一文看懂IBC太阳能电池技术

作者: | 发布日期: 2020 年 05 月 25 日 10:13 | 分类: 产业资讯

1975年,Schwartz首次提出背接触式太阳电池,最初应用于高聚光系统中。经过多年的发展,研发出了交叉指式背接触(IBC,Interdigitatedbackcontact)太阳电池。

IBC太阳电池最显著的特点是PN结和金属接触都处于太阳电池的背部,前表面彻底避免了金属栅线电极的遮挡,结合前表面的金字塔绒面结构和减反层组成的陷光结构,能够最大限度地利用入射光,减少光学损失,具有更高的短路电流。同时,背部采用优化的金属栅线电极,降低了串联电阻。通常前表面采用SiNx/SiOx双层薄膜,不仅具有减反效果,而且对绒面硅表面有很好的钝化效果。目前IBC电池是商品化晶体硅电池中工艺最复杂、结构设计难度最大的电池。采用IBC与HJ技术结合的HBC技术可以使电池效率进一步提升,在2017年已经得到26.6%的世界记录效率。

美国SunPower公司已经研发了三代IBC太阳电池。其中,2014年在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池的最高效率达到25.2%。资料显示,SunPower量产效率达25%,LG量产效率达24.5%。

国内天合光能一直致力于IBC单晶硅电池的研发,2017年5月自主研发的大面积6英寸(243.2cm2)N型单晶硅IBC电池效率达到24.13%;2018年2月,该电池的效率进一步提高到25.04%,开路电压达到715.6mV,并经过日本电气安全与环境技术实验室(JET)独立测试认证。这是迄今为止经第三方权威认证的中国本土效率首次超过25%的单结单晶硅太阳电池,也是目前世界上大面积6英寸晶体硅衬底上制备的单晶硅太阳电池的最高转换效率,标志着天合在高端光伏电池技术研究上迈出了重要的一步。

在高寿命的N型硅片衬底的背面形成相间的P+和N+扩散区,前表面制备金字塔状绒面来增强光的吸收,同时在前表面形成前表面场(FSF)。前表面多采用SiNx的叠层钝化减反膜,背面采用SiO2、AlOx、SiNx等钝化层或叠层。最后在背面选择性地形成P和N的金属接触。

扩散区的定义及形成

较之传统太阳电池,IBC电池的工艺流程要复杂得多。IBC电池工艺的关键问题,是如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区,以及在其上面分别形成金属化接触和栅线。对扩散而言,炉管扩散是目前应用最广泛的方法。普通太阳电池的扩散只需在P型衬底上形成N型的扩散区,而IBC电池既有形成背面N区(BSF)的磷扩散,还有形成PN结的硼扩散,即在N型衬底上进行P型掺杂。

常见的定域掺杂的方法包括掩膜法,可以通过光刻的方法在掩膜上形成需要的图形,这种方法的成本高,不适合大规模生产。相对低成本的方法有通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者挡住不需要刻蚀的部分掩膜,从而形成需要的图形。这种方法需要两步单独的扩散过程来分别形成P型区和N型区。另外,还可以直接在掩膜中掺入所需要掺杂的杂质源(硼或磷源),一般可以通过化学气相沉积的方法来形成掺杂的掩膜层。这样在后续就只需要经过高温将杂质源扩散到硅片内部即可,从而节省一步高温过程。另外,也可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层,掩蔽层上的硼经扩散后进入N型衬底形成P+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后形成N+区。不过,丝网印刷方法本身的局限性,如对准的精度问题,印刷重复性问题等,给电池结构设计提出了一定的要求,在一定的参数条件下,较小的PN间距和金属接触面积能带来电池效率的提升,因此,丝网印刷的方法,需在工艺重复可靠性和电池效率之间找到平衡点。

激光是解决丝网印刷局限性的一条途径。无论是间接刻蚀掩膜(利用激光的高能量使局部固体硅升华成为气相,从而使附着在该部分硅上的薄膜脱落),还是直接刻蚀(如SiNx吸收紫外激光能量而被刻蚀),激光的方法都可以得到比丝网印刷更加细小的电池单位结构,更小的金属接触开孔和更灵活的设计。需要留意的是激光加工带来的硅片损伤,以及对接触电阻的影响;另外,精准对位是激光设备的必要条件,如果不采用Scanner方式的激光头,其加工时间往往较长,平均每片电池片的激光加工需耗时几分钟到十几分钟,生产效率低,目前只适合研发应用。

近年来,不断有从半导体工业转移到光伏工业的技术,离子注入就是其中之一。离子注入的最大优点是可以精确地控制掺杂浓度,从而避免了炉管扩散中存在的扩散死层(高浓度的扩散杂质与硅的晶格失配以及未激活的杂质引起的晶格缺陷使得扩散层表面载流子寿命极低)。2011年,Suniva首先开发了离子注入太阳电池技术,实现了P型单晶电池>18.6%的转换效率并将其推向商业化生产。当然,离子注入技术也可以被应用到IBC电池的制备中。同样,通过掩膜可以形成选择性的离子注入掺杂。离子注入后,需要进行一步高温退火过程来将杂质激活并推进到硅片内部,同时修复由于高能离子注入所引起的硅片表面晶格损伤。博世和三星都成功将离子注入技术运用到IBC电池中,实现了22.1%和22.4%的转换效率。当然,离子注入技术的量产化导入,设备和运行成本是考量的关键。

