铝浆技术助力nPERT太阳电池朝23%效率和700mV电压目标演进

　　摘 要

 

　　如今越来越多的大型光伏系统建造在沙漠地区，由于常年暴露在高温环境下，这些太阳能电池和组件的稳定高电压表现正变得日益关键。高电压太阳能电池有着更低的温度系数，有助于光伏系统转化更多的电能。

 

　　标准钝化发射极与背电极电池(PERC)器件的电压低于680mV，属于中等水平，并且在沙漠地区有出现衰退现象的风险，即光照和高温引起的衰退(LeTID)效应，以及最近观察到的钝化层衰退效应。

 

　　本文为PREC生产商提供了一种解决方案，可以简单地将该技术转变为n型钝化发射极和背电极全扩散(nPERT)太阳能电池(稳定效率能达到22%以上，电压接近700mV)，并且几乎无需增加额外成本。这种称为MoSoN(N型单晶硅太阳能电池)的技术，融合了PERC的铝金属化技术和来自nPERT的扩散技术(BiSoN)。

 

　　基于Toyal的先进Al技术，将Al点接触技术应用到MoSoN电池背面，使电池背面形成点接触选择性发射极，并在隆基乐叶n型硅片上实现器件电压达到695mV左右。不仅如此，通过进一步的优化还可以将电压提高到700mV以上。

 

　　使用该技术的拥有成本(COO)与标准PERC太阳能电池相当，即使后者不将衰退效应考虑在内，很大一部分原因是背面AlOx(钝化)被BBr3扩散(通过原位生长SiO2层同步完成扩散和钝化过程)所代替。此外，在MoSoN电池中没有发现钝化层衰退的现象，而PERC太阳能电池则恰恰在最近被发现了相关衰退现象。

 

　　引 文

 

　　今天，光伏太阳能电池和组件制造商们正再次深陷危机。而上一次危机要追溯到2011年，由于当时的需求远未达到预期规模，产能出现了过剩。根据目前的预测，到2018年底，光伏总产能将达到160-170GW，其中钝化发射极背电极电池(PERC)产能就达到60-70GW[1];这将比2018年的实际需求高出60-70%。如今市场继续动摇，但这次是在亚洲，因为现在欧洲和美国几乎没有大型的制造商。

 

　　其中受影响最大的是那些专注于标准mc-Si Al-BSF技术的制造商。图一(a)展示了2018年各种电池技术的市场份额和对未来的预测情况;该图指出，在未来5年市场将由基于p型Cz-Si材料的PERC技术主导。

 

 

图一:(a)对各技术市场份额的预测(引用PV Tech[2]);(b)p型PERC太阳能电池的典型剖面图。

 

　　上一次危机的化解依靠的是迅速将新技术推向光伏市场，例如PERC和n型钝化发射极背电极全扩散(nPERT)技术。然而，由于当时PERC技术的推广速度过快，导致有些PERC生产商没有深刻意识到该技术的相关实际挑战，例如光照和高温引起的衰退(LeTID)[3,4]，以及最近由康斯坦茨大学研究人员发现的PERC太阳能电池钝化层衰退效应[5]。

 

　　虽然光致衰退(LID)效应是因为硼-氧化合物造成的，而且可以通过低氧含量材料进行抑制或者再生[6]，但LeTID则被认为是由PERC中氢含量过高造成的，这些氢元素是从双面等离子增强化学气相沉积(PECVD)SiNx钝化层中迁移到Si体内的[7]。

 

　　目前已经有降低LeTID的方案—例如，使用低氢含量SiNx层，或者降低金属电极烧结温度以尽可能减少进入硅体材料内部氢离子的数量[7]。一些深刻理解了他们产品的PERC生产商，综合采用了上述两种方法，并选择比较不容易受影响的Si材料。然而，即使是在这种经过优化的太阳能电池中还是能观察到一定程度的衰减，因为PERC内的衰退机制非常复杂。

 

　　在作者看来，实现无衰退太阳能电池设计的一个最有效且最简单的方法是直接改用MoSoN(基于n型单晶硅的太阳能电池)。该器件类型与现有的PREC结构非常相似，主要差异点只有两个:1) 硅体材料改为n型; 以及2) 使用BBr3扩散工艺代替更普遍的AlOx钝化工艺。

 

　　目前n型硅片成本只比P型贵5%，但是却在上述衰退机制中有着更加健壮的表现。本文将简要介绍由ISC康斯坦茨(康斯坦茨国际太阳能研究中心：ISC Konstanz)推出的MoSoN太阳能电池概念及其相关电池性能参数，与标准PERC电池的成本进行比较，并勾勒出PREC转成MoSoN后的形态。

 

　　图二显示了MoSoN电池的剖面结构图;它的主要结构为一个n型PERT太阳能电池，包含一个硼背结电场和背面的Al金属电极(与PERC技术相似)。通过铝掺杂硅的再结晶化，在背电极下面生成局部选择性发射极。接下来我们将详细介绍这种太阳能电池技术的优势。

 

 

图二:MoSoN太阳能电池剖面图。

 

　　许多科学家都表示继PERC和双面电池之后的下一个重要技术将会是TOPCon[8]，其实质是选择性载流子钝化电极，以及电极和硅片之间的重掺杂硅层。这种钝化接触电极可以有很多加工方法，可以参考Cuevas在EU PVSEC 2018上的总结[9]。光伏产业与其说是革命性发展，不如说是渐进式发展，在作者看来，如今至少有一种是处在这两种状态之间的，其中就包括低成本且性能稳定的n型Al浆技术，其制备的电池效率能达到23%(nPERT)甚至更高(IBC)，电压则能达到700mV左右。

 

　　图三沿着目前主要的c-Si技术路线图对目前ISC康斯坦茨的研究进展进行了总结。

 

　　图三:ISC康斯坦茨标准扩散型电池技术的研究进展与路线图。

 

 

　　图一左下角是标准Al-BSF技术，该技术正逐渐失去市场份额，取而代之的是PERC太阳能电池技术。此外，Al-BSF标准太阳能电池效率限制在20%左右，而且Al-BSF技术甚至无法支持双面组件应用。相反，PERC电池则能够制作成双面组件，并且将持续扩大双面市场份额，因为双面PERC组件的成本几乎与单面PERC组件一样。采用双面应用将节省Al浆的使用，不过也会导致前表面绝对效率降低0.2-0.4。