面向大规模应用的高效晶体硅双面可受光太阳电池的研究

摘要

光伏科技和产业的发展提供给我们一个解决日益增长的能源需求和可持续发展环境要求之间矛盾的方法。晶硅电池由于其技术稳定、工艺成熟，在可预见的未来，仍将会长期占据光伏市场的垄断地位。从整个晶体硅光伏组件生产链：多晶硅-硅片-电池-组件来看，各生产环节的主要技术在没有重大突破的前提下，生产成本很难再大幅度降低。通过提高太阳电池的光电转化效率，可以最直接的降低光伏发电成本。基于传统铝背场的晶硅太阳电池工艺成熟，很难实现转化效率的大幅度提高。双面晶体硅太阳电池采用双面金属栅线结构，电池正反两面可以同时受光发电，从而显著增加了单位面积的电能输出。该电池结构较传统单面铝背场电池结构来说，相当于是间接的、大幅度提高了单位电能输出，达到了单面高效太阳电池发电的效果，继而大幅度的降低了太阳电池每瓦的发电成本。本文通过对以低成本丝网印刷为基础的晶体硅电池技术的理解和研究，设计完成了双面受光太阳电池的制作工艺，并结合太阳电池制作原理，详细分析了该电池结构制作中的扩散、镀膜及表面金属化等核心工艺步骤。
　　 理论研究工作主要集中于双面太阳电池的模型建立。主要包括硅片表面的织构化情况及反射曲线；扩散后表面方块电阻、掺杂浓度，结深；表面钝化后的表面复合速率、有效少子寿命；表面金属化后的接触电阻、栅线情况等。通过双面电池的性能参数的定量模拟，理论上设计双面电池所需达到的主要电性能指标。
　　 基于理论研究的结果，后续的研究工作集中于器件的制作及分析。限制现有晶体硅电池转化效率进一步提高的主要因素是钝化和电池结构中的光吸收利用技术。硼扩散技术则是实现电池效率提高的基础，通过介质膜钝化硼扩散形成的p+层，可以大幅度的降低表面复合速率；同时引入的位于本体硅材料和表面金属之间的介质膜结构(SiNx、SiO2、SiC和Al2O3等)又是非常好的背反射层，提高了电池内部背面光的反射、增加了对光的有效吸收。采用液态源三溴化硼(BBr3)实现硼扩散是最适合于产业化大规模使用的低成本、高质量的工艺技术。相对传统850-900℃的三氯氧磷(POCl3)磷扩散，硼扩散需要更高的扩散温度(900-1050℃)。结深、表面浓度、方块电阻大小和均匀性决定了饱和暗电流密度J0和有效少子寿命，而较低的J0值保证了电池的开路电压Voc(Voc∝ln J0-1)。扩散工艺中的驱入步骤与饱和暗电流密度J0和有效少子寿命τeff有着直接的联系。通过实验，在1020℃的驱入温度条件下，基于n型15Ω.cm和p型2Ω.cm的直拉单晶硅片在双面扩硼后，我们实现了J0值小于150FA/cm2，而少子寿命也达到了375μs(n型15Ω.cm直拉硅片)。然而在开管扩散状态上，即使在最优化炉管内气氛并保证硼扩散的均匀性的条件下依然很难实现批量、密集置片(硅片间距<2cm)扩散。通过运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)软件来模拟管式扩散条件，我们验证了硅片的间距对扩散均匀性的影响关系，并且提出了减压扩散可以实现批量、高均匀性的液态源硼扩散。
　　 在背靠背硼扩散时需要对非扩硼面进行适当的保护，或者在硼扩散结束后对非扩硼面进行处理，祛除可能发生的部分硼绕射，满足该面后续扩磷时表面无残留的要求；同样在后续的背靠背扩磷工艺中同样需要对扩硼面进行保护，避免由于磷、硼交叉掺杂导致的扩硼(p+)面的失效或者漏电。通过研究我们证明了，采用等离子增强气相沉积(PECVD)方式沉积的SiNx膜是最为理想的掩膜层，可以基本上杜绝交叉掺杂，并且简化电池的制作工艺。
　　 等离子增强气相沉积(PECVD)方法生成的SiNx膜直接沉积在扩硼(p+)面上，镀膜所产生的正电荷会影响SiNx膜对扩硼(p+)面的钝化效果。采用原子层沉积(atomic layer deposition)方式生成的Al2O3膜由于其富集的负电荷是最为理想的扩硼(p+)面钝化层，然而目前该技术在产业化生产中实现规模化应用还有很多问题，故目前如何实现等离子增强气相沉积(PECVD)方式完成扩硼(p+)面的钝化膜结构还是重要的研究工作，并且有着直接的应用价值。在我们的研究中已证明了在某些硼扩散条件下，通过高温退火工艺处理的SiNx膜可以基本满足扩硼(p+)面的钝化要求。
　　 丝网印刷是最为成熟的实现晶体硅太阳电池金属化的制造技术。然而在扩硼(p+)面上选择何种浆料，如何通过丝网印刷技术完成电池的金属化至今仍是一个难题，也是限制扩硼技术规模化应用的主要因素之一。我们在实验中选用不同的银浆、银铝浆在扩硼(p+)面上进行金属栅线的印刷和烧结，进行了大量的比对试验。继而进行了扩硼(p+)面的接触电阻Rc、金属栅电阻Rg和电池表面的金属栅遮光面积等的综合比较分析，最终确定了合适的扩硼(p+)面的浆料、表面栅线结构和电池烧结工艺。在电池烧结后，祛除电池表面的金属栅线，通过扫描电子显微镜(SEM)分析，我们发现了不同浆料在烧结工艺后与硅体材料形成的不同的金属-硅合金结构，从而在理论上解释了不同浆料在扩硼(p+)面上形成的接触电阻差异的原因。
　　 通过对丝网印刷技术制作双面晶体硅太阳电池工艺和技术的细致研究，我们最终在电阻率为2Ω.cm的直拉单晶硅材料上，采用丝网印刷技术制造完成了正面转化效率为16.6％、背面转化效率为12.8％、正反面电流密度比(Jsc-rear/Jsc-front)为76.8％的双面电池。背面接受的可见光按照标准光强的20％来算，该双面电池整体输出电能可以比常规的铝背场电池的电能输出提高15.4％。该电池的转化效率为目前国内最高水平，在国际上也处于领先地位，并且相应的电池效率测试也已经得到了美国乔治亚理工大学国家杰出光伏实验室的确认。目前已经采用该工艺技术进行了双面电池的小批量制备，封装了30片串的双面玻璃结构的电池组件，并且测试了该组件的主要电性能参数。
　　 我们的研究成果实现了采用丝网印刷技术规模化制备双面晶体硅太阳电池的目标，指明了今后双面电池制备中进一步提高转化效率的方向，也对相应的设备研发和制造(例如减压扩散炉、Al2O3膜沉积设备、SiO2＼SiNx叠层膜沉积研究、低电阻率银铝浆的研究)提供了理论支持，有着直接的指导意义。