳、陶科、孫昀、姜帥 中國科學(xué)院微電子研究所PERC 晶體硅高效電池研究 1 李紅波 海潤光伏科技有限公司PERC 太陽電池及產(chǎn)業(yè)化一 PERC 電池技術(shù)背景 PERC（passivated-emitterandrearcell） 電池早在 1989 年就被 Blakers1 等人提出， 在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上， 新南威爾士大學(xué)趙建 華博士 2 經(jīng)過一些列改進(jìn)優(yōu)化，于 1999 年獲得了轉(zhuǎn)換效率 達(dá) 24.7% 的太陽能電池，因此創(chuàng)造了晶硅電池最高效率世界 紀(jì)錄。 PERC 電池結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 3 ，其

2、電池的特點是： （1） 電池的正反兩面都沉積鈍化膜； （ 2）背場的鋁漿則直接覆蓋 在背面鈍化膜上與硅基體形成局部接觸。根據(jù) PERC 電池的 結(jié)構(gòu)特點，電池需要雙面鈍化和背面局部接觸，從而大幅降 低表面復(fù)合，提高電池轉(zhuǎn)化效率。雙面鈍化則要求電池兩面 都需鍍介質(zhì)膜，背面局部接觸則需要背面開膜，因此 PERC 電池工藝流程為： （1）堿制絨（ 2）POCl3 擴(kuò)散（ 3）濕法背 面刻蝕（ 4）雙面鈍化薄膜（ 5）背面介質(zhì)薄膜開孔（ 6）金 屬化。二 PERC 電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)關(guān)鍵 PERC 電池在上世 紀(jì)八十年代末和九十年代初就已經(jīng)成為晶體硅太陽電池的 代表，以 24.7%的世界紀(jì)錄領(lǐng)跑晶硅電池效

3、率記錄。但產(chǎn)業(yè) 化的進(jìn)程直到本世紀(jì) 2010 年才有質(zhì)的進(jìn)展， 間隔整整 20 年。 2010 年產(chǎn)業(yè)化 PERC 電池的顯著進(jìn)展取決于以下三個方面： 工藝，設(shè)備以及相關(guān)材料。工藝方面的關(guān)鍵在于背面鈍化以及背面局部接觸技術(shù) 的實現(xiàn)。背面鈍化技術(shù)，涉及到鈍化膜的選擇。新南威爾士 大學(xué)趙建華博士在 1999 發(fā)表的文章報道了采用 SiO2 薄膜鈍 化制備的 P 型 PERC 電池，同一年該校的 A.G.Aberle4 也報 道了 SiO2 作為 P 型 PERC 電池背鈍化薄膜的缺點：弱光下 氧化硅的鈍化效果會急劇變差，那么產(chǎn)業(yè)化 P 型 PERC 電池 該選擇氧化鋁還是氧化硅呢？為此我們做了對比

4、研究。首先對比 Al2O3 和 SiOx 作為背面鈍化薄膜的性能，圖 2給出了采用SunsVoc表征測試的PFF和Jo2,顯然氧化鋁 疊層膜的 PERC 電池和常規(guī)鋁背場電池的PFF 以及 Jo2 均相當(dāng)，但是氧化硅疊層膜的 PERC 電池表現(xiàn)稍遜一籌。我們做 了進(jìn)一步的測試，采用 Semilab 公司的 PV2000 測試了氧化 鋁疊層膜和氧化硅疊層膜的固定電荷(fixedcharge),結(jié)果顯示氧化硅疊層膜固定電荷為正電荷，電荷密度為1 x1011charges/cm2,而氧化鋁疊層膜固定電荷為負(fù)電荷，電荷 密度為-1 x 1012charges/cm2。氧化鋁含有高密度的固定負(fù)電荷形成的

