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PERC带火的SE有哪些实现方式?

光伏电池组件  来源:摩尔光伏    2019/6/24 11:23:00  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:选择性发射极(iveemitter,SE)太阳电池,即在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂,而在电极以外的区域进行低浓度掺杂。这样既降低了硅片和电极之间的接触电阻,又降低了表面的复合,提高了少子寿命,从而提高转换效率。

(来源:微信公众号“摩尔光伏”ID:molepv)

其实,早在1984年Soder就全面综述了硅太阳能电池的接触电阻理论,分析了不同金属功函数和硅表面掺杂浓度对接触电阻的影响。形成SE结构的技术方案有很多,但大多数都要求配套相关的新设备与辅材。PERC流行之前,SE电池大规模推广面临着投资成本巨大,高能耗,工艺整体耗时长等困境。

PERC的流行带火了SE。SE技术处理过的电池相比传统太阳电池有0.3%的提升,SE技术跟PERC技术相结合,可以使电池的量产效率轻易突破22%。

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SE+PERC已经成为行业主流的提效方式,采用激光掺杂技术形成选择性PN结,已经被很多企业采用。激光PSG掺杂法是采用扩散时产生的磷硅玻璃层作为掺杂源进行激光扫描,形成重掺杂区。激光掺杂选择性发射极太阳电池生产线,工艺上只需增加激光掺杂一个步骤,从设备上来说,只需增加掺杂用激光设备,与常规产线的工艺及设备兼容性很高,是行业研究的热点。

SE还有哪些实现方式?未来这些方式还有无潜力可挖?

选择性发射极电池的结构

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在太阳能电池的众多参数中,发射极(dopant profile)是最能影响转换效率的参数之一。

适当提高方块电阻可提高开路电压和短路电流,但是在丝网印刷方式下,Ag电极与低表面掺杂浓度发射极的接触电阻较大,最终会由于填充因子的下降从而引起转换效率降低。

为了兼顾开路电压、短路电流和填充因子的需要,选择性发射极电池是比较理想的选择,即在电极接触部位进行重掺杂,在电极之间位置进行轻掺杂。

传统结构的太阳能电池n+扩散层一般在40-50Ω/sqr,而SE结构的太阳电池的浅扩散方阻一般在80-100Ω/sqr,在电极下的重掺方阻则低于40Ω/sqr。

这样的结构有以下三个优点:

(1)降低串联电阻,提高填充因子

电池的串联电阻由栅线体电阻、前栅与硅表面的接触电阻、扩散层薄层电阻、硅片体电阻、背电极接触电阻和背场体电阻组成。

其中,在丝网印刷工艺下,前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献最大。

根据金属-半导体接触电阻理论,接触电阻与金属势垒(barrier height)和表面掺杂浓度(Nd)有关,势垒越低,掺杂浓度越高,接触电阻越小。

(2)减少载流子Auger复合,提高表面钝化效果

当杂质浓度大于1017cm-3时,Auger复合是半导体中主要的复合机制,而Auger复合速率与杂质浓度的平方成反比关系,所以SE的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横向流动时的Auger,提高载流子收集效率;

另外,低表面掺杂浓度意味着低表面态密度,这样也可提高钝化效果。

(3)改善光线短波光谱响应,提高短路电流和开路电压

对于AM1.5G而言,约20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内,所以浅扩散可以提高这些短波段太阳光的量子效率,提高短路电流;

同时,由于存在一个横向的(n++ - n+)高低结,和传统结构相比,还可提高开路电压。

一次扩散SE电池制备方案

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氧化层淹膜扩散—印刷法

此为Centrotherm的turnkey line制备方案。

该方案要点是,在清洗制绒后通过热氧生长的方法在硅片表面形成一层较薄的氧化层,然后根据丝网印刷前电极的图案在氧化层上开槽,再用弱碱清洗激光损伤层。

这样,在扩散时,没有开槽的区域由于氧化层的阻挡作用形成浅扩,开槽的区域形成重扩。根据公开提供的数据,n++层宽度控制在250-300μm,栅线宽度80-100μm。

该方案的优点是增加设备较少,步骤相对简单,要解决的主要问题是:

一、激光工艺的稳定性要保证,在几百μm宽的区域激光开槽所带来损伤层,需清洗干净。可用其他开槽方式代替激光,如丝网印刷刻蚀膏,或材料打印机打印刻蚀液(氟化铵)等;

二、硅片需经历氧化和扩散两次高温过程,高温损伤比常规片要大,对硅片质量要求较高,普通多晶硅可能满足不了要求;

三、氧化层厚度和均匀性需要控制得较好,因为这直接影响到n+层的扩散质量;

四、需解决丝网印制的精确对位,对位越精确,n++层的宽度就可越窄,效率提高越多。

激光涂源掺杂—电镀法

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此为Roth&Rau的turnkey制备方案,该方案的要点是:

分别处理前后电极,浅扩散(100-120Ω/sqr)和镀膜后先丝网印刷铝背场并烧结,然后在前表面旋涂磷源(磷酸+酒精);

