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【技術(shù)】N型黑硅光伏電池知多少?

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黑硅在很寬的波長(cháng)范圍內具有反射率低、接受角廣的優(yōu)點(diǎn),在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域倍受關(guān)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(yáng)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(fā)射極且不影響黑硅表面的光學(xué)特性,然后在黑硅發(fā)射極表面原子層沉積Al2O3,起到優(yōu)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(guò)優(yōu)化反應離子刻蝕(RIE)工藝的參數來(lái)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(guān)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(xué)刻蝕、等離子體浸沒(méi)離子注入等。黑硅在太陽(yáng)能電池應用中的一個(gè)難題是黑硅表面面積增大而導致表面復合速率增大,進(jìn)而造成短波段的光譜響應變差。黑硅已經(jīng)被廣泛應用到P型電池上,通過(guò)熱氧化和沉積SiNx作為正面鈍化層。但是低反射率的增益無(wú)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(lái),Al2O3被認為是P型、N型、P+表面最有發(fā)展潛力的電介質(zhì)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(guān)。在光伏行業(yè),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(shí)驗設計

使用5ΩcmFZN型硅片制作黑硅鈍化發(fā)射極背面局部擴散太陽(yáng)能電池(PERL)。圖1為太陽(yáng)能電池結構示意圖和制備太陽(yáng)能電池的工藝流程圖。制備了正面只有Al2O3的黑硅太陽(yáng)能電池,同時(shí)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(yáng)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(xué)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(guò)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(gè)條件下BBr3擴散形成硼發(fā)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(guò)PassDop工藝進(jìn)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(kāi)槽形成接觸點(diǎn)。激光開(kāi)槽后,在接觸點(diǎn)位置磷擴散形成局部背表面場(chǎng)。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(yáng)能電池結構示意圖和電池制作工藝主要步驟

圖2.(a)通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察到的黑硅表面。(b)910℃擴散發(fā)射極、硼玻璃去除、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線(xiàn)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(xiàn)以及通過(guò)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(shí)驗結果和討論

  圖2是910℃擴散發(fā)射極、沉積Al2O3后黑硅表面反射率曲線(xiàn)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(xiàn)。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(guò)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(kāi)路電壓都很低,在630mV左右。從IQE的曲線(xiàn)對比可以發(fā)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(shuō)高溫適用于A(yíng)l2O3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(shuō)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(shuō)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(guò)準靜態(tài)光電導法(QSSPC,SintonWCT-120)測試發(fā)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(yáng)能電池的IQE隨著(zhù)溫度的升高而降低,優(yōu)化黑硅太陽(yáng)能電池的擴散溫度會(huì )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(yáng)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(huì )越大,Jsc就會(huì )越小,這也可以從IQE曲線(xiàn)上看出來(lái)。另一方面黑硅太陽(yáng)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(jīng)研究分析出了造成黑硅電池反射率高的原因,將來(lái)通過(guò)工藝優(yōu)化可以解決這個(gè)問(wèn)題。

  所有電池的填充因子FF都很低,其原因有待于進(jìn)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(méi)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(guān),但還需要做進(jìn)一步的實(shí)驗研究,這是因為其虛擬填充也比預期的低說(shuō)明FF低不是串阻影響的。通過(guò)IV曲線(xiàn)沒(méi)有觀(guān)察到分流。將來(lái)需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝來(lái)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(shuō)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(huì )被破環(huán)。

  要想進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射極擴散工藝,需要獲得更多關(guān)于發(fā)射極剖面的信息。這可能需要通過(guò)過(guò)程模擬來(lái)處理,然而剖面測試可能不可行。優(yōu)化發(fā)射極剖面包括表面鈍化效果的優(yōu)化、金屬化的優(yōu)化。正面Al2O3和背面PassDop層的退火溫度也需要優(yōu)化來(lái)進(jìn)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(guò)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(xiàn)以及反射率曲線(xiàn)。

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

  4.結論

  我們研究證實(shí)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(yáng)能電池上。黑硅太陽(yáng)能電池效率最佳可達18.7%。短波區域IQE很高說(shuō)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(guò)程(擴散、硼玻璃刻蝕、光刻中抗腐蝕劑應用)中沒(méi)有被破環(huán)。對工藝進(jìn)一步優(yōu)化可以提高黑硅太陽(yáng)能電池的轉換效率,例如擴散工藝優(yōu)化、正面鈍化和金屬接觸優(yōu)化等。首次嘗試把Al2O3鈍化層引入到N型黑硅太陽(yáng)能電池中,我們對結果很滿(mǎn)意。