铝浆技术助力nPERT太阳电池朝23%效率和700mV电压目标演进

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作者｜Radovan Kopecek等

出品｜PV-Tech（ID:PVTechCN）

本文系原创文章，转载请联系授权

摘 要

如今越来越多的大型光伏系统建造在沙漠地区，由于常年暴露在高温环境下，这些太阳能电池和组件的稳定高电压表现正变得日益关键。高电压太阳能电池有着更低的温度系数，有助于光伏系统转化更多的电能。

标准钝化发射极与背电极电池(PERC)器件的电压低于680mV，属于中等水平，并且在沙漠地区有出现衰退现象的风险，即光照和高温引起的衰退(LeTID)效应，以及最近观察到的钝化层衰退效应。

本文为PREC生产商提供了一种解决方案，可以简单地将该技术转变为n型钝化发射极和背电极全扩散(nPERT)太阳能电池(稳定效率能达到22%以上，电压接近700mV)，并且几乎无需增加额外成本。这种称为MoSoN(N型单晶硅太阳能电池)的技术，融合了PERC的铝金属化技术和来自nPERT的扩散技术(BiSoN)。

基于Toyal的先进Al技术，将Al点接触技术应用到MoSoN电池背面，使电池背面形成点接触选择性发射极，并在隆基乐叶n型硅片上实现器件电压达到695mV左右。不仅如此，通过进一步的优化还可以将电压提高到700mV以上。

使用该技术的拥有成本(COO)与标准PERC太阳能电池相当，即使后者不将衰退效应考虑在内，很大一部分原因是背面AlOx(钝化)被BBr3扩散(通过原位生长SiO2层同步完成扩散和钝化过程)所代替。此外，在MoSoN电池中没有发现钝化层衰退的现象，而PERC太阳能电池则恰恰在最近被发现了相关衰退现象。

引 文

今天，光伏太阳能电池和组件制造商们正再次深陷危机。而上一次危机要追溯到2011年，由于当时的需求远未达到预期规模，产能出现了过剩。根据目前的预测，到2018年底，光伏总产能将达到160-170GW，其中钝化发射极背电极电池(PERC)产能就达到60-70GW[1]；这将比2018年的实际需求高出60-70%。如今市场继续动摇，但这次是在亚洲，因为现在欧洲和美国几乎没有大型的制造商。

其中受影响最大的是那些专注于标准mc-Si Al-BSF技术的制造商。图一(a)展示了2018年各种电池技术的市场份额和对未来的预测情况；该图指出，在未来5年市场将由基于p型Cz-Si材料的PERC技术主导。

图一:(a)对各技术市场份额的预测(引用PV Tech[2]);(b)p型PERC太阳能电池的典型剖面图。

上一次危机的化解依靠的是迅速将新技术推向光伏市场，例如PERC和n型钝化发射极背电极全扩散(nPERT)技术。然而，由于当时PERC技术的推广速度过快，导致有些PERC生产商没有深刻意识到该技术的相关实际挑战，例如光照和高温引起的衰退(LeTID)[3,4]，以及最近由康斯坦茨大学研究人员发现的PERC太阳能电池钝化层衰退效应[5]。

虽然光致衰退(LID)效应是因为硼-氧化合物造成的，而且可以通过低氧含量材料进行抑制或者再生[6]，但LeTID则被认为是由PERC中氢含量过高造成的，这些氢元素是从双面等离子增强化学气相沉积(PECVD)SiNx钝化层中迁移到Si体内的[7]。

目前已经有降低LeTID的方案—例如，使用低氢含量SiNx层，或者降低金属电极烧结温度以尽可能减少进入硅体材料内部氢离子的数量[7]。一些深刻理解了他们产品的PERC生产商，综合采用了上述两种方法，并选择比较不容易受影响的Si材料。然而，即使是在这种经过优化的太阳能电池中还是能观察到一定程度的衰减，因为PERC内的衰退机制非常复杂。

在作者看来，实现无衰退太阳能电池设计的一个最有效且最简单的方法是直接改用MoSoN(基于n型单晶硅的太阳能电池)。该器件类型与现有的PREC结构非常相似，主要差异点只有两个:1) 硅体材料改为n型; 以及2) 使用BBr3扩散工艺代替更普遍的AlOx钝化工艺。