再用激光(532nm,绿光)按照栅线图案进行开槽并掺杂,形成方阻约20Ω/sqr的局域重掺区;

最后利用光诱导电镀(LIP-light induced plating)在这些重掺区上电镀Ni/Cu/Ag金属层作为前电极。

由于采取电镀的方式,栅线宽度可减少至约30μm,与硅片接触宽度约20μm。

该电池的优势在于非常小的有效遮挡面积(小于5%)和线间距(约1mm),在这样的线间距下,可扩散超过100Ω/sqr的浅结,这样既提高了Voc和lsc,又能保证FF不会下降得太多

另外从设备上而言,由于采取电镀制作栅线,无需高精度的丝网印刷机进行二次对位。

需要解决的问题是:

(1) 激光掺杂工艺的控制,激光在Pluto中起到了关键作用,既要在SiNx上开槽又要形成重掺,并保证一定的表面掺杂浓度(较小的接触电阻),激光的波长、脉冲频率和功率都需仔细权衡,并且稳定控制才能达到生产需求;

(2) 金字塔绒面需控制得比较小而均匀;

(3)如采用电镀Ni作为种子层,还要经过一道低温烧结工序,这一烧结工艺也需控制得很好。因为根据Ni/Si合金相图,期间形成的欧姆接触的温度区间较小,稍有差池就会造成烧穿p-n结漏电(温度过高)或接触电阻过大(温度偏低);

(4)电镀Ag与焊接带之间的粘合力较小,做成组件后容易出现脱焊现象,目前还没有很好的解决方案,通过改进电镀电解液来改善电镀Ag表面形貌可能是其中一条途径。

印刷掺杂—电镀法

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此方案是针对Pluto电池在激光和Ni/Si合金烧结工艺难于控制的不足,使用其他方法代替电镀Ni做LIP的种子层。代替的方案有:

(1)fineline priting印刷小于80μm的细栅。但要提高电池效率,印刷浆料必须(a)在低表面浓度下也能保证低接触电阻,或者(b)本身含磷掺杂源并在烧结时能扩散入Si形成重掺;

(2)inkjet printing印刷约30-50μm的细栅。同样,要形成SE结构,ink中也需含n++掺杂质;

(3)其他印刷细栅的方法,如laser trasfer plating (LTP)等。与激光相比,这些印刷工艺都较难做到1mm的栅线距离,所以浅扩层方阻不能高于100Ω/sqr。

同样,由于最后需采取LIP对栅线进行增厚,也需解决电镀Ag与焊接带之间粘合力较小的问题。

另外,inkjet printing和LIP等这些新的印刷设备成本都较高,风险较大,对于产业也是一个必须考虑的问题。

激光PSG掺杂—印刷法

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此方案为Manz正在研发的一条SE路线,其要点是:

(1)使用扩散时生成的PSG代替磷酸作为laser doping的磷酸;

(2) 采取丝网印刷制作电极,避免电镀工艺。由于印刷工艺对线间距的限制,浅扩层方阻不能高于100Ω/sqr。

该方案的优点是工艺步骤少,除激光外无需增加其他设备,但和方案二一样,需解决的主要问题是:

(1)激光掺杂的工艺控制,为了同时达到减小接触电阻和避免漏电的目的,激光掺杂重掺区域对掺杂均匀性要求较高;

(2)丝网印刷二次对位精度要求较高。

返刻法

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此为Scht的turnkey line制备方案。该方案要点是:

(1)使用inkjet printing方法在重扩硅片(约40Ω/sqr)上打印与前栅线图案一样的有机材料掩膜(约300nm宽) 作为腐蚀阻挡层,在HF/HNO3腐蚀液中对掩膜外的重扩区域进行腐蚀形成浅结(约90Ω/sqr);

(2)掩膜制备和丝网印刷栅线之间具有二次定位系统,使栅线印刷在掩膜区域。

此方案的优点是流水线作业,产量大,易于产业化;避免采用激光工艺,保证碎片率比较低。需要考虑的问题是:

(1) 返刻腐蚀步骤比较难控制,要求方块电阻均匀性较好,有可能腐蚀过度造成横向扩散电阻增大,增大串联电阻;

(2) Inkjet printing做掩膜成本较高,可考虑其他方法代替,如丝网印刷掩膜,材料打印机打印液态石蜡等。

(3) 后期丝网印刷的二次对位精度要求较高。

印刷磷源单步扩散法

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烧结 SP前背电极、背场 镀SiNx膜

此工艺路线的要点是:丝网印刷磷源,通过高温加热进行扩散,在与栅线接触位置形成重掺,在其他位置形成轻掺。

该方案的优点是工艺简单,不需要增加额外的设备;但一个难点是如何调整扩散工艺,使得在重掺源附着在硅片上扩散时,保证其周边区域的扩散均匀性,目前似乎还找不到一个很好的解决方案;

另外,丝网印刷磷源,需保证不能引入金属离子,给扩散带来污染;最后,丝网印刷二次对位精度也要求较高。

原标题:选择性发射极SE的六种实现方式

投稿联系:陈女士 13693626116   QQ: 1831213786
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