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TOPCon电池效率极限28.7%!钝化接触电池最新进展全面解读

在晶体硅太阳能电池中,金属-半导体接触区域存在严重的复合,成为制约晶体硅太阳能电池效率发展的重要因素。隧穿氧化层钝化金属接触结构由一层超薄的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层组成,可以显著降低金属接触区域的复合,同时兼具良好的接触性能,可以极大地提升太阳能电池的效率。为了评估目前商业化高效电池的效率潜能,如PERC、HIT、钝化接触电池等,德国知名太阳能研究所(ISFH)在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性的概念从理论上对不同结构太阳能电池的理论效率极限做了细致的分析,结论是钝化接触电池(例如TOPCon电池)具有更加高的效率极限(28.2%~28.7%),高于HIT的27.5%极限效率,同时也远远高于PERC电池(24.5%),最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率(29.43%)(详细介绍见下文)。

TOPCon电池效率极限28.7%!钝化接触电池最新进展全面解读
随着太阳能电池研究的不断进步与深入,多种不同结构的高效太阳能电池被开发,如 PERC、IBC、HIT、TOPCon等,同时太阳能电池转换效率越来越接近其理论极限。纵观单晶硅太阳能电池世界效率纪录的提升历史,会发现效率提升有三个比较快速的时期。前两个分别是1954-1960年晶硅太阳能电池刚研发出来的几年内以及1985-2000年前后。前者发射极没有钝化(un-passivated emitter),效率提升(从5%到15%)更多得益于光学方面的改善;后者则对发射极进行了钝化(passivated emitter),同时在背面引入金属局域接触对背面也进行了钝化,该时期的效率提升(从20%到25%)更多来自于电学(复合)方面的增益。第三个时期就是在最近几年,效率提升(>25%)得益于对金属接触进行了全区域的钝化(passivating contacts)。

1.钝化接触电池

背景介绍

目前商业化的晶体硅太阳能电池中,前表面一般采用浅结高方阻设计,对于p型电池,前表面为磷掺杂的n+发射极结构,经过丝网印刷、烧结之后金属接触区域的暗饱和电流密度(J0,metal)为800~1000 fA/cm2;对于n型电池,前表面具有相同方阻的p+发射极经过丝网印刷、烧结之后,金属接触区域的暗饱和电流密度(J0,metal)为1000~2000 fA/cm2。随着市场对高效电池和高功率组件的需求急剧增加,降低金属-半导体接触区域的复合显得尤为重要。

1.1 何为钝化接触太阳能电池

隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivating Contacts)电池的概念由德国夫琅禾费太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)于2013年提出,下图为该N型钝化接触太阳能电池的结构示意图。

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图1. 钝化接触太阳能电池结构示意图[1]

前表面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有本质区别,主要区别在于背面。硅片背面采用硝酸湿法氧化出一层1.4 nm左右的极薄氧化硅层,并利用PECVD在氧化层表面沉积一层20 nm厚的磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜。钝化性能需通过后续退火过程激活,Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化,由微晶非晶混合相转变为多晶。在850 °C的退火温度下退火,iVoc > 710 mV, J0在9-13 fA/cm²,显示了钝化接触结构优异的钝化性能。所制备的电池效率超过23%,其余电性能参数如Voc, Jsc和FF在表1中列出。下图2和图3分别为Fraunhofer-ISE 的单晶钝化接触太阳能电池的效率提升及钝化性能改善曲线,从中可以看到钝化接触技术对于效率提升的潜力。目前N型前结钝化接触太阳能电池世界纪录(25.8%)由该研究所保持(其余电性能参数见表1)。

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▲图2.Fraunhofer-ISE的N型单晶钝化接触太阳能电池效率进展

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▲图3.Fraunhofer-ISE的N型单晶钝化接触太阳能电池钝化性能进展

