N型PERT双面电池产业化关键技术

1、nPERT双面电池技术背景

近年来，N型硅太阳电池由于其优越的性能，包括高的体寿命、对金属杂质高的容忍度以及没有P型材料中由于硼氧（B-O）复合体所造成的光致衰减（LID）[1-3]效应，越来越受产业界的关注。最新的光伏国际技术路线图2015[4]中显示，到2020之前，预测可实现低成本批产平均效率大于23%的均为N型电池；到2021年，N型电池市场占有率将超过30%，而nPERT双面电池的高发电性能正在引起很多一流制造厂商和市场的密切关注。

PERT（Passivated Emitter，Rear Totally-diffused cell），钝化发射极背表面全扩散电池，是一种典型的双面电池。双面太阳电池是指硅片的正面和反面都可以接受光照并能产生光生电压和电流的太阳电池，这种电池可以用P型硅片制造，也可以用N型硅片制造。nPERT双面电池基本工艺流程为：（1）双面制绒（2）上表面扩散硼制成P+N结（3）背面扩散磷制成N+N结（4）双面钝化薄膜（5）双面金属化，结构示意图如图1所示。

图1  nPERT电池结构示意图

2、nPERT双面电池技术特点

nPERT双面电池采用N型硅作衬底，具有少子寿命高、无光致衰减等优点。常规P型电池由于使用硼掺杂的硅衬底，长时间光照后易形成硼氧键，在基体中捕获电子形成复合中心，导致3~4%的功率衰减；而nPERT电池使用N型硅衬底，磷掺杂的基体使得电池几乎无光致衰减。我们对nPERT电池进行了光衰实验验证，如表1结果所示，光照60h后效率衰减仅0.11%，无光致衰减的特点能有效保证系统端的功率输出和发电量。

表1  nPERT光衰实验结果

通过EQE测试结果可知（如图2），相比于P型常规电池，nPERT电池具有更好的长波响应，可将更多长波长的光吸收，尤其是制备成双玻组件后背面可更高效率的吸收反射光和散射光。

图2  nPERT电池与常规P型电池EQE比对

3、nPERT双面电池组件技术优势

双玻光伏组件就是指由两片玻璃和太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集到引线端所形成的光伏电池组件，组件结构示意图如下：

图3  双玻组件结构示意图

2013年以来，随着国内外前期投资的光伏电站的陆续并网发电并运行一段时间后，国内外电站的质量问题时有出现。由于某些有机材料的寿命较短、耐候性较差，光伏组件中的EVA胶膜和背板的质量开始被高度关注，水汽穿透背板导致劣质EVA树脂快速降解有密切的关系，EVA树脂遇水即开始缓慢分解，其分解产物含醋酸，醋酸腐蚀光伏电池上的银栅线、汇流带等，使组件的发电效率逐年下降。为了规避这一问题，双玻组件为高品质光伏电站的较为理想的解决方案之一，但双玻组件的电池片间漏光导致组件功率损失较大，组件正面功率相比常规背板偏低；同时，无框双玻组件对封装材料和封装工艺要求较高。

基于nPERT双面电池的双玻组件，由于电池具备双面发电的特点，采用双面透光玻璃可实现双面发电的功能，将人们对光伏组件的可靠性要求与发电量需求完美的整合解决：

（1）发电量高：nPERT电池具有20%以上的单面转换效率，制备的双玻组件正面功率达280W以上，结合不同的双面光照条件，可实现10%~30%的发电量增益（可采用廉价背面反射材料，大幅提升组件发电量），如图4所示；

图4  不同反射条件nPERT双玻组件发电量增益

（2）弱光相应好：由于nPERT电池本身具有长波响应好的特点，结合双玻组件双面受光条件，可在早晨和傍晚实现发电量的增益，下图为三组光伏阵列单日的发电量跟踪曲线，将nPERT双玻组件在两种不同反射条件下与常规P型单晶进行比较，可见在早晚两个时段，nPERT双玻组件有更好的弱光发电量保证。

图5  nPERT双玻组件与常规组件单日发电量跟踪

（3）质量可靠性高：玻璃的透水率几乎为零，不需要考虑水汽进入组件诱发EVA胶膜水解的问题，降低蜗牛纹发生的概率。玻璃的耐候性、耐腐蚀性强，耐磨性也非常好，也解决了组件在野外的耐风沙问题。双玻组件不需要铝框，除非在玻璃表面有大量露珠的情况外，没有铝框使导致PID发生的电场无法建立，其大大降低了发生PID衰减的可能性。

