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      【技術】N型黑硅光伏電池知多少?

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      人氣:-發表時間:2015-11-13 10:24【

      黑硅在很寬的波長范圍內具有反射率低、接受角廣的優點,在太陽能電池領域倍受關注。本文將黑硅制絨工藝應用到N型硅基體上制備成的太陽電池效率高達18.7%。在N型黑硅表面可以制作高濃度硼摻雜的發射極且不影響黑硅表面的光學特性,然后在黑硅發射極表面原子層沉積Al2O3,起到優異的表面鈍化效果。

      1.引言

      黑硅表面有納米級小山峰,反射率很低。通過優化反應離子刻蝕(RIE)工藝的參數來制作黑硅,由于其在很寬的波段范圍內反射率都很低且接受角廣而備受關注。除了RIE還有其他制作黑硅的方法,如激光制絨、金屬催化濕化學刻蝕、等離子體浸沒離子注入等。黑硅在太陽能電池應用中的一個難題是黑硅表面面積增大而導致表面復合速率增大,進而造成短波段的光譜響應變差。黑硅已經被廣泛應用到P型電池上,通過熱氧化和沉積SiNx作為正面鈍化層。但是低反射率的增益無法彌補高表面復合速率的影響,電池效率較低,效率最高可達到18.2%。

      近幾年來,Al2O3被認為是P型、N型、P+表面最有發展潛力的電介質鈍化層。Al2O3的鈍化效果與硅片表面的低缺陷密度和Si/Al2O3接觸面固定負電荷有關。在光伏行業,原子層沉積(ALD)的出現解決了黑硅表面復合速率高的難題,ALDAl2O3對P型黑硅表面具有良好的鈍化效果。

      2.實驗設計

      使用5ΩcmFZN型硅片制作黑硅鈍化發射極背面局部擴散太陽能電池(PERL)。圖1為太陽能電池結構示意圖和制備太陽能電池的工藝流程圖。制備了正面只有Al2O3的黑硅太陽能電池,同時制備了正面具有倒金字塔結構和Al2O3/SiNx鈍化層的電池作對照組。對照組電池和黑硅太陽能電池唯一的不同是正面的倒金字塔結構和等離子體加強化學氣相沉積(PECVD)的65nm厚的SiNx層。首先在硅片表面制作氧化層掩膜留出2*2cm2的窗口。通過RIE使用SF6/O2在120℃條件下刻蝕硅片窗口位置7分鐘制作黑硅。圖2a顯示了黑硅表面隨機納米級小山峰的平均高度和寬度為1um和200nm。在890℃、910℃、930℃三個條件下BBr3擴散形成硼發射極。黑硅表面等離子輔助原子層沉積(PA-ALD)10nm厚的Al2O3,背面通過PassDop工藝進行鈍化。PassDop工藝包括PECVD沉積磷摻雜非晶SiCx:H層,在鈍化層表面激光開槽形成接觸點。激光開槽后,在接觸點位置磷擴散形成局部背表面場。在硅片背面烝鍍鋁形成背面金屬化,然后在425℃條件下退火15min激活Al2O3鈍化層。硅片正面光刻后烝鍍Ti/Pd/Ag并電鍍Ag加厚電極形成正面接觸電極。

      圖1.N型黑硅太陽能電池結構示意圖和電池制作工藝主要步驟

      圖2.(a)通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的黑硅表面。(b)910℃擴散發射極、硼玻璃去除、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線和具有倒金字塔絨面結構且沉積Al2O3/SiNx后對比組硅片的反射率曲線以及通過表面反射率計算出的兩者的光譜加權平均反射率值(Rw)。

       3.實驗結果和討論

        圖2是910℃擴散發射極、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線和具有倒金字塔絨面結構且沉積Al2O3/SiNx后對照組硅片的反射率曲線。在短波區域黑硅反射率比對照組樣品反射率低很多,但在中波區域對照組反射率比黑硅略低。盡管黑硅表面只沉積了Al2O3,通過表面反射率計算出的AM1.5光譜加權反射率比對照組低。