1.2 钝化接触太阳能电池的优势

为什么高效太阳能电池效率提升到25%之后的技术路线是钝化接触电池,而非其他结构的太阳能电池;为什么是N型钝化接触电池,而非P型钝化接触电池,这是个值得思考的问题。

常规Al-BSF太阳能电池由于背面金属电极直接与Si接触,载流子复合严重,导致J0偏高,Voc难以超过685 mV。PERC太阳能电池在背面金属与Si之间沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜,利用场钝化和化学钝化对背表面实现了优异的钝化效果,提高了电池Voc。目前PERC太阳能电池的Voc可以接近690 mV,但仍难以超过700 mV。由于Al2O3/SiNx均为介质绝缘膜,为实现电学接触,需对介质膜进行局域开孔,由此造成载流子需通过二维输运才能被金属电极收集,造成横向电阻输运损耗,FF随着金属接触间距的增加而减少。同时金属与Si局域接触仍然在该区域存在较高的复合,即J0,metal比较高。

更高效的太阳能电池要求在具有良好的界面钝化情况下,尽可能实现一维纵向输运,使Voc和FF最大化。而钝化接触便是实现该功能的途径之一。钝化接触电池的Poly-Si与Si基底界面间的氧化硅对钝化起着非常关键的作用,氧化硅通过化学钝化降低Si基底与Poly-Si之间的界面态密度。多数载流子通过隧穿原理实现输运,少数载流子则由于势垒以及Poly-Si场效应的存在难以隧穿通过该氧化层。在重掺Poly-Si中,多数载流子浓度远高于少数载流子,降低电子空穴复合几率的同时,也增加了电导率形成多数载流子的选择性接触。在选择性接触区域,多子传输导致电阻损失,同时少量少子向金属接触区域迁移导致复合损失。前者对应接触电阻ρc,而后者则对应界面复合J0。目前国际报道了J0低至2 fA/cm2,ρc低至3 mΩ/cm2的n+ Poly钝化接触,iVoc高达733 mV [2],而电池Voc也可轻松突破700 mV。

HIT也采用了类似接触钝化的技术。HIT采用非晶硅作为钝化材料,非晶硅存在较严重的寄生吸收,同时由于非晶硅的钝化性能对温度敏感,所以HIT电池要求制备温度低于200 °C,配套地要求使用低温银浆、透明导电层(TCO),而TCO存在较强的自由载流子吸收。此外仅靠单层TCO作为减反射层,减反效果较差。综合这些因素可以认为钝化接触电池是目前更具有量产前景的钝化接触技术。

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▲图4. n+ Poly,p+ Poly和a-Si:H三者的钝化接触性能[3]

图4显示了n+ Poly,p+ Poly和a-Si:H三者的钝化接触性能[3]。可以看出n+ Poly和a-Si:H的钝化性能接近,均优于p+ Poly钝化性能。但是,a-Si:H接触电阻率(ρc)比n+ Poly大,p+ Poly无论钝化性能还是接触电阻率都不如n+ Poly。目前PERC太阳能电池背面采用Al2O3/SiNx叠层钝化,J0低于10 fA/cm2,钝化性能甚至优于p+ Poly,使p+ Poly在p型太阳能电池中丧失优势;而n+ Poly用作P型太阳能电池前表面的发射极,则又会存在多晶硅寄生吸收的问题,导致短路电流低。因此P型钝化接触电池相对N型钝化接触电池更没有优势,这也是几乎所有企业都将目光聚焦在N型钝化接触电池的原因。

1.3 钝化接触太阳能电池的潜力

从宏观上讲,SiOx/(n+或p+) Poly与a-Si:H(i)/a-Si:H(n+或p+)均属于载流子选择性接触结构,即满足以下两方面的条件:1)抑制少数载流子的传输,避免其达到界面与多数载流子发生复合(低的J0);2)促进多数载流子的有效传输,降低电阻损失(低的ρc)。德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)所长R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt为了定量比较不同材料的电学性能,将钝化性能参数(J0)和接触性能参数(ρc)结合在一起,定义了材料载流子选择性(Selectivity)的概念,用S10表示[4]。其中,S10=log[Vth/( J0•ρc)],Vth为25 °C时的热电压。不同的载流子选择性材料与硅基底结合构成载流子选择性电池,材料的载流子选择性决定电池极限效率的上限。R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性S10的概念从理论上对不同结构太阳能电池的理论效率极限做了细致的分析[5],如图5所示。