5、電場可以有效減少表面的電子濃度，從而對p 型表面有極好的場鈍化效應(yīng)減少復(fù)合，解釋了為什么氧化硅疊層 膜 PERC 電池的 Jo2 要比氧化鋁 PERC 電池的 Jo2 高，從而 導(dǎo)致 PFF 上，氧化鋁鈍化的 PERC 電池更有優(yōu)勢 5 。 我 們也測試對比了強(qiáng)弱光下氧化鋁疊層膜 PERC 電池和氧化硅 層膜 PERC 電池的 IQE 性能（如圖 4），圖 4 顯示在 1 個太陽 的光強(qiáng)下，氧化鋁疊層膜 PERC 電池和氧化硅疊層膜 PERC 電池在長波的 IQE 均優(yōu)于常規(guī)鋁背場電池，但是 0.1 個太陽 光強(qiáng)下氧化硅 PERC 電池的長波IQE 下降顯著，表明背面鈍化薄膜氧化硅疊層膜在弱光

6、下的鈍化性能急劇下降，這 和 1999 年新南威爾士大學(xué)的發(fā)現(xiàn)是一致的。另一方面氧化 鋁疊層膜 PERC 電池和常規(guī)鋁背場電池在弱光下依然表現(xiàn)出 和強(qiáng)光相同的 IQE 性能。這些數(shù)據(jù)充分說明了氧化鋁疊層膜 更適合作為量產(chǎn) PERC 電池的背面鈍化膜。另一關(guān)鍵工藝則是背面局部接觸的實現(xiàn)，目前主要采用 的方式有背面鈍化膜的局部激光開孔和腐蝕漿料開孔，開孔 后在背面鈍化膜上印刷鋁漿，鋁漿通過上述開孔與硅材料實 現(xiàn)局部接觸。我們同樣對比了兩種薄膜開孔方式-激光開孔和腐蝕漿料開孔的特點。圖 5 和圖 6 分別給出了腐蝕漿料開 孔和納秒激光開孔的顯微鏡圖像，從圖像中我們可以清楚地 看到兩種方式都可以將氧化

7、鋁疊層膜完全打開，不會留下殘 留物。表 1 給出了兩種開孔方式做成的 PERC 電池的電性能數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示這兩種開孔方式獲得的PERC 電池性能相當(dāng)。至于量產(chǎn)選用哪種開孔方式，則取決于運行成本及產(chǎn) 能的需求。表 1 不同背面薄膜開孔方式 （刻蝕漿料和激光） 的 PERC 電池批次平均電性能參數(shù)鈍化和激光量產(chǎn)設(shè)備的出現(xiàn)也是 PERC 實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化不可 或缺的因素。鈍化量產(chǎn)設(shè)備分為兩派：一派以德國 Centrotherm 為代表，采用 PECVD 生長的氧化硅 /氮化硅疊層 膜作為背面鈍化膜，另一派以德國 R&R 公司為代表生 產(chǎn)的氧化鋁鍍膜設(shè)備，并且開發(fā)出二合一的氧化鋁疊層膜設(shè) 備

8、。而對于氧化鋁鍍膜設(shè)備根據(jù)其生長原理不同有兩種，一 種是以原子層沉積技術(shù)生長氧化鋁膜，另外一種則是以 PECVD（ 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 ）方式獲得氧化鋁膜。采 用原子層沉積技術(shù)生長氧化鋁膜量產(chǎn)設(shè)備亦有兩個類型：一 是以 BeneQ 和 ASM 為代表的管式設(shè)備，存在主要問題是： 產(chǎn)能低，存在正面繞射問題。另外一種則以RenaSolayTec，Levitech 為代表的在線式設(shè)備，在線式設(shè)備不存在產(chǎn)能和繞 射問題。而采用 PECVD（ 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 ）方式獲 得氧化鋁膜的主要廠家有 R&R ，AMAT ，MANZ ， Singulus 等。對于開孔的量產(chǎn)設(shè)備，若

9、選擇腐蝕漿料開孔， 添加一臺印刷機(jī)即可。若選用激光開孔，目前主流的激光量 產(chǎn)設(shè)備采用的是納秒級激光器，主要廠家有Rofin ，Inonnas，MANZ 等公司滿足 PERC 電池需要的新材料的推出，也是推動 PERC 產(chǎn)業(yè)化顯著進(jìn)展的一大功臣。尤其是漿料公司開發(fā)出適合于 硅襯底局域接觸的太陽能電池用鋁漿，使得 PERC 電池的陣 地由實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。使用傳統(tǒng)鋁漿，在局域接觸條件下 高溫?zé)Y(jié)時，基體硅材料易溶于鋁，使得鋁和基體材料接觸 界面形成空洞而斷路，增大了鋁硅的局域接觸電阻（如圖 7 所示）。 美國杜邦公司通過漿料成分的改進(jìn)，結(jié)合合適 的燒結(jié)工藝，開孔處可以形成連續(xù)的局域鋁背場，并且孔洞

