高效低成本的单晶N型太阳电池加工工艺的应用

郎芳

摘要：本文从提升N型太阳能电池发电效率入手，分析了目前N型电池效率损失的原因，通过对其正背面降低复合来提升其转换效率。介绍了单晶N型电池新工艺以提升电池效率，通过采用氧化铝钝化技术和选择性背场技术的结合，使得单晶N型电池的平均效率达到20.5%，从成本方面看相对于传统的N型单晶电池加工工艺有一定的优势。高效率低成本的电池的应用对于日后要开发的小型户用系统有非常积极的帮助，便于有限空间的合理利用。

关键词：高效率 低成本 单晶N型电池 应用

中图分类号： TM615 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）07（b）-0000-00

随着人类社会不断发展和进步，人与自然的矛盾越来越突出。尤其在受到经济危机冲击的今天，能源和环境问题已成为了制约国际社会经济发展的瓶颈，也受到全社会的高度重视。哥本哈根气候会议使大家进一步深切的体会到能源短缺和环境恶化已经成为刻不容缓的问题！寻求低碳经济之路成为当今的必然趋势。太阳能电池的研究与应用越来越受到世界各国广泛的关注。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳辐射光通过半导体转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”。太阳电池加工制作过程不断追求产业化，这就要求电池效率更高，目前，太阳能电池的制作有85%以上采用晶体硅作为材料，其中更多的是P型晶体硅材料电池。P型材料中多晶材料和单晶材料的加工过程多是以化学方式来处理表面，通过扩散制结、对表面进行减反射和钝化处理，再通过背场铝浆印刷和电极制作并烧结完成全部生产过程。N型材料应用相对较少，前期除了英利与荷兰ECN研究所合作开发的技术外，还有松下公司的HIT（Heterojunction with Intrinsic Layers）技术和Sunpower的IBC（Interdigitated Back Contacted）技术，目前实验室效率均高于20%。随着技术的不断应用，目前越来越多的人已经开始增加了对N型基材电池的关注，N型技术的优势有待进一步发展。

1 N型硅材料电池的优势

半导体中有两种载流子，即价带中的空穴和导带中的电子，以电子导电为主的半导体称之为N型半导体，与之相对的，以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。 在N型半导体中，参与导电的主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的施主。凡掺有施主杂质或施主数量多于受主的半导体都是N型半导体。

N型硅材料作为太阳能电池的基材相对于P型材料有几大优势：第一，由于N型材料中只有微量的B掺杂，B-O对的影响会非常小。P型材料中的B-O对使得材料的少子寿命降低，从而使高效率电池的制作受到一定的限制[1]； N型材料对金属杂质例如Fe不像P型材料那么敏感，这就使N型材料对加工过程有了更高的容忍度，利于高效电池的制作[2，3]。第二，由于P型基体B-O对的大量存在和电子对金属极强的复合能力，使得其光致衰减很高；而对于N型基体，由于其掺杂不同，其B-O对比P型要少的多，N型基体的少子为空穴，对金属的复合能力也比P型弱。因此其光致衰减低。总之，相对于P型材料，N型材料的电池效率易做到更高，光致衰减更低。

2 N型硅电池结构及工艺过程简介

英利与荷兰ECN研究所进行合作，从2009年开始进行N型基材新工艺的尝试，其电池结构以N型基材为中心，正面制备硼扩散发射极，背面制备磷扩散的背场，正反两面均采用氮化硅钝化。其工艺流程包括：

1、碱制绒：对硅片表面处理，增加其对于光的吸收

2、磷硼共扩散：形成电池的发射极和背场

3、周边刻蚀：实现边缘的绝缘

4、化学处理：对硅片表面进行处理

5、PECVD：形成硅片正背面的减反射膜

6、金属化：制作金属电极并实现接触

通过碱制绒对表面进行处理，增加光的吸收；利用磷硼共扩散的技术，实现发射极和背场的制备过程；通过刻蚀工艺达到边缘绝缘的目的；经过化学处理对表面进行加工；采用PECVD的方法进行钝化和减反射膜层的制作；金属化工序，完成电池的电极制作并实现良好的接触。目前，英利产线上N型电池的平均效率达到20%以上。

3基于N型基材更高效电池工艺的开发

通过对N型电池基材基础工艺的研究，查找电池的损失机制，我们发现目前的N型基础工艺存在一些问题，主要是电池的正背面复合较为严重，导致电池的光电转换效率得到了制约。由于电池前表面和背表面的损失存在，影响了电池的效率提升。

针对上述情况，我们开发了新型的表面钝化机制，通过增加一层氧化铝膜层，即采用叠层钝化膜的机制，对电池前表面的损失进行补偿。

氧化铝钝化的机理是：氧化铝自身带有固定的负电荷，通过化学钝化与场效应钝化的结合，实现更好的钝化效果。化学钝化可以减少表面缺陷态密度；场效应钝化通过界面处的内建电场减少表面附近少数载流子的浓度。

针对背表面的损失，我们通过一种新型的选择性背场工艺的应用，使得背面的损失降低，从而实现了更高的电池转换效率。其来源有两个方面：一是减少自由载流子的吸收；另一个是增加背表面的钝化效果。

新工艺的工艺流程包括：

1、碱制绒：对硅片表面处理，增加其对于光的吸收

2、磷硼共扩散：形成电池的发射极和背场

3、周边刻蚀：实现边缘的绝缘

4、选择性背场制备：对背表面进行优化处理

5、化学处理：对硅片表面进行处理

6、氧化铝钝化：对前表面增强钝化

7、PECVD：形成硅片正背面的减反射膜

8、金属化：制作金属电极并实现接触

4实验过程和实验结果及电池片的表征

本实验样品是由英利（中国）能源有限公司生产的磷掺杂N型单晶A等硅片，电阻率为0.7-3.0Ω·cm，尺寸为156×156mm，厚度约为200μm的硅片300片，来自整棒的头、中、尾段三个位置，电阻率1-3欧姆*厘米，按照上述的工艺过程进行电池的制作，较单晶正常工艺增加了选择性背场工艺和氧化铝钝化工艺。经过对电池工艺流程的优化，相对于传统工艺而言，开路电压显著增高，短路电流也明显提升，填充因子变化不大。电池的光电转换效率提升了0.5%。

通过新工艺的引入，电池的开路电压达到0.654V以上，短路电流达到9.5A以上，填充因子保证80%以上，电池平均效率为20.5%。

通过对实验片和常规N型工艺的参考片进行光谱响应的对比可以看出，增加了选择性背场工艺和氧化铝工艺后的电池片，其SR曲线能明显看出电池的前表面和背表面的光谱响应增强了，这就从根本上增加了光的吸收，增强了电池的光电转换效率。

5产业化生产

新工艺的采用使得电池效率得到大幅提升，平均效率达到20.5%以上。目前的光伏市场已经慢慢向分布式转化，高效率的组件产品可以合理的利用小面积的空间，光电转换效率达到更高可以使得小型系统的空间得到更大的利用。因此，高效低成本的单晶N型电池的利用必然是今后的一大趋势。

参考文献

[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，许洪华；太阳能光伏发电技术发展状况与趋势分析【J】，中国科技产业，2006.