高效晶体硅PERC电池技术研究
发布时间:2015-04-10    编辑:jinrui   
本文摘要:中国科学院微电子研究所研究员
  中国科学院微电子研究所研究员贾锐博士
 
  在做报告之前我先介绍一下微电研究所关于新型高效电池的一些研究。我们现在主要是做异质结电池,是我们用到自己生产的设备,另外一个是背接触电池(IBC),我们研究了将近五年的时间,我们自己不能做大面积,只能做小面积,把重点放在核心工艺和基本物理过程的研究上,我们自测的效率达到20%。我们把异质结和背接触结合,在2012年9月份的时候就做出异质结-背接触(HJ-IBC)电池,到2015年3月份的时候开路电压得到极大的突破。我们这些研究主要是面向未来的高效电池做一些产业化的技术研究和储备。
 
  同时我们也发现,通过高效电池的研究,一些关键技术储备起来,人才团队也建立起来了,而且很多技术,基本上经过五年的研究,对背接触(IBC)和异质结背接触高效电池的全套的核心工艺基本都掌握了,对他的物理机制,特别是物理机制这方面有深入的了解。这是我们做的一些背接触电池的照片,比如3cm×3cm,4cm×4cm,2cm×2cm等等,还有异质结太阳能电池的照片。把背接触IBC技术和异质结HJ这两种技术结合就是异质结背接触电池技术,这样未来的三代技术都有了。这是我们做的背接触电池的一个仿真,比如前表面场的影响,实际上如果表现负荷非常小,开压也做的非常高,但是他的短路电流比较低,但是效率也能够达到20.78%,经过优化效率还可以再往上上。这是我们背接触的一个流程等等。
 
  这是我们正在做的高效电池研究的情况。现在针对这次报告的要求,做一个详细关于高效PERC晶体硅电池的介绍,我们知道PERC电池得到了产业界的极大关注,是未来几年的主打产品。它的主要特点是在光的应用上特别充分,效率得到了提升的主要原因是来自于背面钝化的改善,以及来自于背面钝化膜光的反射,这样效率得到了整体的提高。到2013年-2014年PERC电池已经有许多设备商、制造商和研究机构介入到这里。像史密德他们已经把设备卖到了中国,效率能够做到20.8%;做三氧化二铝的设备,卖给台湾的厂商。
 
  在研究领域,我统计了一下,真正的目前研究主要还是集中在几个实力比较强的企业在做,比如像中电、天合、阿特斯;但是我们大部分的小公司,是没有能力做这样的研究的。但是在中国高校和研究所里统计,几乎没有人做高效PERC晶体硅方面的研究工作;这方面的主要研究也就是科学院的若干个所在做,主要是这些研究跟产业化技术相关,因此很难拿到经费。因为这个地方我也呼吁一下,科技部把给研究所和高校科研经费的口子基本上都关死掉了,目前的研究经费基本上都是来自于国家自然科学基金,而国家自然科学基金钱是远远不够的,最太少。但国外的研究机构还是做的非常好的,德国的ISFH能够做到21.2%,而且可量产型的工业化的技术,我觉得都是非常可取。
 
  在这个领域里德国Manz,发展了一套技术,在硅片背面进行了抛光,抛光以后进行了三氧化二铝和氮化硅的复合钝化,这样就能更好的反射光和更好的钝化。但是实际上除了这两个方面以外,金属化是非常重要的,他用到了几种激光烧结的技术,平常我们要用的激光,要么是1064纳米的,要么是532纳米的激光器,但是这种激光器我们国内包括跟一些厂家合作的时候,往往用激光打出来的点不均匀,造成欧姆接触不好,复合比较大。就是个部位实际上主要是高斯光束形成的,光的分布有一个光强的分布,半峰宽分布这么宽的激光光打在上边,有些部分强的,有些部分是弱的,弱的就形成了强复合这种情况。他们发展了一种技术叫flat-top技术,使这个光更加均匀,这样无论是划的线或者是打出来的孔都非常均匀,那么他做的效率也能达到20.52%,开压也能到656mV,填充因子也是非常高,达到80.3%这样一个程度。
 
  PERC电池要想提升效率,必须知道限制它效率提升的因素。从这个分析上看,他们做了详细的模拟并结合实验进行比对,首先最大的限制是来自于空穴空穴的输运,是非常大的限制因素,这是第一。第二是衬底的复合,衬底的少子寿命如果过低的话,不适合做PERC电池。第三个部分是电极金属化,第四个部分才是背表面复合,第五是前表面的复合。一项一项解决了以后,次要的问题就变成主要的问题。
 