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▲图5. 不同电子/空穴选择性接触材料组成电池的极限效率[5]

图5为不同电子/空穴选择性材料结合组成的太阳能电池的极限效率计算,电子选择性材料SiOx/n+ Poly-Si与空穴选择性材料SiOx/p+ Poly-Si结合的电池的选择性可以达到13.8~14.2,高于电子选择性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)与空穴选择性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)结合的电池,即HIT,因而具有更加高的效率极限(28.2%~28.7%),高于HIT的27.5%极限效率,同时也远远高于PERC电池(24.5%),最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率(29.43%)[6]。

2.钝化接触太阳能电池

研究进展

2.1 学术界

目前国内学术界研究钝化接触太阳能电池开展得不多。中国科学院宁波材料技术与工程研究所(NIM TE, CAS, China)制备的小面积(4 cm2)的钝化接触电池效率为22.15%,156×156 mm2尺寸的电池效率为21.37%。此外该研究所在理论模拟方面也做了相关工作,采用AFORS-HET软件模拟了氧化硅厚度、界面态密度以及poly-Si性质对钝化接触电池性能的影响。上海交通大学沈文忠教授团队制备的大面积(156.75×156.75 mm2)的钝化接触太阳能电池平均转换效率在20.7%以上,最高效率接近22%。

国外研究钝化接触太阳能电池的研究所或高校主要有Fraunhofer-ISE(德国),ISFH(德国), ANU(澳大利亚),SERIS(新加坡)和TU-Delft(荷兰),ECN(荷兰)。其中ISFH和TU-Delft主要研究POLO-IBC太阳能电池,即将钝化接触技术应用在IBC太阳能电池中。

Fraunhofer-ISE目前保持N型单晶和多晶钝化接触电池世界纪录效率,命名为TOPCon电池,Feldmann等在2013年首次报道的电池就是双面TOPCon结构,电池具有703 mV的Voc和23.7%的效率;2014年,Feldmann等通过改善金属接触面积和降低接触损失,将电池的Voc提升至715.1 mV,取得24.4%的转换效率;2015年,Fraunhofer-ISE将电池背面TOPCon结构的J0降到7 fA/cm2,同时将电池效率提升至25.1%;2017年,Richter和Feldmann等探究不同硅片厚度及电阻率对TOPCon电池效率的影响,在4cm2大小,电阻率为1 Ω•cm,厚度为200 μm的FZ硅片上取得了25.8%的前结世界效率记录,具体电性能参数见表1。

Fraunhofer-ISE也进行P型钝化接触电池的研究, P型钝化接触电池有前表面场 (FSF) 和没有FSF的效率分别为24.3%与23.9%。双面采用钝化接触结构的P型Si太阳能电池效率为19.2%。Fraunhofer-ISE的研究表明,钝化接触太阳能电池对硅片的电阻率和厚度相比其他技术的太阳能电池有更宽的容忍率[1]。该研究所制备的大面积(100 cm2)的钝化接触太阳能电池效率高达24.5%,Voc为713 mV。

ISFH研究的钝化接触太阳能电池命名为POLO (Poly Si on Oxide)太阳能电池。该研究所对POLO太阳能电池的钝化机理,载流子输运机理以及表征做了非常深入的研究。该研究所的研究表明采用氧化硅作为钝化层+多晶硅作为载流子选择性接触材料,是能取得潜在最高效率的组合。2016年,ISFH制备的N型POLO-IBC太阳能电池效率达到24.25%,Voc为727.1 mV;2018年其制备的P型POLO IBC太阳能电池效率则高达26.1%,是目前P型太阳能电池的世界纪录效率[2]。但该电池不仅需采用光刻技术掩膜来分别实现硼原子和磷原子的注入,也需要精确控制激光开膜的能量来减少对poly钝化性能的损伤,制备流程复杂,不适合产业化。

