晶体硅太阳电池背面钝化研究

- 1 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 晶 体 硅 太 阳 电 池 背 面 钝 化 研 究中 山 大 学 太 阳 能 系 统 研 究 所报 告 人 ： 朱 彦 斌2010.11.19第 十 一 届 中 国 光 伏 大 会 - 2 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 主 要 内 容u研 究 背 景u晶 体 硅 太 阳 电 池 背 面 钝 化 方 法 介 绍u实 验 及 结 果 分 析u结 论 及 展 望 - 3 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 1、 研 究 背 景硅 片 厚 度 不 断 降 低近 来 ， 为 了 降 低 太 阳 电 池 的 成 本 ， 硅 片 的 厚 度 不 断 降 低 ， 从 最 初 的350 m到 270、 240、 220、 180 m， 将 来 甚 至 会 向 更 薄 方 向 发 展 。带 来 的 影 响1） 背 面 复 合随 着 硅 片 厚 度 的 减 薄 ， 少 数 载 流 子 的 扩 散 长 度 可 能 接 近 或 大 于 硅 片 的 厚 度 ， 部分 少 数 载 流 子 将 扩 散 到 电 池 背 面 而 产 生 复 合 ， 这 将 对 电 池 效 率 产 生 重 要 影 响 。2)内 表 面 背 反 射 性 能 当 硅 片 厚 度 降 低 到 200 m以 下 时 ， 长 波 长 的 光 吸 收 减 少 ， 需 要 电 池 有 良 好 的背 反 射 性 能 。 - 4 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23背 面 复 合 速 率 对 电 池 性 能 的 影 响Armin G.Aberle. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: A review. Prog.Photovolt:Res.Appl,2000;8:473-487. - 5 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23背 反 射 率 对 电 池 性 能 的 影 响Technische Universiteit Eindhoven TU/e - 6 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 怎 样 降 低 背 面 复 合 速 率 ， 提 高 背 反 射 率 ？作 为 背 反 射 器 ， 增 加 长 波 光 的 吸 收 ；介 于 硅 基 体 和 铝 背 场 间 ， 可 以 有 效 地 减 少 电 池 片 的 翘 曲 ；原 子 态 的 氢 饱 和 基 体 表 面 悬 挂 键 大 量 的 固 定 电 荷 的 场 钝 化 效 应钝 化 层背 面 钝 化 是 一 个 很 好 的 途 径 降 低 背 面 复 合 - 7 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 2、 晶 体 硅 太 阳 电 池 背 面 钝 化 方 法 介 绍 SiNx： H 沉 积 温 度 低 （ 450 ） ， 良 好 的 体 和 表 面 钝 化 效 果 ， 沉 积 速 率 高 适合 工 业 化 生 产 。 a-Si： H 沉 积 温 度 低 （ 200 250 ） 良 好 的 钝 化 及 陷 光 效 果 ， 可 用 于 制 备 高效 电 池 ， 如 Sanyo公 司 的 HIT电 池 。 采 用 a-Si钝 化 ， Sanyo公 司 得 到 转 换 效 率 为 22.3%的 HIT太 阳 电 池 ， 厚 度 可 降 到 70 m - 8 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 热 氧 化 SiO2 钝 化 性 能 高 ， 常 用 于 制 备 高 效 电 池 ， 如 UNSW的 PERC、 PERL电 池 。 原 子 层 沉 积 （ ALD） Al 2O3 沉 积 温 度 低 （ 200 400 ） ； 薄 膜 厚 度 易 控 制 ， 精 确 度 高 ； 钝 化 性 能 良 好 ； 可 满 足 工 业 化 生 产 （ 3000片 /h） 。UNSW 转 换 效 率 为 24.7%的 PERL太 阳 电 池 - 9 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 叠 层 钝 化 SiNx/SiO2， SiNx/a-Si， SiO2/Al2O3等 ， 钝 化 性 能 良 好 ， 也 常 用 于 制 备高 效 电 池 。 ISFH&TU/e Al2O3/SiOx背 面 钝 化 电 池效 率 20.4% Fraunhofer ISE a-Si/SiOx背 面 钝 化 电 池效 率 21.7% - 10 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 3.