N型高效單晶電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(2015)

1、N型高效單晶電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀摘要:目前P型晶硅電池占據(jù)晶硅電池市場的絕對份額。然而，不斷追求效率提升和成本降低是光伏行業(yè)永恒的主題。N型單晶硅較常規(guī)的P型單晶硅具有少子壽命高、光致衰減小等優(yōu)點(diǎn)，具有更大的效率提升空間，同時(shí)，N型單晶組件具有弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。因此，N型單晶系統(tǒng)具有發(fā)電量高和可靠性高的雙重優(yōu)勢。根據(jù)國際光伏技術(shù)路線圖（ITR PV2015）預(yù)測：隨著電池新技術(shù)和工藝的引入，N型單晶電池的效率優(yōu)勢會越來越明顯，且N型單晶電池市場份額將從2014年的5%左右提高到2025年的35%左右。本文論述了N型單晶硅及電池組件的優(yōu)勢，并介紹了各種N型單晶高效電池結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，及相關(guān)技

2、術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化前景。關(guān)鍵詞：N型電池，高效電池1.引言由于晶硅太陽電池成熟的工藝和技術(shù)、高的電池轉(zhuǎn)換效率及高達(dá)25年以上的使用壽命，使其占據(jù)全球光伏市場約90%份額。理論上講，不管是摻硼的P型硅片還是摻磷的N型硅片都可以用來制備太陽能電池。但由于太陽能電池是基于空間航天器應(yīng)用發(fā)展而來的，較好的抗宇宙射線輻照能力使得P型晶硅電池得到了充分的研究和空間應(yīng)用1。技術(shù)的延續(xù)性使目前地面用太陽能電池90%是摻硼P型晶硅電池2。而且，研究還發(fā)現(xiàn)N型晶硅電池由于p+發(fā)射結(jié)均勻性差導(dǎo)致填充因子較低3,4，并且長期使用或存放時(shí)，由于發(fā)射結(jié)表面鈍化不理想等原因電池性能會發(fā)生衰退5。另外，B2O3的沸點(diǎn)很高，擴(kuò)

3、散過程中始終處于液態(tài)狀態(tài)，擴(kuò)散均勻性難以控制，且與磷擴(kuò)散相比，為了獲得相同的方塊電阻需要更長的時(shí)間和更高的溫度，導(dǎo)致材料性能變差6。所以與在N型硅片上形成摻硼p+發(fā)射結(jié)在工業(yè)生產(chǎn)中比較困難。然而，地面應(yīng)用并不存在宇宙射線輻照的問題，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，原來困擾N型晶硅電池的發(fā)射結(jié)濃度分布、均勻性、表面鈍化等技術(shù)難題已經(jīng)解決。隨著市場對電池效率的要求越來越高，P型電池的效率瓶頸已越發(fā)明顯。N型晶硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等天然優(yōu)勢，具有更大的效率提升空間和穩(wěn)定性，成為行業(yè)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。根據(jù)圖1和2國際光伏技術(shù)路線圖ITR PV2015的預(yù)測7，隨著背接觸（BC）、異質(zhì)結(jié)（HIT）等電

4、池新結(jié)構(gòu)，及激光、離子注入等新技術(shù)的引入，N型單晶電池的效率優(yōu)勢會越來越明顯，且單晶硅在今后幾年的市場份額會逐步增加，到2025年將超過多晶硅，占據(jù)光伏市場份額首位，其中80%以上為N型單晶。表1列舉了Panasonic, SunPower, Sharp不同電池結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的電池轉(zhuǎn)化效率記錄，大面積HBC電池最高效率已達(dá)到25.6%8，展現(xiàn)了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。圖1 ITR PV2015晶硅電池效率預(yù)測圖2ITR PV2015不同類型硅片市場份額預(yù)測表1 部分機(jī)構(gòu)N型單晶電池的最高轉(zhuǎn)換效率本文論述了n型單晶硅及電池組件的優(yōu)勢，并介紹了各種N型單晶高效電池結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化前景。2.