ANU也有研究n-Si基底和p-Si基底的钝化接触太阳能电池。该研究所目前N型钝化接触太阳能电池效率为24.7%,其余性能参数见表1。ANU首次采用磁控溅射制备p+ Poly,其p型钝化接触太阳能电池效率为23%,Voc超过700mV,表明磁控溅射也可以制备出性能优异的Poly-Si[7]。

SERIS制备的大面积(244.3 cm2)双面N型钝化接触太阳能电池,称之为MonoPolyTM。2018年报道的电池效率为22.8%,J0, Poly < 3 fA/cm2,背面J0,metal(Poly) < 25 fA/cm2,双面率>85%;2019年Silicon PV上,SERIS报道了将大面积电池的效率提升至23.2%[8]。TU-Delft制备POLO-IBC电池效率超过22%,J0, p+ Poly=4.5 fA/cm2, J0,n+ Poly=11.5 fA/cm2。该电池基区与发射区之间的gap采用a-Si:H进行钝化,金属电极与BSF,Emitter之间也有一层a-Si:H[[9]。ECN称其N型钝化接触太阳能电池为PERPoly (Passivated Emitter and Rear Polysilicon),面积达239 cm2, 2016年对外公布的效率为21.5%。

表1. 不同研究所的钝化接触太阳能电池性能参数

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下表2归纳整理了这些研究所目前最佳性能的钝化接触太阳能电池的相关性能参数以及制备工艺。与大多数研究所不同,ISFH所制备的氧化硅层厚度超过2 nm,并且在后续工艺中采用1050℃的退火使氧化硅层破裂,形成孔洞(pinhole),从而实现界面钝化和载流子的输运。

表2. 不同研究所的钝化接触太阳能电池钝化接触性能

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2.2 产业界

鉴于N型钝化接触电池高效率、高可靠性等优势,国内大型光伏企业如中来、天合、晶科和晶澳等也对钝化接触电池技术进行了大量的研发投入。中来股份自主研发的全尺寸N型单晶双面钝化接触电池的转换效率可达23.3%,开路电压达到705 mV [10];天合研发的钝化接触电池经过ISFH第三方认证,效率达到24.58%;在产业化的道路上,中来股份一直走在行业前列,是国内第一家将N型钝化接触电池量产,目前拥有2.4GW 该电池产能,为全球最大的N型钝化接触电池的研发和生产厂家。

3.中来N型单晶双面

钝化金属接触技术

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▲图6 中来n型单晶双面钝化接触电池结构示意图

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中来股份旗下的泰州中来光电科技有限公司于2017年7月开始N型双面钝化接触电池的研发,电池的前表面采用Al2O3/SiNx叠层膜钝化,背表面为SiOx/n+ Poly隧道结结构,其前表面和背表面均为H型栅线电极,可双面发电,结构示意图如图6所示。2018年9月,N型双面钝化接触电池的研发平均转换效率达到22.5%,次月通过对现有的N型双面PERT产线的改造,建成产能为150 MW的双面N型双面钝化接触电池试验线。2018年年底开始对现有的双面PERT产线进行全面的改造,截止2019年初全部改造完成,钝化接触电池量产的平均转换效率达到22.5%,经过进一步的工艺优化,产线的平均量产效率可达22.66%,各项电性能参数汇总于表3

表3. 中来n型双面钝化接触电池效率汇总

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* Independently confirmed by ISFH calibration

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图7 STC条件下中来N型单晶双面钝化接触电池的I-V曲线图(第三方独立认证)