实 验 及 结 果 分 析SiNx、 SiO2及 SiO2/SiNx背 面 钝 化 工 艺 流 程 - 11 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 少 子 寿 命 测 试 样 品 结 构 示 意 图背 面 没 有 钝 化 处 理 背 面 SiN x钝 化背 面 SiO 2钝 化 背 面 SiNx/SiO2钝 化 - 12 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 4.36 10.62 14.33 13.120246810121416 背 面 无 钝 化 处 理 背 面 SiNx钝 化 背 面 热 氧 化 SiO2钝 化 背 面 SiNx/SiO2钝 化不 同 钝 化 法 少 子 寿 命 测 试 结 果 （ s， 5片 平 均 值 ） 不 同 钝 化 法 少 子 寿 命 测 试 结 果（ 单 片 ） - 13 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23ALD-Al2O3钝 化 工 艺 流 程 及 少 子 寿 命 测 试 样 品 结 构 示 意 图 - 14 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23ALD不 同 厚 度 Al2O3前 后 及 退 火 前 后 少 子 寿 命 测 试 结 果 少 子 寿 命 测 试 结 果 （ s， 6片 平 均 值 ） - 15 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 利 用 Glunz等 人 提 出 的 俄 歇 复 合 模 型 ，背 面 复 合 速 率 可 由 如 下 公 式 计 算 获 得 ：eff测 量 到 的 有 效 少 子 寿 命 ；b硅 片 体 寿 命 ；W硅 片 厚 度 ；S eff表 面 复 合 速 率 ；Dn电 子 扩 散 常 数 。通 过 上 式 ， 计 算 得 到 在 ALD-Al2O3钝 化 层 前 ，硅 片 的 背 面 复 合 速 率 为 2.34 103 /s，ALD-Al2O3钝 化 层 （ 100nm） 后 背 面 复 合 速 率 降 低 为3.09 102 /s， 背 面 复 合 速 率 降 低 一 个 数 量 级 。 ALD 100nm Al 2O3前 后 少 子 寿 命 测 试 结 果 - 16 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23SiNx背 面 钝 化 前 后 背 反 射 率 测 试 结 果 - 17 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 实 验 结 果 分 析1.钝 化 后 少 子 寿 命 增 加 ， 背 面 复 合 速 率 降 低 ：化 学 钝 化 作 用 ：钝 化 层 中 原 子 态 的 氢 饱 和 硅 片 表 面 悬 挂 键 ， 从 而 起 到 化 学 钝 化 作 用 ，包 括 SiNx钝 化 层 和 ALD-Al2O3钝 化 层 。场 钝 化 效 应 ：钝 化 层 中 含 有 一 些 固 定 电 荷 ， 这 些 固 定 电 荷 会 产 生 场 钝 化 效 应 ， 排斥 一 种 载 流 子 ， 使 电 子 和 空 穴 不 能 同 时 到 达 背 面 而 产 生 复 合 。 包 括SiN x、 SiO2（ 固 定 正 电 荷 ） 和 Al2O3（ 固 定 负 电 荷 ） - 18 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 2.ALD-Al2O3需 要 退 火 原 因 分 析 ：退 火 增 加 了 Al2O3钝 化 层 中 固 定 负 电 荷 密 度 ， 从 而 增 强 场 效 应 钝 化 作 用 。退 火 过 程 中 Si- Al2O3界 面 生 成 SiOx薄 层 ， 从 而 使 Si- Al2O3界 面 缺 陷 密 度 降 低 。 High resolution TEM image showing a 20 nm thick Al2O3 film on c-Si after a 30 min annealing at 425 in a N2 environment.B. Hoex et al. Ultralow surface recombination of c-Si substrates passivated by plasma-assisted atomic layer deposited Al2O3. - 19 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23 3、 结 论 及 展 望uPECVD SiNx， PECVD a-Si， 热 氧 化 SiO2、 ALD-Al2O3都 具 有 良 好 钝 化 性 能 ， 特 别 是 ALD-Al2O3， 可 使 硅 片 背 面 的 复 合 速 率 由 钝 化 前 的 2.34 103 /s， 降 低 到 钝 化 后 的 3.09 102 /s， 背 面 复 合 速 率 降 低 一 个 数 量 级 。u 钝 化 层 可 以 作 为 背 反 射 器 ， 增 加 背 反 射 率 ， 提 高 长 波 吸 收 。uALD -Al 2O3具 有 良 好 的 钝 化 性 能 ， 并 且 能 满 足 大 规 模 生 产 ， 在 将 来 大 规 模 制 备高 效 太 阳 电 池 中 将 得 到 越 来 越 多 的 应 用 。 - 20 -太 阳 能 系 统 研 究 所 Institute for Solar Energy Systems 2021-4-23