5、 N型單晶硅材料及電池組件的優(yōu)勢與P型單晶硅相比，n單晶硅的生產(chǎn)制備沒有本質(zhì)的區(qū)別，是非常成熟的工藝技術(shù)，隨著N型單晶硅生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，兩者之間的生產(chǎn)成本將會越來越接近。磷摻雜的N型單晶硅及電池組件較硼摻雜的P型單晶硅及電池組件有許多明顯的優(yōu)勢。首先，N型材料中的雜質(zhì)對少子空穴的捕獲能力低于P型材料中的雜質(zhì)對少子電子的捕獲能力，相同電阻率的N型CZ硅片的少子壽命比P型硅片的高出12個(gè)數(shù)量級，達(dá)到毫秒級。且N型材料的少子空穴的表面復(fù)合速率低于P型材料中電子的表面復(fù)合速率，因此采用N型晶硅材料的少子空穴的復(fù)合將遠(yuǎn)低于P型的少子電子的復(fù)合9。其次，N型硅片對金屬污染的容忍度要高于P型硅片

6、。如圖3所示10，F(xiàn)e,Cr,Co,W,Cu,Ni等金屬對P型硅片少子壽命的影響均比N型硅片大，由于帶正電荷的金屬元素具有很強(qiáng)的捕獲少子電子的能力，而對于少子空穴的捕獲能力比較弱，所以對于少子為電子的P型硅片的影響比少子為空穴的N型硅片影響要大，即在相同金屬污染的情況下，N型硅片的少子壽命要明顯高于P型硅片。但對于Au卻是相反地，但對于現(xiàn)代工藝技術(shù)而言，Au污染已不再是問題。圖3 金屬雜質(zhì)在硅中的復(fù)合行為1973年H.Fischer等11發(fā)現(xiàn)P型摻硼CZ晶硅電池在光照下會發(fā)生明顯的電性能衰減。1997年J.Schmidt等12證實(shí)硼摻雜Cz晶體硅電池出現(xiàn)光致衰減是由于光照或電流注入導(dǎo)致硅片中的

7、硼和氧形成硼氧復(fù)合中心，從而使少子壽命降低，引起電池轉(zhuǎn)換效率下降。2006年A.Herguth等人13,14發(fā)現(xiàn)在一定的溫度和光照條件下，可以使硼氧復(fù)合體形成復(fù)合活性較低的中間態(tài)，在一定程度上降低由硼氧復(fù)合體復(fù)合中心導(dǎo)致的光致衰減。而摻磷的N型晶體硅中硼含量極低，本質(zhì)上消除了硼氧對的影響，所以幾乎沒有光致衰減效應(yīng)的存在。最后，由于N型基體材料高的少子壽命，N型晶硅組件在弱光下表現(xiàn)出比常規(guī)P型晶硅組件更優(yōu)異的發(fā)電特性。如圖4所示15，N型晶硅組件在光強(qiáng)小于600W/m2的弱光情況下，相對發(fā)電效率明顯高于P型晶硅組件。圖4 N型和P型晶硅組件相對效率隨入射光強(qiáng)度的變化曲線3. N型單晶電池結(jié)構(gòu)和特

8、點(diǎn)目前研究的N型單晶高效電池主要有:PERT電池，PERL電池，HIT電池，IBC電池，HBC電池等。PERT電池根據(jù)其發(fā)射結(jié)的位置可分為正結(jié)型（p+nn+）和背結(jié)型(n+np+)，根據(jù)其受光面不同分為單面受光型和雙面受光型。PERL電池根據(jù)其受光面不同，也可分為單面受光型和雙面受光型。如圖5所示。本文將就幾種典型電池的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。圖5 N型單晶硅太陽能電池的分類3.1N-PERL電池PERL電池是發(fā)射結(jié)鈍化背面局部擴(kuò)散電池（Passivated Emitter Rear Locally-diffused）,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是背面局部接觸處重?fù)诫s以降低電池背面局部接觸區(qū)域的接觸電阻和