泰州中来光电技术研发部致力于可量产化的双面钝化接触电池的开发,在现有生产工艺流程的基础上,通过工艺优化取得了>23%的电池平均转换效率,经过德国ISFH独立认证,转换效率达到23.04%,Voc超过700 mV,如图7所示。近期批次最高效率达到23.3%,具体的电性能参数整理于表3,并计划在今年第三季度把相关工艺导入量产。

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4.双面N型单晶钝化接触电池的

产业前景

目前,国际上量产N型单晶钝化接触电池最大规模的企业为韩国LG,量产的正面平均效率可达23%,背面效率约为20%;国内量产N型单晶双面钝化接触电池最大规模的企业为中来股份,拥有超过2GW的该电池产能,量产平均效率达到22.66%。从产业化而言,N型PERT单晶电池与N型单晶钝化接触电池大部分工艺相兼容,将N型PERT电池升级为N型钝化接触电池效率增幅大且成本增加少,效率会有0.8%~1%的增益, 成本每片电池仅增加2~3毛,具有经济合理性。

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▲图8. ITRPV 2019预测双面电池市场份额发展趋势[12]

相对于单面电池,双面电池背面可以充分利用大气散射及地面反射的太阳光,若对地面进行反射处理,如白漆、白膜等,增加组件背面的反射,可以显著提升组件的发电效果。依靠双面发电特性,双面组件在土地、沙地和草地上增益发电21%-23%,在水泥地面上增益发电28%,在白漆地面上增益发电36%。2019年ITRPV预测双面电池市场份额发展趋势如图8所示,双面电池的市场份额将逐渐增加,2019年的占比达到~15%,将在2029年有望达到60%[11],表明双面电池是未来电池技术发展的趋势。根据国家能源局公布的数据,2018年10个运用领跑基地(5 GW)项目中,双面技术占比为53%,3个技术领跑基地(1.5 GW)项目中,双面技术占比高达66%,可以预见双面电池技术是未来领跑基地项目的必然选择。

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▲图9 ITRPV 2019预测不同类型太阳能电池的市场份额发展趋势[12]

ITRPV 2019预测不同高效太阳能电池的市场份额发展趋势如图9所示,图中可以看出,无论对于P型单晶PERC还是多晶PERC电池,市场份额的占比会呈现出逐年下降的趋势,N型单晶PERC电池的市场份额在2023年之前将维持稳定,2023年之后会缓慢增长;而采用钝化接触技术的电池将呈现逐年迅速增长的态势,尤其是采用钝化接触技术的N型电池,将在2029年有望达到20%的市场份额,是P型钝化接触电池的2倍。

综上所述:

1.钝化接触电池结构具有优异的钝化性能和接触性能,在实现载流子一维纵向输运的同时能降低金属与硅基底的复合,兼顾开路电压与填充因子,能有效提高太阳能电池的转换效率;根据理论计算,钝化接触太阳能电池的潜在效率(28.7%)最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率(29.43%)。

2.Fraunhofer-ISE 目前保持n型单晶钝化接触电池(前结)的世界纪录效率,在4 cm2 面积的电池上实现了25.8%的转换效率;国内大型光伏企业,如中来、天合、晶科和晶澳等,对钝化接触电池的研发可实现大于23%的转换效率。其中,中来已实现N型单晶双面钝化接触电池的大规模量产,生产线的平均量产效率可达22.66%,在小批量电池研发平均效率>23%,经过德国ISFH独立认证, Voc超过700 mV,最近批次最高效率达到23.3%。

3.相比于P型PERC电池,N型单晶钝化接触电池具有高效率、长寿命、无LID和弱光响应好等优点,N型单晶钝化接触电池与常规N-PERT电池工艺相兼容,升级钝化接触电池,效率增幅大,成本增加少。

4.根据ITRPV 2019预测,双面电池技术是符合市场发展的趋势,市场份额将逐渐增加;同时,双面电池技术也是未来领跑基地项目的必然选择。钝化接触技术与双面电池技术的结合,是未来单晶太阳能电池技术发展的主流趋势。

参考文献

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