n型si太陽電池在光儲層中的應(yīng)用

n型si太陽電池在光儲層中的應(yīng)用

0新型n型si太陽電池及組件晶體硅太陽電池具有效率高、施工穩(wěn)定、壽命長的優(yōu)點，占2011年全球照明市場的88%。其中,90%以上的晶體硅太陽電池是由硼摻雜P型Si制成的。然而,P型Si太陽電池在光照下會出現(xiàn)大的效率初始衰減。主要原因是摻入硼原子的P型Si襯底中的硼原子與硅片中的氧原子相結(jié)合產(chǎn)生硼氧對,這種硼氧對起到載流子陷阱的作用,使少數(shù)載流子壽命降低,從而導(dǎo)致電池效率的光致衰減。磷摻雜N型Si材料中硼含量極低,所以由硼氧對導(dǎo)致的光致衰減可忽略。此外N型Si對某些金屬雜質(zhì)的敏感性低(如鐵等),在相同的雜質(zhì)濃度下,N型Si比P型Si有更高的少數(shù)載流子壽命。這些特性使N型Si電池具有長壽命和高效率的特點,吸引全球頂尖的光伏研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)均對其進(jìn)行研發(fā)。其中,美國Sunpower公司研發(fā)了交指式背接觸(InterdigitatedBackContact,稱為IBC結(jié)構(gòu))N-Si太陽電池。2010年宣布在面積155.1cm2的CzN-Si片上,實驗室最好電池效率達(dá)到24.2%,是目前報道的效率最高的N型Si太陽電池。2011年日本三洋公司宣布研發(fā)的被稱為HIT結(jié)構(gòu)非晶Si/N-Si異質(zhì)結(jié)電池,在面積為100.7cm2的CzN型Si片上,效率為23.7%。2010年德國弗朗霍夫太陽能研究所研發(fā)的PERL結(jié)構(gòu)N-Si太陽電池,在小面積(4cm2)的FzN-Si片上,電池的效率達(dá)到23.9%。盡管HIT、IBC和PERL等結(jié)構(gòu)的N-S太陽電池具有較高效率,但由于在制備過程與目前的P-Si太陽電池的制備工藝不兼容,導(dǎo)致制備成本偏高。因此研發(fā)一種可與P-Si太陽電池生產(chǎn)相兼容,且具有低成本高效率優(yōu)勢的N-Si太陽電池結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)對快速降低光伏發(fā)電成本達(dá)到平價上網(wǎng)具有十分重要的意義。本文研發(fā)了雙面發(fā)電前表面硼發(fā)射極高效率N型Si太陽電池及組件(被命名為PANDA“熊貓”技術(shù)),目前已大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),成為繼美國Sunpower公司和日本三洋公司之后第3個能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的N-Si電池和組件。該電池具有與普通P型Si電池相同的結(jié)構(gòu)。制備過程采用堿制絨N型單晶Si片,通過硼磷共擴(kuò)散在前表面形成硼摻雜P+發(fā)射極以及在背面形成磷摻雜N+背面場。PECVD技術(shù)在前后表面制備鈍化和減反射薄膜,雙面絲網(wǎng)印刷金屬柵線完成電極的制備。該電池具有高效率、低成本和雙面發(fā)電的特點。1電池的制備和分析方法雙面發(fā)電前表面硼發(fā)射極N-Si太陽電池采用自產(chǎn)(100)晶向、電阻率1.5~3.5Ω·cm,156mm×156mm準(zhǔn)方形硅片(面積約239cm2)N型Cz單晶硅片為襯底,硅片厚度為180μm。首先采用常規(guī)的氫氧化鉀、異丙醇和硅酸鈉堿制絨工藝將硅片表面腐蝕形成隨機(jī)金字塔結(jié)構(gòu)。硅片具有良好的絨面結(jié)構(gòu),波長900nm光反射率低于9%。采用管式擴(kuò)散爐用BBr3作為發(fā)射極的摻雜源、POCl3作為磷背場摻雜源,制備了方塊電阻為65Ω/□的發(fā)射極。本研究通過優(yōu)化裝片方式和通源氣體的工藝參數(shù),把P/B相互污染的影響降至最小。實驗表明共擴(kuò)散后,正面硼發(fā)射極和背面磷背場方塊電阻的均勻性分別控制在5%和2%,達(dá)到電池工藝參數(shù)的要求。PECVD薄膜淀積技術(shù)在電池的正面和背面沉積氮化硅層,對表面進(jìn)行鈍化和作為減反射膜。通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在電池前面和背面印刷銀柵線電極,電極在發(fā)射極和背場上的歐姆接觸通過燒結(jié)爐一步共燒結(jié)實現(xiàn)。圖1所示為N-Si太陽電池的制備流程。電池的方塊電阻用四探針測試儀進(jìn)行測量,SemilabWT-2000多功能半導(dǎo)體掃描測試儀用來測量硅片的少數(shù)載流子壽命。電池特性使用Halm太陽模擬器進(jìn)行測量,組件特性由Endeas3A級太陽模擬器測量。太陽電池和組件測量過程中使用的太陽模擬器由德國弗朗霍夫太陽能研究所校準(zhǔn)的N-Si標(biāo)準(zhǔn)電池和組件進(jìn)行校準(zhǔn)。電池和組件在標(biāo)準(zhǔn)條件(STC)下測量,其光輻照強度為1000W/m2,環(huán)境溫度25℃,大氣質(zhì)量AM1.5。2結(jié)果與分析2.1于俄歇復(fù)合的光學(xué)特性圖2所示為N-Si電池的結(jié)構(gòu)。從圖2看出電池發(fā)射極位于電池之前,與普通的P型硅電池具有相同的電池結(jié)構(gòu)。