9、復(fù)合速率。背面局部重?fù)娇梢酝ㄟ^不同的工藝方式實(shí)現(xiàn)，比較常用的是激光摻雜和離子注入等。另外，PERL電池根據(jù)其受光面不同，可分為單面受光型和雙面受光型。單面受光型電池背面一般為全金屬背電極覆蓋，而雙面受光型一般為絲網(wǎng)印刷正反面對稱結(jié)構(gòu)，背面可接收反射光線，結(jié)合雙玻組件技術(shù)可提高3%以上的總發(fā)電量。德國Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室利用PassDop技術(shù)制備的n-PERL小面積電池（4cm2），其轉(zhuǎn)化效率達(dá)23.2%（Voc=699 mV，Jsc = 41.3mA/ cm2，F(xiàn)F= 80.5%），電池結(jié)構(gòu)如圖6所示16。基體材料為N型CZ單晶硅，正面通過離子注入形成硼摻雜p+發(fā)射結(jié)，正面采用ALD工藝

10、沉積Al2O3鈍化層鈍化發(fā)射結(jié)降低表面復(fù)合速率，再用PECVD沉積SiNx形成減反膜。正面光刻工藝開槽后用蒸鍍方法形成Ti/Pb/Ag金屬電極，背面利用激光摻雜技術(shù)形成局部背場，如圖7所示。其工藝特點(diǎn)是先在背面PECVD法生長一層磷摻雜的a-SiCx鈍化層，再利用激光在熔融鈍化層的同時(shí)將其中的磷元素?fù)诫s進(jìn)晶體硅形成局部重?fù)剑詈笸ㄟ^PVD的方法形成Al背面電極。背面磷摻雜的a-SiCx鈍化層具有很好的鈍化效果，金屬接觸區(qū)域n+局部重?fù)皆诮档徒佑|電阻的同時(shí)，減少了金屬接觸區(qū)域的復(fù)合，提升了電池的開路電壓和填充因子。電池Uoc達(dá)699mV，F(xiàn)F達(dá)80.5%，顯示了良好的表面鈍化效果和接觸特性。Pa

11、ssDop技術(shù)采用成熟的激光摻雜技術(shù)在形成背面局部接觸窗口的同時(shí)形成局部重?fù)?，在不額外增加工藝步驟的情況下實(shí)現(xiàn)了PERL電池結(jié)構(gòu)，是一種非常有應(yīng)用前景的N型高效電池的技術(shù)。圖6 德國Fraunhofer PassDop技術(shù)PERL電池結(jié)構(gòu)示意圖abcd圖7 PassDop激光摻雜示意圖(a)基體硅背面（b）沉積磷摻雜的a-SiCx鈍化層（c）激光開槽形成局部重?fù)?d)沉積Al背電極 日本三菱電機(jī)的n-PERL電池則采用雙面受光型結(jié)構(gòu)，在156*156mm2大面積單晶硅片上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率21.3%（Jsc= 39.8mA/ cm2，Voc = 677mV，F(xiàn)F = 80.5%），電池結(jié)構(gòu)如圖8所示

12、。其正面發(fā)射結(jié)利用APCVD的方法沉積硼硅玻璃后經(jīng)熱擴(kuò)散形成P型發(fā)散結(jié)，再采用ALD沉積Al2O3鈍化p+發(fā)射結(jié)以降低表面復(fù)合速率。與Fraunhofer的N型PERL電池背面結(jié)構(gòu)不同的是，除了在電極下局部重?fù)叫纬蒐BSF，以有效地降低背面接觸位置的復(fù)合速率及接觸電阻外，其背面局部接觸之間通過擴(kuò)散形成一層均勻的N型摻雜層，可有效降低由于N型材料相對較高的體電阻率所引起的電阻損耗。背面柵狀電極通過精準(zhǔn)對位準(zhǔn)確覆蓋于局部重?fù)絽^(qū)域形成雙面受光電池結(jié)構(gòu)。此電池結(jié)構(gòu)兼具PERT和PERL電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但因引入多步摻雜工藝而額外增加了工藝復(fù)雜度及制造成本而未被廣泛采用。圖8 日本三菱電機(jī)PERL電池結(jié)構(gòu)