        表1是在標準條件下測試的4cm2區域的電池電性能數據以及虛擬填充數據??梢钥闯鏊袟l件的電池包括對照組開路電壓都很低,在630mV左右。從IQE的曲線對比可以發現所有電池的背面鈍化效果較差,這主要是因為正面Al2O3、背面PassDop鈍化層所適應的退火溫度不同,也就是說高溫適用于Al2O3退火而不適用于PassDop鈍化層退火,以致背面的鈍化效果較差。所有電池短波區域的IQE都很高,說明電池正面的鈍化效果良好。這和我們之前對硼摻雜黑硅表面鈍化效果的研究相吻合,J0e高達51fA/cm2說明N型硅基體P+表面的鈍化效果良好[12]。J0e是使用高注入模型[13]并通過準靜態光電導法(QSSPC,SintonWCT-120)測試發射極均勻的樣品得到的??梢钥闯鰧φ战M的IQE是最高的,黑硅太陽能電池的IQE隨著溫度的升高而降低,優化黑硅太陽能電池的擴散溫度會使其IQE更接近對照組。

        具有倒金字塔結構的對照組電池短路電流密度Jsc最高,大小為39.9mA/cm2。黑硅太陽能電池的Jsc略低且隨溫度的升高而降低。擴散溫度越高,結深和摻雜量會越大,Jsc就會越小,這也可以從IQE曲線上看出來。另一方面黑硅太陽能電池的平均反射率為2-3%,比預期的反射率高,這也是引起黑硅電池Jsc低的原因。但是我們已經研究分析出了造成黑硅電池反射率高的原因,將來通過工藝優化可以解決這個問題。

        所有電池的填充因子FF都很低,其原因有待于進一步的研究。圖4是黑硅電池表面和金屬接觸面的橫截面圖,可以看出金屬沒有滲入到納米小山峰的底部,導致串阻升高。對照組電池的FF也低,這可能與基體電阻率高有關,但還需要做進一步的實驗研究,這是因為其虛擬填充也比預期的低說明FF低不是串阻影響的。通過IV曲線沒有觀察到分流。將來需要進一步優化工藝來提高黑硅電池的效率。

        N型黑硅電池的效率達到了18.7%,這說明黑硅表面結構是一種具有應用潛力的正面絨面結構。最重要的是黑硅正面的納米結構在后續工藝工程(擴散、硼玻璃刻蝕、光刻中抗腐蝕劑應用)中不會被破環。

        要想進一步優化發射極擴散工藝,需要獲得更多關于發射極剖面的信息。這可能需要通過過程模擬來處理,然而剖面測試可能不可行。優化發射極剖面包括表面鈍化效果的優化、金屬化的優化。正面Al2O3和背面PassDop層的退火溫度也需要優化來進一步提高電池效率。

        表1.標準條件下測試的所有電池的電性能數據,以及通過Suns-Voc測試出的各電池的虛擬填充因子。

        圖3.所有電池IQE曲線以及反射率曲線。

        圖4.通過SEM觀察到的黑硅和正面金屬接觸面的圖像,可以看出金屬沒有達到納米級小山峰的底部。

        4.結論

        我們研究證實了原子層沉積Al2O3可以應用到正面高濃度硼摻雜的N型PERL太陽能電池上。黑硅太陽能電池效率最佳可達18.7%。短波區域IQE很高說明硼摻雜黑硅正面PA-ALDAl2O3的鈍化效果良好。研究結果表明:黑硅正面的納米級小山峰結構在后續的工藝處理過程(擴散、硼玻璃刻蝕、光刻中抗腐蝕劑應用)中沒有被破環。對工藝進一步優化可以提高黑硅太陽能電池的轉換效率,例如擴散工藝優化、正面鈍化和金屬接觸優化等。首次嘗試把Al2O3鈍化層引入到N型黑硅太陽能電池中,我們對結果很滿意。 


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