陷光与表面钝化技术

对于晶体硅太阳电池,前表面的光学特性和复合至关重要。对于IBC高效电池而言,更好的光学损失分析和光学减反设计显得尤其重要。McIntosh等人采用椭偏仪、量子相应测试与数值模拟相结合的方法,定量的确定了IBC电池的光学损失,包括前表面发射、减反膜寄生吸收、长波段不完美光陷阱、自由载流子吸收的影响等。

在电学方面,和常规电池相比,IBC电池的性能受前表面的影响更大,因为大部分的光生载流子在入射面产生,而这些载流子需要从前表面流动到电池背面直到接触电极,因此,需要更好的表面钝化来减少载流子的复合。为了降低载流子的复合,需要对电池表面进行钝化,表面钝化可以降低表面态密度,通常有化学钝化和场钝化的方式。化学钝化中应用较多的是氢钝化,比如SiNx薄膜中的H键,在热的作用下进入硅中,中和表面的悬挂键,钝化缺陷。场钝化是利用薄膜中的固定正电荷或负电荷对少数载流子的屏蔽作用,比如带正电的SiNx薄膜,会吸引带负电的电子到达界面,在N型硅中,少数载流子是空穴,薄膜中的正电荷对空穴具有排斥作用,从而阻止了空穴到达表面而被复合。因此,带正电的薄膜如SiNx较适合用于IBC电池的N型硅前表面的钝化。而对于电池背表面,由于同时有P,N两种扩散,理想的钝化膜则是能同时钝化P,N两种扩散界面,二氧化硅是一个较理想的选择。如果背面Emitter/P+硅占的比例较大,带负电的薄膜如AlOx也是一个不错的选择。

金属化接触和栅线

IBC电池的栅线都在背面,不需要考虑遮光,所以可以更加灵活地设计栅线,降低串联电阻。但是,由于IBC电池的正表面没有金属栅线的遮挡,电流密度较大,在背面的接触和栅线上的外部串联电阻损失也较大。金属接触区的复合通常都较大,所以在一定范围内(接触电阻损失足够小)接触区的比例越小,复合就越少,从而导致Voc越高。因此,IBC电池的金属化之前一般要涉及到打开接触孔/线的步骤。另外,N和P的接触孔区需要与各自的扩散区对准,否则会造成电池漏电失效。与形成交替相间的扩散区的方法相同,可以通过丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀或者激光等方法来将接触区的钝化膜去除,形成接触区。

另外,蒸镀和电镀也被应用于高效电池的金属化。ANU的24.4%的IBC电池即采用蒸镀Al的方法来形成金属接触。而SunPower更是采用电镀Cu来形成电极。由于金属浆料一般含有贵金属银,不但成本高,且银的自然资源远不如其他金属丰富,虽然目前还不至于成为太阳电池产业发展的瓶颈,但寻找更低廉、性能更优异的金属化手段也是太阳电池的一大研究热点。

IBC电池的核心技术之一是其背面电极的设计,因为它不仅影响电池性能,还直接决定了IBC组件的制作工艺。按照电极设计的不同,IBC电池包含三种主要类型。无主栅IBC电池。其特点是背面只印刷细栅线,无需印刷绝缘胶和主栅,相比主栅式IBC电池,制备工序简单、成本较低。但该类型的IBC电池在制作组件时需要专门的设备配套,且有较高的精度要求,导致组件端成本较高。四主栅IBC电池。其特点是可使用常规焊接的方法制作组件,精度要求低,无需专门设备,适用性强。但在电池制备过程中需要印刷绝缘胶和主栅,电池工序相对复杂。点接式IBC电池。其特点是无需印刷绝缘胶,主细栅一次印刷,电池工序简单;制作组件时,使用金属箔进行电池片互联,精度要求低于无主栅式。

虽然IBC电池存在很多优点,但同时它也面临很多挑战:1)对基体材料要求较高,需要较高的少子寿命。因为IBC电池属于背结电池,为使光生载流子在到达背面p-n结前尽可能少的或完全不被复合掉,就需要较高的少子扩散长度。2)IBC电池对前表面的钝化要求较高。如果前表面复合较高,光生载流子在未到达背面p-n结区之前,已被复合掉,将会大幅降低电池转换效率。3)工艺过程复杂。背面指交叉状的p区和n区在制作过程中,需要多次的掩膜和光刻技术,为了防止漏电,p区和n区之间的gap区域也需非常精准,这无疑都增加了工艺难度。4)IBC复杂的工艺步骤使其制作成本远高于传统晶体硅电池。

HBC是方向?

采用IBC与HJ技术结合的HBC技术可以使电池效率进一步提升。在硅片表面同时采用本征的非晶硅进行表面钝化,在背面分别采用N型和P型的非晶硅薄膜形成异质结。其优点是利用非晶硅优越的表面钝化性能,并结合IBC结构没有金属遮挡的结构优点,采用相同的器件结构,在2017年已经得到26.6%的世界记录效率。其Voc可以达到0.740V,Jsc达到42.5 mA/cm2,FF达84.6%。而对于晶体硅太阳电池,Jsc的理论极限是43mA/cm2。HBC电池结构如图所示,与传统IBC电池不同的是,背面的emitter和BSF区域为p+非晶硅和n+非晶硅层,在异质结接触区域插入一层本征非晶硅钝化层。IBC与非晶硅钝化技术的结合无疑是未来IBC电池效率提升的方向。

 

文章来源:摩尔光伏

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