13、示意圖3.2 N-PERT電池PERT電池是發(fā)射結(jié)鈍化全背場擴(kuò)散電池（Passivated Emitter Rear Totally-diffused），其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是背表面擴(kuò)散全覆蓋以降低電池的背面接觸電阻和復(fù)合速率。背面全背場擴(kuò)散可以通過不同的工藝方式實(shí)現(xiàn)，主要包括管式擴(kuò)散，外延生長法，離子注入法等。英利公司PANDA電池是采用雙面受光型PERT結(jié)構(gòu)的大面積電池（239cm2），并且已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，最高轉(zhuǎn)化效率為20.76%（Voc=650.3 mV，Jsc = 39.6mA/ cm2，F(xiàn)F= 80.63%），電池結(jié)構(gòu)如圖9所示17。其在普通化學(xué)制絨的N型Si片上，通過硼磷管式共擴(kuò)散制備正面P型

14、發(fā)射結(jié)和N型背面，然后通過PECVD技術(shù)在前后表面制備鈍化層和減反膜，正反面電極使用常規(guī)絲網(wǎng)印刷工藝完成。PANDA電池雙面發(fā)電的設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)接受從正面和背面進(jìn)入電池的光線從而實(shí)現(xiàn)雙面發(fā)電的功能；正面采用細(xì)密柵線的設(shè)計(jì)，減少了遮光面積，提高了電池的短路電流。與規(guī)?；a(chǎn)的IBC、HIT等N型電池相比，其結(jié)構(gòu)簡單、制備成本低、工藝流程短，與現(xiàn)有的P型生產(chǎn)線相兼容，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。圖9 英利公司PANDA電池結(jié)構(gòu)示意圖比利時(shí)IMEC n-PERT電池是背結(jié)型大面積電池（225cm2），轉(zhuǎn)化效率達(dá)21.51%（Voc=675.9 mV，Jsc = 39.35mA/ cm2，F(xiàn)F = 80.9%

15、），電池結(jié)構(gòu)如圖10所示。正面為N型前表面場，背面為通過外延法生長的P型晶硅背發(fā)射結(jié)，再用ALD法生長Al2O3鈍化層鈍化背面。外延法生長背面P型發(fā)射結(jié)技術(shù)目前仍然處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，其量產(chǎn)可能性還有待驗(yàn)證。圖10 IMEC PERT電池結(jié)構(gòu)示意圖為了進(jìn)一步降低背面復(fù)合速率實(shí)現(xiàn)背面整體鈍化，并去除背面開膜工藝，鈍化接觸技術(shù)近年來成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。德國Fraunhofer開發(fā)的Topcon（Tunnel Oxide Passivated Contact）18技術(shù)在小面積電池（4cm2）上實(shí)現(xiàn)25.1%的轉(zhuǎn)化效率（Voc=718 mV，Jsc = 42.1mA/ cm2，F(xiàn)F = 83.2%），電

16、池結(jié)構(gòu)如圖11所示。正面采用選擇性發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)，方塊電阻達(dá)150ohm/sq，并采用Al2O3/SiNx進(jìn)行表面鈍化和減反射以降低表面復(fù)合速率和反射率。背面首先在電池背面采用濕化學(xué)方法制備一層超薄SiO2，厚度約12nm，然后再沉積一層20nm厚的磷摻雜非晶硅層，經(jīng)過高溫退火后形成摻雜多晶硅，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，最后通過PVD的方法形成全背面金屬接觸。背面TopCon結(jié)構(gòu)的隧穿效應(yīng)示意圖如圖12所示，12nm厚的化學(xué)SiO2隧穿氧化層具有很好的選擇性，允許多子電子穿越同時(shí)阻擋少子空穴的復(fù)合，由于采用晶化處理，此鈍化結(jié)構(gòu)具有很好的熱穩(wěn)定性。Topcon全接觸鈍化結(jié)合全金屬電極的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，克服

17、了PERL電池結(jié)構(gòu)由于局部開孔對載流子傳輸路徑的限制，實(shí)現(xiàn)了最短的電流傳輸路徑，將傳輸電阻損失降低為零，根本上消除了電流橫向傳輸引起的損失。相比較于PERL電池結(jié)構(gòu)，TopCon結(jié)構(gòu)無須背面開孔和對準(zhǔn)，也無須額外增加局部摻雜工藝，極大地簡化了電池生產(chǎn)工藝，同時(shí)摻雜多晶硅層良好地鈍化特性以及背面金屬全接觸結(jié)構(gòu)具有進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率的空間，或可成為下一代產(chǎn)業(yè)化N型高效電池的切入點(diǎn)。圖11 德國FraunhoferTopcon技術(shù)PERT電池結(jié)構(gòu)示意圖圖12TopCon結(jié)構(gòu)的隧穿效應(yīng)示意圖3.3 N-PERT/PERL電池的研究和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀N-PERT/PERL電池由于比較大的效率提升潛力，相對比較