  首先看少子寿命与衬底电阻和效率的关系。我们并不是说,拿一块电池片就适合做PERC电池,那是不对的,他有一个对应的关系的。根据欧洲光伏大会2014年他们做的一些模拟和发表结果来看,实际衬底电阻范围可以由一个非常大的变化,但是(少子)寿命有非常大的变化,我们看到衬底的电阻率越低,越有利于PERC电池效率的提升;少子寿命越高,也有利于PERC效率的提升,也就是说你要达到1欧姆厘米,或者是0.5欧姆厘米。要是达到20%以上的效率,少子寿命最少能够达到50-100微妙以上,这样有利于PERC电池高效的实现,所以PERC电池需要折中考虑少子寿命、电阻率等等。还有更重要的是我们的pitch,我们拿到一个衬底,根据他的少子寿命,实际就是无论打点也好,划线也好,实际上他是有一个优化的范围之内,如果少子寿命非常高的话,而且你的衬底电阻率比较低,效率可以做的非常高。他们通过模拟进行预测这条蓝线是最佳的pitch,但是它是有一个范畴之内的,在范畴之内的pitch数值都是可以的,但这个是最佳的。随着我们衬底的少子寿命比较低,电阻率也比较高的情况下,我们可以看到整个的效率会急剧下降,实际上pitch变化的窗口会非常的小。我们也有一些专家讨论,为什么现在多晶的PERC不多,我了解到多晶的PERC有人在做,因为多晶衬底少子的寿命非常的低,如果衬底少子非常低的话,实际上在这个彻底的电阻率少子寿命还有pitch之间平衡比较困难,这也是到目前为止人们为什么看到单晶的PERC比较多的原因。如果说衬底电阻比较低的情况下,虽然有利于效率提升,但是这里还存在着一个严重光衰的问题,电阻率下来以后,意味着B-O对比较多,这样会造成PERC电池的光衰比较严重,所以整个的制造还是需要材料的情况和自己工艺做一个平衡。
 
  在这个地方,除了衬底的电阻率、少子寿命外,我们还可以到后面激光打点,甚至通过别的手段形成局部的点接触。实际上在局部的背点接触,会形成一个背表面场场,背表面场场它的深度对整个电池的因素,我们先看背表面场,电极接触的部位,如果说是背表面结越深得情况下,实际上无论是填充因子开压还是短路电流,都是有利于整个数值的上升,所以我们希望在做后面背表面场的时候,我们希望把它的结做的深一些,这样才有助于整个效率的提升。这个背表面的掺杂浓度,也是息息相关的,如果提高整个参数开压、短路电流、填充因子、效率等等也都上去了,这个背面的做的好坏对体有影响,如果背面的钝化做的差,对PERC电池,对它的短路电流的影响是巨大的,同时对它的开压也有影响,但是对它的填充并没有多大影响,这两个关键因素下来以后他的效率也就降下来了。所以在背面做的非常好有助于开压表面的提升,但实际上要提高填充因子并不是在背面的钝化角度考虑。可能更多的从背表面场的深度角度考虑,还有掺杂浓度考虑。还有前表面发射极饱和电流,不论是发射饱和电流还是背面表面长的饱和电流,实际上对他的开压都是有影响的。
 
  在这个地方看发射极饱和电流,短路对填充因子没有影响,但是对开压是比较大的影响,但是对短路电流没有多大的影响。这个因素目前按我们的技术做已经基本满足了,主要还是背表面场的制备还有包括他背面的钝化,这几项合起来,再加上前面所说的电阻率组合起来,这样才能整体的提高效率。我们对PERC电池因为我们专用的软件,做了一个详细的模拟,我们自己编的程序,首先看看PERC电池为什么衬底的电阻率等影响这儿大?这是电流密度分布的模拟情况,这是前面的电极,这是后面的电极,这是pitch之间的距离,我们看到在背面的电极数整个电流的密度相当高,按现在pitch是500或者是600、700,这个地方单点电流的密度每平方厘米按39毫安这样算,这个地方会达到十几个毫安,这个地方的欧姆接触必须要做好,这样对浆料的要求会非常高,这样可以有助于降低串联电阻。
 
