58背面-钝化的晶体硅太阳电池关键理论和

-1-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28背面钝化的晶体硅太阳电池关键理论和工艺陈达明、梁宗存、沈辉中山大学太阳能系统研究所-2-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28主要内容•1.引言•2.太阳电池表面钝化技术•3.介质膜/金属背面光学反射性能•4.去背结技术•5.低成本介质膜开孔技术•6.背面局域接触电极的制备•7.电池结构优化方法•8.背面钝化的晶体硅太阳电池研发进展-3-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/281.引言太阳电池前表面技术选择性发射极、新型前栅线金属化、新型表面绒面。Eff18%太阳电池背表面技术背面钝化、背面光学反射、局域电极接触Eff？%-4-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/282太阳电池表面钝化技术•2.1热氧化OxidationAluminumAnnealingFormingGasAnnealing表面复合速率S10cm/s耗时，耗能，环境要求严格-5-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•2.1PECVDSiNx:H钝化•温度低300-450℃•速度快、大规模量产•在p型Fz硅片上获得10cm/s的表面复合速率。•缺点：固有的正束缚电荷(1×1011-5×1012cm-2)限制了其在p型基底上的应用。•一般采用薄SiO2(10nm)/SiNx:H结构来钝化p型硅表面J.Schmidt,M.Kerr.solarenergymaterial&solarcells,65(2001)585-591.-6-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•2.3ALD(atomlayerdeposition)Al2O3钝化•负的束缚电荷(1012-1013cm-2),特别适合于p型硅片表面的钝化；•G.Agostinelli等人在2Ωcm的Cz硅片上采用ALD方式制备Al2O3，表面复合速率低于10cm/s•芬兰Beneq、英国OxfordInstrumentsG.Agostinelli,A.Delabie,P.Vitanov,etal.Solarenergymaterials&solarcells90(2006)3438-3443.-7-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•2.4a-SiCx薄膜钝化•热稳定能良好•PECVDa-SiCx钝化1Ωcmp型Fz硅获得了5cm/s的复合速率S.W.Glunz,S.Janz,M.Hofmann,T.Roth,andG.Willeke,4thWCPEC,2006,pp.1016-1019.-8-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•2.5叠层薄膜钝化SiO/SiN/SiO(ONO)叠层钝化膜表面复合速率S30cm/s850℃快速烧结3s后表面复和速率60cm/sM.Hofmann,S.J.,ChristianSchmidt,etal.Solarenergymaterials&solarcells,93(2009)1074-1078.-9-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/283介质膜/金属的背面光学反射性能-10-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28电池类型Rback(%)Jgen(mA/cm2)PERL94.542.16PERC95.042.18LFC95.542.23背面蒸发铝83.041.61硼背场+蒸发铝71.041.14丝网印刷铝65.041.08M.Hermle,E.Schneiderlöchner,G.Grupp,etal.20thEuropeanphotovoltaicsolarenergyconferenceandexhibition,6-10.Jan2005,Barcelona.-11-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/283．去背结技术去背结方法平均背面粗糙度Ra(μm)内背反射率R(%)表面复合速率Seff(cm/s)开路电压Voc(V)效率eff(%)短时间KOH腐蚀0.7092386.860015.3长时间KOH腐蚀0.4293254.860115.3HF/HNO3+短时间KOH腐蚀0.6493427.8HF/HNO31.2891258.560515.5SF6等离子体1.4389199.561016.2CF4等离子体1.61893758.4.59316.4机械抛光0.1793223.9J.Rentsch,L.Gautero,A.Lemke,etal.23thEuropeanphotovoltaicsolarenergyconferenceandexhibition,1-5September2008,Valencia,Spain.-12-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/284低成本介质膜开孔技术•4.1激光开孔技术SiNxlayerSiOxlayera)λ=1064nmb)λ=532nmc)λ=355nmd)femtosecondlaserwithλ=785nma)λ=1064nm,b)λ=532nmandc)λ=355nm.-13-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28Nd:YAGlasersExcimerlaser(λ=248nm)(λ=355-1064nm)K.Neckermann,S.A.G.D.Correia,G.Andrä,etal.22thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConference,Milan,Italy(2007)-14-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•4.2腐蚀浆料开孔技术Merck公司开发出了一款含磷酸根的浆料solaretchTMBEM，可以刻蚀SiNx和SiOx薄膜,可丝网印刷K.Neckermann,S.A.G.D.Correia,G.Andrä,etal.22thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConference,Milan,Italy(2007)制备80μm以下的孔径比较困难-15-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•4.3掩模开孔技术耐HF的掩模材料开孔最小线宽~40μm-16-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•4.4喷墨打印直接开孔技术AlisonJ.Lennon,AnitaW.Y.Ho-Baillie,StuartR.Wenham.Solarenergymaterials＆solarcells,93(2009)1865-1874.开孔直径可达到40-50μm-17-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/285背面局域接触电极的制备•5.1LFC局域点电极LFC中心处存在~1μm的Al-Si共晶层J.Nekarda,S.Stumpp,L.Gautero,etal.24thEuropeanphotovoltaicsolarenergyconference,21-25september2009,Hamburg,Germany.-18-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•5.2丝网印刷的局域铝背场V.Meemongkolkiat,K.Nakayashiki,DongSeopKim,etal.4thworldconferenceonphotovoltaicenergyconversion,2006,page:1338-1341.-19-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/286.背面钝化的晶体硅太阳电池结构优化方法-20-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28RAYNSunraysRaysimPC1DDessisSilvacoStructureSimulation-21-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/287背面钝化的晶体硅太阳电池研发进展(1)新南威尔士大学(UNSW)制备的PERL(passivatedemitterrearlocaldiffused)太阳电池，P型单晶硅效率25.0%，采用高纯区熔(FZ)硅片，高温氧化，多次光刻，硼扩散，工艺复杂。MartinA.Green,Prog.Photovolt:Res.Appl.2009;17:183-189-22-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•(2)FraunhoferISE•LBSF/PERL结构的电池•(localbacksurfacefield/passivatedemitterrearlocaldiffused)采用复杂的制备工艺S.W.Glunz,J.Knobloch,etc,.14thEUPVSEC,Barcelona,1997,pp.392-395.-23-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28RP-PERC结构电池Randompyramidpassivatedemitterandrearcell减少了光刻步骤pm:光刻步骤S.W.Glunz,J.Knobloch,etc,.14thEUPVSEC,Barcelona,1997,pp.392-395.-24-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•LFC电池PassivatoinlayerVoc(mV)jsc(Ma/cm2)FF(%)Efficiency(%)SiO267938.681.121.3250μm厚，0.5Ωcm,p型FZ硅片采用光刻和蒸镀技术制备前电极，Ti/Pa/Ag前电极E.Scheiderlochner,R.Preu,etc,.Prog.Photovolt:Res.Appl.2002;10:29-34-25-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•LFC电池加紧工业化的步伐125*125mm2Cz单晶硅~200μm厚M.Hofman,D.erath,etc.23thEUPVSEC,Spain,2008-26-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•L.Gautero等人将上述工艺引用到120μm厚，1-3Ωcm，125*125mm2的Cz硅片上，得到稳定效率为18.0%.L.Gautero,M.Hoffman,etc,.24thEUPVSEC,Hamburg,Germany,2009.采用finelineprinting+LIP制备前电极-27-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28•丝