18、簡單的電池結(jié)構(gòu)，且與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)比較好的兼容性，成為近些年行業(yè)研究的熱點(diǎn)，不同國家不同機(jī)構(gòu)的研究人員開展了大量富有成效的工作。表2匯總了N-PERT/PERL電池的實(shí)驗(yàn)室研究水平和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，其中中國英利公司與ECN合作開發(fā)的PANDA雙面電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，并充分利用了原有電池線的生產(chǎn)設(shè)備；韓國LG公司利用離子注入工藝和絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的電池效率達(dá)到21.522%，是比較高的量產(chǎn)效率。需要特別指出的是德國Fraunhofer利用Topcon技術(shù)制備的n-PERT電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)25.1%，是非常值得產(chǎn)業(yè)界期待的技術(shù)路線。表2N-PERT/PERL電池研究和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀匯總3.4IBC電池叉

19、指狀背接觸電池IBC（Interdigitated Back Contact）最早是由Schwartz和Lammertz在1975年提出來的19，它將pn結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以叉指形狀全部做在電池背面，完全消除了前表面柵線的遮光，同時(shí)無須考慮前表面減反射結(jié)構(gòu)對電極接觸的影響，為前表面陷光結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)更低反射率提供了更大的優(yōu)化空間和潛力。全背面電極由于不用考慮對電池光學(xué)方面的影響，設(shè)計(jì)時(shí)可以更加專注于電池電性能的提高。IBC電池的核心問題使如何在電池背面制備出質(zhì)量較好、成叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)。傳統(tǒng)的技術(shù)路線是液態(tài)硼擴(kuò)散和光刻技術(shù)20，但需要高溫工藝，且均勻性較差；為避免多步光刻及擴(kuò)散工

20、藝所帶來的復(fù)雜操作，可在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴(kuò)散掩膜層，掩膜層上的硼經(jīng)擴(kuò)散后進(jìn)入N型襯底形成p+區(qū)，而未印刷掩膜層的區(qū)域，經(jīng)磷擴(kuò)散后形成n+區(qū)。另外，使用離子注入技術(shù)21可獲得均勻性好、結(jié)深精確可控的p區(qū)和n區(qū)，具有很好的發(fā)展前景，但成本較高，尚未產(chǎn)業(yè)化。美國SUNPOWER公司IBC電池已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，電池結(jié)構(gòu)如圖13所示22，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%（Voc=706mV，Jsc =42.1mA/ cm2，F(xiàn)F=82.8%），量產(chǎn)平均效率達(dá)23%。其電池前表面通過金字塔結(jié)構(gòu)及減反膜來提高電池的陷光效應(yīng)。電池的背表面由硼擴(kuò)散p+區(qū)域和磷擴(kuò)散n+區(qū)域呈指狀交叉分布，正反表面均覆蓋SiO2鈍

21、化膜，降到了表面復(fù)合并增加了長波響應(yīng)，從而提高了開路電壓。在前表面的鈍化層下進(jìn)行淺磷擴(kuò)散以形成n+前表面場，提高短波響應(yīng)。P型和N型金屬電極通過絲網(wǎng)印刷方式實(shí)現(xiàn)，透過SiO2介質(zhì)膜上的孔槽與Si襯底實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，減少了金屬電極與硅片的接觸面積，進(jìn)一步降低了電極表面的復(fù)合，提高了開路電壓。但是，IBC電池制程工藝復(fù)雜，多次使用掩膜、光刻等半導(dǎo)體技術(shù)，成本幾乎為常規(guī)電池的兩倍，因此如何簡化工藝，開發(fā)低成本的IBC技術(shù)并推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。圖13 美國SUNPOWER公司IBC電池結(jié)構(gòu)示意圖表3匯總了IBC電池部分機(jī)構(gòu)&公司研究現(xiàn)狀，電池效率普遍在22%以上，美國Sunpower公司