  同时刚才也提到了,就是空穴的输运,空穴的输运为什么在这个地方放到第一位?就是对整个PERC电池损失比较大,这是空穴的浓度的分布,我们做的模拟的结构我们可以看到我们的电池,它空穴输运可是垂直输运的,这样的过程;但是PERC电池不一样,这个地方可以从前表面到背表面,但是对于这个部位来说,是这样一个过程,所以他的路程大大的增加了,如果你的电阻非常高的话,实际上这个地方可能电子大了以后,并不有助于他的输运,这样会产生很多的热,所以地方的电阻率一定要降下来,这样才真正的有助于空穴的输运所以为什么说PERC电池对空穴的损失对它的影响非常巨大的。现在人们对PERC背面用到了很多技术做钝化,包括用三氧化二铝和氮化硅的钝化,三氧化二铝和二氧化硅的钝化,甚至氮化硅的钝化。实际上,从两个角度考虑一个是化学钝化,再加上场钝化,我们这个地方先不说化学钝化,我们只是考虑一个场钝化的因素.我们做了这样的模拟可以看到,通过背面,如果是三氧化二铝有负电荷的情况下,他会怎么样.我们可以看到负电荷的密度从负的一E九次方,到1E12次方,电荷的密度越高,实际上越有助于效率的提升。这是负电荷的情况下。如果我们不用三氧化二铝,我们用氮化硅,或者是在这个地方有一个非常高的正电荷,看看有什么情况发生?我们通过模拟很新奇的发现效率也是由小到大的,实际上跟实验是恰恰相反的,实际上这个地方最主要的还是因为有Shunt的存在,如果我们用Shunt,前面这个地方的电荷无论正电荷还是负电荷也好,实际上都有自己效率的提升,但正因为有了Shunt的存在且不可避免,这样在有这个正电荷出现的时候,高密度的正电荷,电池的效率是急剧的下降,这是我们模拟的结果。背表面的电荷影响最大的是Jsc,其次才是VOC,对填充因子的影响并不是很大,但是正电荷是要避免,其实Shunt非常重要,如果有Shunt效率会极大的降低,但Shunt到目前为止无法避免的,所以只能用尽量少的正电荷或者是用负电荷常钝化,完成高效的过程。这是我们做的一个模拟,面电荷的密度负的10的12次方,这个地方是面电荷密度为0的情况下。我们看到,有高密度的面电荷,这是跟报道的三氧化二铝的结果差不多,10的11和10的12次方之间,我们看到有一层很高密度的面电荷出现的时候,后面能带整个是向上弯曲,而这个地方,是类似与形成一个沟道恰恰有助于这种空穴处输运的,这样可以极大的提高整个电流的密度。效率我们这个地方没有做其它参数的优化,但是效率可以达到19.5。而没有的面电荷密度时候效率是18.7,当没有Shunt的时候,面电荷密度为正的12次方。我们看到也能够达到19.27,但是我们看到,这个时候,他的们带是向下弯曲,这样有利于电子的传输,但是我们相比来说的,面电荷密度是正的12次方、负的12次方,我们看得到,这两者的效率并不是非常多,这也是验证前面一个结论。影响他最主要的因素,就是常钝化的时候,还是Shunt的产生,那我们在个地方,把空穴的浓度放下,刚才说到了空穴的输运是关键的因素,面电荷密度是负的10的12次方,我们可以看到,VOC、开压和IOC均获得提升!这个地方可以看到空穴的浓度是非常高的,在这个地方特别是在截面处,实际上有利于空穴的输运,没有面电荷密度的时候这样一个平均的水平,但是如果有正的面电荷密度的时候,这个地方空穴的浓度会下降下来,实际上Voc降低并不是非常大,但是主要是降低的是短路电流这样的因素。
 
  所以在做局部点接触的时候,无论是用激光开孔还是划线,做上去以后,可以看到这个地方形成了一个非常好的背场,背场很厚,这样没有Shunt,但是如果做上去以后,在这个地方形成这样的情况;特别是在这个边缘处并没有形成这样一个背表面场,这样形成了特别是有场钝化的情况下,这个地方是一个极大的漏电通道,这样做下去,电池的效率虽然钝化做的好,但是由于Shunt的存在,整个电压还有但路电流提不上去,反而会下来。这是上面的综合影响进一步的就是要提高PERC电池的效率,如果把电池的电阻率下来以后,把空穴输运的问题就解决了,但是另外一些次要的问题上升为主要的问题,包括金属化、背表面的复合、衬底的负荷等。背表面如果改善激光LFC工艺,特别是减少LFC这个地方的复合,因为激光打上去以后,中间一块打掉但是周围还是有一个很宽的损伤层,那个很宽的损伤层是非常严重的复合中心;如果把这个地方的问题解决,再加上非常好的背面钝化,在用好的浆料和好的衬底,前表面用了现有的技术,实际上整个PERC电池效率就有极大的提升。如果说PERC电池到了今天的程度,下面再改善前表面的金属化,对发射极进行优化,再改善它的表面钝化,再使用高等的硅材料,再改变接触,最后多总线的设计,整个的效率我相信PERC电池未来几年达到22.5%以上,是不成问题的,最后谢谢各位。顺便我们提供完事的测试分析、模拟仿真和工艺优化服务,如果有需要这样服务的,请联系我们。
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