晶硅良好表面钝化技术及其在n型电池中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室 作者:冯泽增

  优秀的表面钝化已成为高效电池制作的一项关键重要技术,本文对目前晶体硅钝化及其在太阳电池中的应用做了总结与介绍。首先阐述了目前常用的几种钝化薄膜钝化机理与制备方法,分析了各自优缺点及适用场合,并重点讨论了不同钝化膜组成的叠层钝化。随着最近n 型高效电池研究的快速发展,介绍了当今几种常见的n 型电池结构,对比了不同材料钝化对电池性能影响。最后对未来发展作了总结与展望。虽然目前晶体硅太阳能市场仍以p 型硅为主,可以预见,n 型电池将是未来高效低成本电池发展的方向。

  目前,制造高效率、低成本的硅太阳电池已成为光伏能源领域的主要研究热点,而低的表面复合速率是达到高效率的先决条件之一。为了提高光生载流子寿命降低表面复合,表面钝化一直是改善提高电池效率的重要技术手段。上世纪80 年代中期,正是由于表面及体钝化技术在电池方面利用使得晶硅电池效率首次突破20%,开启了第三次电池效率提高浪潮。最近,日本松下公司开发的基于超薄衬底晶体硅电池(100 μm) 效率达到了25.6%,打破了澳大利亚新南威尔士大学( UNSW)M. A. Green 带领团队所保持的近十五年的研发记录( PREL 电池效率为25%) ,现有晶硅电池效率到达一个顶峰,可以说表面钝化在电池效率提升中发挥着重要作用。

  尽管目前光伏市场还是主要被p 型电池占据,n型硅电池在高效率电池方面的各种优势已经开始吸引人们的广泛关注。2013 年光伏国际技术路线图( ITRPV) 已经明确预测未来晶硅电池市场将由p 型硅开始向使用n 型硅转变。n 型电池相较于传统p 型电池具有很多优点,比如杂质容忍度高、载流子寿命长、无光致衰减性能稳定等。但与常规p 型电池磷扩发射极不同,n 型电池为p + 发射极,一些常规钝化技术不太适用。为限制成本,改善钝化性能,提高产率,相应的n 型电池钝化也提出了新的需求。

  近年来,一些新发展钝化技术诸如原子层沉积( AtomicLayer Deposition,ALD) 沉积Al2O3等非常适合p + 发射极表面钝化,这为n 型电池发展提供了有益帮助,n 型电池的研究也越来越集中。其中,Sunpower的IBC( Interdigitated Back Contact) 和Sanyo 的HIT( Heterojunction with intrinsic Thinlayer) 电池作为目前效率最高的两款商品化电池,转换效率都在20%以上,实验室效率更是高达24%以上。

  本文旨在分析与综述近年来常用的电池钝化技术机理,各种钝化薄膜制备、性质与电池中应用情况,介绍快速发展的典型n 型电池结构及钝化技术在其中的应用,为下一步快速发展的电池钝化技术提供思考与借鉴。

  表面钝化机理与方法

  硅材料中存在着大量的杂质、缺陷和表面态,它们会在禁带中引入附加能级从而成为复合中心,这种表面复合严重影响着光生载流子寿命从而降低电池效率。由肖克莱-里德-霍尔( SRH) 复合公式,界面处载流子复合率Us可表示为

  式中,ns和ps分别是表面电子和空穴密度,Nit为表面态缺陷密度,σp与σn分别为空穴和电子俘获截面。由公式可以得到表面复合率与表面态的关系,Us随Nit减少而降低,且与ns和ps变化呈正相关。这也同时指出可以采用两种不同的技术角度来降低表面载流子复合速率: ①降低表面缺陷态密度; ②降低表面自由电子或空穴浓度。

  为了有效地降低表面缺陷态密度,通常方案是在晶硅表面沉积或生长一层适当的钝化层,或将硅片浸泡在极性溶液中,来饱和悬挂键降低表面态,这也是常说的化学钝化( Chemical passivation) 。另一种钝化方案是通过建立一个内建电场来降低晶硅表面自由电子或空穴浓度。内建电场可以通过覆盖场效应钝化层或在表面处重掺形成所谓的高低结( p + p 或n + n) 得到,常规p 型电池的铝背场钝化效果既是这种钝化机理体现。这也是常说的场效应钝化( field-effect passivation) 。

  依据这两个基本技术方法,目前晶硅表面钝化方案有很多,按类别又可分为溶液钝化和薄膜钝化两类。溶液类钝化是将硅片浸入某种特殊液体中,如氢氟酸、硝酸、碘酒等,通过溶液与硅片表面的化学反应,饱和硅片表面悬挂键从而降低表面态密度降低表面复合速率。目前钝化效果较好的化学溶液是碘酒。但由于这些方法的极不稳定性使其并未用于电池生产,只是应用于一些测试过程,在电池中使用的主要是薄膜钝化。

  结束语

  表面钝化作为一种重要技术手段与必备工艺深深影响着电池效率提升。如今,为了满足电池发展的高效率低成本化,更加有效合理的钝化方案也正在被人们深入研究开发推广。

  实际上,现今钝化体系中,每种钝化薄膜总是有各种各样的适用性及局限性,没有一种材料能够完美的保证低成本、高速度、高性能、高可靠性、低附加影响等的条件。实际电池制作总是综合考虑多种制备手段、多种钝化薄膜使用以保证与预计需求的较好折衷。叠层钝化能够较好地综合各种钝化膜优势与弊端,会是未来晶硅钝化技术发展方向。采用何种叠层、如何设计厚度以达到最优化钝化效果、不同的叠层各自的增强作用机理以及如何满足低成本大规模的工业应用仍值得进一步研究; 另外常规单层钝化材料是否可以通过改进制备技术优化钝化质量降低成本等也值得深入探讨。

  随着近年n 型电池的快速发展,n 型电池中的钝化愈发重要。其中Al2O3钝化技术的进步为p + 发射极表面钝化提供了广阔的发展空间,但同时ALD沉积的高成本低速率又限制了其发展,因此如何优化钝化性能、设计叠层结构、改进沉积设备提高生产速度降低成本仍会是近期的研究重点,相信Al2 O3薄膜基于其优秀的钝化性能定会获得更广泛的应用。虽然目前晶体硅太阳能市场仍以p 型硅为主,可以预见,n 型电池将是未来高效低成本产业化电池发展的方向。

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