22、IBC電池已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)25%。天合公司的大面積IBC電池，簡化了工藝流程，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.9%，通過工藝優(yōu)化預(yù)計(jì)可達(dá)到23.8%。另外，天合與澳大利亞國立大學(xué)（ANU）共同研發(fā)的小面積電池效率達(dá)24.37%。顯示了IBC電池在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢及強(qiáng)大發(fā)展?jié)摿?。? IBC電池研究現(xiàn)狀匯總3.5HIT電池HIT電池正面首先沉積很薄的本征非晶硅層作為表面鈍化層，然后沉積硼摻雜的p+型非晶硅層，兩者共同構(gòu)成正面空穴傳輸層。沉積后硅片靠近表面由于能帶彎曲，阻擋了電子向正面的移動。相反對空穴而言，由于本征層很薄，空穴可以隧穿后通過高摻雜的p+型非晶硅。在背面同樣沉積本征非晶硅薄膜和摻磷的

23、n+非晶硅層，同樣由于能帶彎曲，阻擋了空穴向背面的移動，而電子可以隧穿，兩者共同構(gòu)成了電子傳輸層。通過在電池正反兩面沉積選擇性傳輸層，使得光生載流子只能在吸收材料中產(chǎn)生富集然后從電池的一個(gè)表面流出，從而實(shí)現(xiàn)兩者的分離23。1992年三洋公司的MakotoTanaka和Mikio Taguchi第一次成功制備了HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）電池24。HIT電池結(jié)構(gòu)簡單，其中間襯底為N型晶體硅，通過PECVD方法在P型a-Si和c-Si之間插入一層10nm厚的i-a-Si本征非晶硅，在形成pn結(jié)的同時(shí)本征a-Si:H具有很好的鈍化晶體硅表

24、面缺陷的作用，極大地降低了晶體硅的表面復(fù)合，復(fù)合速率可降至3cm/s25，確保了電池很高的開路電壓。電池背面為20nm厚的本征a-Si:H和N型a-Si:H層，在鈍化表面的同時(shí)可以形成背表面場。由于非晶硅的導(dǎo)電性較差，因此在電池兩側(cè)利用磁控濺射技術(shù)濺射TCO膜進(jìn)行橫向?qū)щ?，最后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成雙面電極，使得HIT電池有著對稱雙面電池結(jié)構(gòu)，一定程度上減少了電池的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，并允許薄硅片的使用，同時(shí)電池背面可以利用地面的反射光發(fā)電，提高了發(fā)電量。整個(gè)制備過程都是在低于200下進(jìn)行的，可避免高溫工藝對硅片的損傷。并且，N型HIT電池沒有光致衰減效應(yīng)，且溫度穩(wěn)定好，溫度系數(shù)僅為-0.25%/

25、C,即使在戶外高溫度條件下工作，仍能表現(xiàn)出很好的輸出特性26。日本Panasonic公司于2009年收購三洋公司后，繼續(xù)HIT電池的開發(fā)，其電池結(jié)構(gòu)如圖14所示，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.7%（Voc=750mV，Jsc = 39.5mA/cm2，F(xiàn)F=83.2%），量產(chǎn)平均效率達(dá)22.5%。圖14 日本Panasonic公司的HIT電池結(jié)構(gòu)示意圖表4匯總了HIT電池部分機(jī)構(gòu)&公司研究現(xiàn)狀，電池效率普遍在22%以上，顯示了HIT電池在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢及發(fā)展?jié)摿?。需要特別指出的是，美國Silevo利用隧穿氧化鈍化層制備大面積HIT電池效率達(dá)23.1%，非常具有大規(guī)模量產(chǎn)的前景。表4 HIT電池研究

