16晶体硅太阳电池背面钝化研究

-1-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28主要内容研究背景晶体硅太阳电池背面钝化方法介绍实验及结果分析结论及展望-3-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/281、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350μm到270、240、220、180μm，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200μm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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28背面复合速率对电池性能的影响ArminG.Aberle.Surfacepassivationofcrystallinesiliconsolarcells:Areview.Prog.Photovolt:Res.Appl,2000;8:473-487.-5-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28背反射率对电池性能的影响TechnischeUniversiteitEindhovenTU/e-6-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/282、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70μm-8-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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）Al2O3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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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/eAl2O3/SiOx背面钝化电池效率20.4%FraunhoferISEa-Si/SiOx背面钝化电池效率21.7%-10-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/283.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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28少子寿命测试样品结构示意图背面没有钝化处理背面SiNx钝化背面SiO2钝化背面SiNx/SiO2钝化-12-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/284.3610.6214.3313.120246810121416不同钝化法少子寿命测试结果（μs，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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28ALD-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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28ALD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（μs，6片平均值）-15-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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：τeff—测量到的有效少子寿命；τb—硅片体寿命；W—硅片厚度；Seff—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。ALD100nmAl2O3前后少子寿命测试结果-16-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28SiNx背面钝化前后背反射率测试结果-17-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28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SiNx、SiO2（固定正电荷）和Al2O3（固定负电荷）-18-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/282.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。HighresolutionTEMimageshowinga20nmthickAl2O3filmonc-Siaftera30minannealingat425℃inaN2environment.B.Hoexetal.Ultralowsurfacerecombinationofc-Sisubstratespassivatedbyplasma-assistedatomiclayerdepositedAl2O3.-19-太阳能系统研究所InstituteforSolarEnergySystems2020/2/283、结论及展望PECVDSiNx，PECVDa-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。钝化层可以作为背反射器，增加背反射率，提高长波吸收。ALD-Al2O3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InstituteforSolarEnergySystems2020/2/28