4、nPERT双面电池产业化技术关键

nPERT双面电池的工艺流程比常规电池工艺略为复杂，其中产业化的关键技术有两个，一个是双面掺杂技术，另一个是双面钝化技术。

目前的双面电池主要是基于正面发射结和背表面场（BSF）的结构，正面硼扩散的方法很多，按硼源的类型来分，有液态BBr3扩散，以及各种用于丝网印刷和旋涂的商品化硼浆，按扩散设备来分主要有管式扩散和链式扩散两种。研究发现，在众多硼扩散方式中，用氮气携带液态BBr3进行管式扩散的效果较好。与其它方法相比，该方法更有利于避免金属污染。采用该扩散方法，硅片有效少子寿命比用其它方法扩散的样品较高，但硼扩散存在的一个问题是均匀性较难控制。在扩散前期，BBr3反应生成B2O3，后者沉积在硅片表面，并在高温作用下扩散进入硅基体，这与磷扩散时POCl3先生成P2O5再沉积到硅片表面的过程相类似。不同的是，P2O5在850℃时为气相，可以均匀沉积在硅片表面。而B2O3的沸点较高，扩散过程中一直处于液相状态，难以均匀覆盖在硅片表面，因此扩散均匀性控制难度较大，必须进行严格的工艺调控。图6为典型的硼扩散方阻均匀性差异图。

图6  硼扩散方阻均匀性示意图（左至右分别为均匀性差、中、好）

背面N+的形成可以有热扩散的形式也可以用离子注入的形式。若是使用热扩散的方式，则工艺过程中要用到掩膜工艺，增加了工艺的成本及复杂性。离子注入是一种能够单面掺杂且均匀性很好的半导体制造工艺，通过调节注入参数和配套的退火工艺可以达到所需要设计的结形及结深，而且可以省去去磷/硼硅玻璃(P/BSG)步骤，简化了制造工艺。如图7所示为四种不同工艺下发射结的浓度分布情况[6]：

图7  四种不同注入工艺下的发射极的ECV图

钝化可以明显地改善电池表面状态、提升电池的性能，双面电池所需钝化与常规电池相比有其独特的要求。在N+背表面场上，采用SiO2/SiNx叠层钝化膜，SiO2膜可以很好的对N+面进行表面钝化，加上SiNx膜的带正电荷特性，可以同时获得较好的表面钝化和场钝化的效果，而且还能起到很好的减反射作用，如图8所示。但是在正面的P+掺杂面使用SiO2/SiNx叠层钝化膜却无法获得同样的效果，这是由于SiNx带正电荷，SiOx膜也偏正型，因此缺少了场钝化效果。为进一步提升钝化效率，可以考虑P+掺杂面使用Al2O3薄膜钝化技术，Al2O3自身带有负电荷，很多实验证明对P型硅(c-Si)的场钝化效果好过热生长的SiO的钝化效果。

图8  不同钝化层在N+掺杂面的Implied-Voc和少子寿命

5、存在问题及展望

nPERT双面电池由于其优异的性能、高可靠性和高发电量能力，逐步成为光伏行业关注的热点，但困扰此产品进一步发展的主要问题是如何降低产品制造成本、提高市场占有率。nPERT双面电池高功率、双面发电，相比常规电池的增益及系统端度电成本的下降明显，但为保证产品具有较高毛利率，其成本与常规电池相比要控制在较低的增幅。我们相信，随着制造工艺及控制的不断成熟，批产规模的不断扩大，nPERT电池匹配材料和国产化设备的不断降本，成本肯定会有明显的下降，nPERT双面电池良好的性价比将不断凸现。

nPERT双面电池具有发电量高、质量可靠性高的特点，对延长光伏系统使用寿命，大幅降低度电成本，实现平价上网将扮演重要角色。相信随着其光伏系统运营数据的不断反馈和性能特点的实地验证，市场及客户接受度将不断提高，产品的市场占有率和产业化发展将会迎来新的高峰。

参考文献：

[1]Ryu K, Upadhyaya A, Song H J, et al. Chemical etching of boron-rich layer and its impact on high efficiency n-type silicon solar cells[J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(7): 073902.

[2]J. Scht, A. G. Aberle, and R. Hezel, in Proceedings of the 26th IEEE PVSC, Anaheim, CA (IEEE, New York, 1997).

[3] D. Macdonald and L. J. Geerligs, Appl. Phys. Lett. 85, 4061 (2004).

[4] http://www.itrpv.net/

[5] Zhao J, Scht J, Wang A, et al. Performance instability in n-type pert silicon solar cells[C]//Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on. IEEE, 2003, 1: 923-926.

[6] Kiefer F, Peibst R, Ohrdes T, et al. Influence of the boron emitter profile on VOC and JSC losses in fully ion implanted n‐type PERT solar cells[J]. physica status solidi (a), 2015, 212(2): 291-297.