在制備工藝上,采用硼擴(kuò)散摻雜制備發(fā)射極,磷擴(kuò)散摻雜制備N+背場。由于N+磷背場代替常規(guī)P型硅電池用鋁漿印刷技術(shù)形成的P+鋁背場,同時背面電極也采用與前面電極相同的柵線結(jié)構(gòu),使電池前后表面都能吸收光。因此本項研究中的N-Si電池是一種雙面電池,從而提高了電池的單位面積發(fā)電量。由于俄歇復(fù)合主要發(fā)生在發(fā)射極摻雜層,并與摻雜濃度的平方成正比,為降低俄歇復(fù)合的影響N-Si電池采用淺結(jié)高方阻的前表面發(fā)射極的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅能克服背面發(fā)射極結(jié)構(gòu)N型Si電池(如IBC結(jié)構(gòu)和PERT電池結(jié)構(gòu)電池)要求N-Si的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度遠(yuǎn)大于Si片厚度的缺點,且能有效降低常規(guī)晶體硅電池發(fā)射極“死層”的影響,提高太陽電池對藍(lán)光的光譜響應(yīng)。圖3給出了N-Si電池的量子效率(EQE)曲線?？煽闯?電池具有優(yōu)異的藍(lán)光響應(yīng)。在400nm波長EQE值達(dá)到75%,與通常采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)電池EQE值相當(dāng)。這是由于電池正面良好的表面鈍化效果及采用淺結(jié)和高方阻結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果,從而降低了前表面的復(fù)合速度,使該區(qū)域光生載流子收集率增加。同時電池在長波長也表現(xiàn)出良好的特性。在1000nm波長量子效率達(dá)81%,表明背面良好背場結(jié)構(gòu)和鈍化導(dǎo)致了低的背表面復(fù)合速率。圖4為目前實驗室最好的光從正面照射時N-Si電池I-V特性曲線?？煽闯?該電池的Voc為649.3mV,Jsc為38.8mA/cm2,FF為79.68%,效率為20.08%。較高的FF表明電池有較低的電極電阻及良好歐姆接觸確保了獲得高的填充因子。當(dāng)光從電池背面照射時,由于背面光生電子-空穴對擴(kuò)散到正面P-N結(jié)需貫穿整個硅片的距離,導(dǎo)致體復(fù)合損失較大,因此效率將降低1.5%。2.2組件特性比較高效率N型Si電池已被用于制備和研究N-Si電池組件。60片N-Si電池經(jīng)串焊接、敷設(shè)、中間EL測試、層壓、裝框和裝接線盒工藝制成高效率光伏組件。本項研究的組件具有兩種發(fā)電模式,即單面發(fā)電和雙面發(fā)電。對于單面發(fā)電組件,組件背面采用高反射率的非透明背板封裝,光從組件的正面入射,穿透電池的長波長光能通過背板的反射二次進(jìn)入電池,從而提高發(fā)電量。對于雙面發(fā)電組件,組件采用透明背板(或雙玻璃)材料封裝,光從組件的正面和背面同時進(jìn)入電池,由于雙面接受光子,從而提高了組件的發(fā)電量。戶外實驗表明,組件安裝在反射較好的白色地面上,雙面電池組件比常規(guī)組件的發(fā)電量高約15%。根據(jù)IEC61215標(biāo)準(zhǔn),研究了N型Si組件特性,包括組件輸出功率的初始光誘導(dǎo)衰減(LID)特性、溫度系數(shù)特性及弱光發(fā)電特性,同時與常規(guī)的P型多晶硅組件的特性進(jìn)行比較。圖5給出了N-Si組件輸出功率的初始衰減特性與常規(guī)P型硅組件比較?？煽闯?常規(guī)P型硅組件的LID約為1.4%,而N型硅組件的LID約為0.1%,可忽略不計。這是由于Si襯底中硼氧對的濃度極低,在光照下不會引起少數(shù)載流子壽命降低,電池效率的LID衰減幾乎為零。表1給出了N-Si組件的溫度系數(shù)與常規(guī)P-Si組件特性的比較。從表1看出,N-Si組件的峰值功率、開路電壓及峰值功率電壓隨著溫度的升高而減小。這主要由于晶體硅電池的反向飽和電流隨溫度的升高呈指數(shù)增大,從而導(dǎo)致開路電壓的降低。比較N-Si組件與常規(guī)P-Si組件峰值功率、開路電壓及峰值功率電壓的溫度系數(shù)發(fā)現(xiàn),N-Si組件溫度系數(shù)均比常規(guī)P-Si硅組件低6%~9%。這表明在相同的環(huán)境溫度下N-Si組件比常規(guī)的P-Si組件能多發(fā)電6%以上。圖6給出了N型Si組件相對效率(即弱光下組件效率/STC組件效率)隨入射光強度的變化曲線,同時也給出了與常規(guī)P型Si組件特性的比較。從圖6可看出,N型Si電池組件在弱光下表現(xiàn)出比常規(guī)P型Si組件更優(yōu)異的發(fā)電特性。在200W/m2的弱光輻照下,N型Si組件的效率僅下降了2.8%,而常規(guī)P型Si組件效率下降了5.2%,隨著光強的增加兩種組件的效率下降差距逐漸變小。這是由于N型Si中的少數(shù)載流子空穴的俘獲截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于P型Si中的少數(shù)載流子電子的俘獲截面,從而降低了電池內(nèi)肖克萊-里德-霍爾(SRH)復(fù)合速率,提高了電池效率。3光伏組件的初始功率衰減研究了雙面發(fā)電前表面硼發(fā)射極高效率N型S