26、現(xiàn)狀匯總HIT電池雖然發(fā)展迅速，但是仍然存在許多問題，一定程度上限制了其大規(guī)模量產(chǎn)。首先其生產(chǎn)過程中的每一步工藝要求都非常嚴(yán)格，比如由于非晶硅薄膜生長對表面質(zhì)量要求很高，所以對前道晶硅的表面清潔凈化技術(shù)提出非常高的要求。其次，非晶硅薄膜無法承受較高溫度的后續(xù)工藝，后道必須使用高成本低溫工藝和材料。另外，TCO薄膜成本較高，且產(chǎn)量有限。所以在保證高效的情況下，大規(guī)模的量產(chǎn)還需要進(jìn)一步的研究。到目前為止，只有panasonic公司的HIT電池成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但其對HIT電池的相關(guān)參數(shù)以及制備過程無詳細(xì)報(bào)道，而世界各地的科研小組至今沒有能達(dá)到或重復(fù)其實(shí)驗(yàn)效果。大規(guī)模量產(chǎn)方面，據(jù)報(bào)道日本松下（Pan

27、asonic）現(xiàn)有HIT產(chǎn)能共1GW，160MW為一條產(chǎn)線。電池量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率約為22.5%，馬來西亞工廠HIT組件成本約為0.7美元/瓦。所有硅片電池均為125mm125mm，主要原因是薄片化（初始硅片厚度150m，制成電池后厚度為110m），如果采用156mm156mm硅片在絲網(wǎng)印刷段容易碎片。最早投入使用的HIT組件至今大約11年，累計(jì)衰減僅為2%3%。另外，Solarcity收購Silevo ,計(jì)劃在美國建設(shè)1GW HIT電池工廠。歐洲聯(lián)合研究中心最近公布“MW級先進(jìn)光伏制造工廠計(jì)劃（X-GWp)，核心目標(biāo)是推動新型高效（22-25%）HIT電池的量產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2017年建設(shè)產(chǎn)能1GW的工

28、廠。3.6HBC電池日本Panasonic公司的HBC電池（Hetero-junction Back Contact）是將HIT技術(shù)運(yùn)用于IBC結(jié)構(gòu)的電池。其電池結(jié)構(gòu)如圖所示8，創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率25.6%的世界紀(jì)錄(Voc=740mV，Jsc=41.8mA/cm2, FF=82.7%)。HBC電池與HIT電池相比最大的特點(diǎn)是前表面沒有柵線電極，極大降低了柵線對太陽光的遮擋損失,確保了電池高的Isc。其正面先生長“一個(gè)鈍化效果非常好的鈍化層”鈍化表面，再沉積SiNx減反膜降低反射率。背面先沉積一層本征a-Si:H，再沉積呈指狀交叉分布N型a-Si:H層和P型a-Si:H層，非晶硅薄層極好

29、地鈍化效果確保了電池的高開路電壓，最后用電鍍工藝制備背面的正負(fù)電極，由于不用考慮對電池光學(xué)方面的影響，電極設(shè)計(jì)時(shí)可以更加專注于電池電性能的提高，確保了電池高的填充因子。圖15 日本Panasonic公司的HBC電池結(jié)構(gòu)示意圖4.總結(jié)本文重點(diǎn)介紹了幾種N型高效單晶電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研發(fā)現(xiàn)狀。與傳統(tǒng)的P型晶硅電池相比，N型晶硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等天然優(yōu)勢，具有更大的效率提升空間和潛力，是高效電池技術(shù)路線的必然選擇，而且隨著電池新技術(shù)的引入，N型晶硅電池的效率優(yōu)勢會越來越明顯。德國Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室PassDop技術(shù)的N-PERL電池和Topcon技術(shù)的N-PERT電池最高效率分

30、別達(dá)到23.2%和25.1%，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。日本Panasonic公司的HBC電池創(chuàng)造了電池效率25.6%的世界紀(jì)錄。而Sunpower公司的IBC電池和Panasonic公司的HIT電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，平均效率達(dá)到22%以上。不斷追求效率提升和成本降低，是光伏行業(yè)永恒的主題。隨著市場對效率和品質(zhì)的要求越來越高，單晶N型電池由于自身的天然優(yōu)勢，必然會成為市場的追逐的方向。N型單晶電池將是未來幾年高效電池產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)技術(shù)，其市場份額在可預(yù)見的未來必將會有重大突破，甚至成為主流。參考文獻(xiàn)1 SmithKD, Gummel HK, et.al. The solar cells and t

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