10、 填充充實，沒有空洞，圖 8顯示。三對比標(biāo)準(zhǔn)電池 PERC 電 池優(yōu)點 與標(biāo)準(zhǔn)電池相比， PERC 電池的優(yōu)勢主要有兩個 方面：（一）內(nèi)背反射增強(qiáng)，降低長波的光學(xué)損失； （二）高 質(zhì)量的背面鈍化，這使得 PERC電池的開路電壓（Voc）和 短路電流（Isc）較之標(biāo)準(zhǔn)電池有大幅提升，從而電池轉(zhuǎn)化效 率更高。從圖9的內(nèi)量子效率（IQE ）和反射率（Reflectivity） 曲線上的對比可以發(fā)現(xiàn) PERC 電池長波處（ 1000-1200nm ） 的反射率和量子響應(yīng)高于標(biāo)準(zhǔn)電池。四海潤 PERC 成果 海潤光伏通過背鈍化薄膜，開孔方式 以及金屬化方式的不斷優(yōu)化，于 2012 年初開發(fā)出的 PERC

11、 電池內(nèi)部測試平均轉(zhuǎn)換效率 20.1%（如表 2），最高轉(zhuǎn)換效率 為 20.4% ，前期國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測 給出的電池轉(zhuǎn)換效率為 19.9%（如圖 10） 。同時采用高效PERC電池做出的組件 （60片PERC電池）在第三方檢測 機(jī)構(gòu)VDE測試結(jié)果顯示，組件最大功率為284W（如圖11）, 按照常規(guī)單晶 2%的電池到組件的功率損失計算，單片 PERC電池的轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該是 20.1%。且通過持續(xù)的戶外發(fā)電量監(jiān) 控發(fā)現(xiàn)：PERC電池組件的發(fā)電量比標(biāo)準(zhǔn)組件有明顯的優(yōu)勢， 其每瓦發(fā)電量比標(biāo)準(zhǔn)單晶組件高 2.7%（圖 12）。五存在的問 題及展望 雖然 PERC 電池產(chǎn)業(yè)化的號角已經(jīng)

12、吹響，但仍 存在一些問題有待業(yè)內(nèi)同行解決，最為突出的就是 PERC 電 池的光致衰減。通過對比發(fā)現(xiàn)：體電阻率在 2ohm*cm 的單 晶 PERC 電池光致衰減高達(dá) 4.5%，比標(biāo)準(zhǔn)單晶高 2%，多晶 PERC 的光致衰減也比標(biāo)準(zhǔn)多晶高。 PERC 電池雙面鈍化的 結(jié)構(gòu)使得其表面復(fù)合速率大幅降低，從而電池性能大大提 高，但與此同時表面復(fù)合大幅降低使得體復(fù)合對 PERC 電池 影響占比增加，因此光致衰減導(dǎo)致的體壽命降低對 PERC 電 池會產(chǎn)生致命的影響。令人欣慰的是已有越來越多的工作 6-7 關(guān)注并致力于解決 PERC 光致衰減問題，現(xiàn)有的通過提 高硅片品質(zhì)，降低體材料氧含量，降低硼濃度（高電

13、阻率硅片），優(yōu)化熱過程等方法， 已使得 PERC 電池光致衰減問題得 到了較大改善。在目前眾多高效電池技術(shù)中， PERC 電池技術(shù)與當(dāng)前工 業(yè)化電池生產(chǎn)線高度兼容，可以預(yù)期：未來幾年將會迎來 PERC 電池產(chǎn)業(yè)化高峰。參考文獻(xiàn)1 A. W. Blakers, A. Wang, A. M. Milne, J. Zhao, and M. A. Green, Applied Physics Letters, vol. 55, 1363 (1989).;2 J. Zhao, A. Wang, and M. A. Green, Progress in photovoltaics: Research an

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