目前n型硅片成本只比P型贵5%，但是却在上述衰退机制中有着更加健壮的表现。本文将简要介绍由ISC康斯坦茨(康斯坦茨国际太阳能研究中心：ISC Konstanz)推出的MoSoN太阳能电池概念及其相关电池性能参数，与标准PERC电池的成本进行比较，并勾勒出PREC转成MoSoN后的形态。

图二显示了MoSoN电池的剖面结构图；它的主要结构为一个n型PERT太阳能电池，包含一个硼背结电场和背面的Al金属电极(与PERC技术相似)。通过铝掺杂硅的再结晶化，在背电极下面生成局部选择性发射极。接下来我们将详细介绍这种太阳能电池技术的优势。

图二:MoSoN太阳能电池剖面图。

许多科学家都表示继PERC和双面电池之后的下一个重要技术将会是TOPCon[8]，其实质是选择性载流子钝化电极，以及电极和硅片之间的重掺杂硅层。这种钝化接触电极可以有很多加工方法，可以参考Cuevas在EU PVSEC 2018上的总结[9]。光伏产业与其说是革命性发展，不如说是渐进式发展，在作者看来，如今至少有一种是处在这两种状态之间的，其中就包括低成本且性能稳定的n型Al浆技术，其制备的电池效率能达到23%(nPERT)甚至更高(IBC)，电压则能达到700mV左右。

图三沿着目前主要的c-Si技术路线图对目前ISC康斯坦茨的研究进展进行了总结。

图三:ISC康斯坦茨标准扩散型电池技术的研究进展与路线图。

图一左下角是标准Al-BSF技术，该技术正逐渐失去市场份额，取而代之的是PERC太阳能电池技术。此外，Al-BSF标准太阳能电池效率限制在20%左右，而且Al-BSF技术甚至无法支持双面组件应用。相反，PERC电池则能够制作成双面组件，并且将持续扩大双面市场份额，因为双面PERC组件的成本几乎与单面PERC组件一样。采用双面应用将节省Al浆的使用，不过也会导致前表面绝对效率降低0.2-0.4%abs，具体大小决定于双面因子，而因子大小通常在65-80%之间[10]。

对于标准前表面发射极nPERT技术(在ISC的技术中是BiSoN)，目前英利、中莱、REC、Adani、林洋等公司可以实现与双面PERC相同的效率，但双面因子却更高，达到85-95%之间。通过结合背面-发射极Al浆nPERT技术(MoSoN)和IBC技术(ZEBRA)，可以取得扩散结技术电池的最高且最稳定效率。

采用MoSoN技术的电池效率目前可以达到22.2%(采用oBB的为22.98%)-采用ZEBRA的为23.2%。此外，Al浆技术将在接下来的几个月内引入到ZEBRA和BiSoN中，使Voc有望提升至700mV左右。对于BiSoN来说，遇到的挑战会更大，因为Al浆会用在前表面，这里需要印刷更薄的电极，对于目前的Al浆技术来说是无价值的。除了Toyal改良烧结穿透Al浆技术外，Toyal将使用电介质激光开槽技术以及先进的Al浆技术。

PERC太阳能电池的现状以及可能的衰退机制

PERC太阳能电池正在快速成为新的标准-问题是这一切是否发生地太快。

PERC的现状

PERC是一种成熟的技术，有着相对简单的工艺，因此其拥有成本(COO)也更低。隆基乐叶的PERC技术效率达到了破纪录的23.6%[11](2018年3月份)，该电池采用无主栅金属电极设计，但随后被晶科的23.95%所超越[12](2018年5月份)。效率记录固然很高，但重要的是产品的平均效率值，以及生命周期的稳定性。

对于大的光伏生产商(韩华 Q-Cells、晶澳太阳能、隆基乐叶、天合光能、晶科和阿特斯太阳能等)，最近的平均量产效率都处在21.5%到22%之间；这一成果相比于标准Al-BSF技术来说是非常有优势的，后者已经占据市场十年，且最好的平均效率都难以超过20%。然而，关于衰退效应，我们并不确定是否所有PERC生产商都清楚他们的产品是否可以遭受所有这些类型影响的挑战。

PERC衰退

当我们参加会议和拜访制造商的时候，经常会惊讶地看到许多负责PERC组件的人竟然从来没听过几种PERC器件的衰退问题—特别是当提到LeTID(又称为”载流子引入衰退”—CID)时。即使在第四届PERC太阳能电池和双面组件论坛2018[13]上，LeTID还没有真正成为话题之一。

我们听到最多的关于对LeTID的回应是:“LeTID？没有，我们没有遇到LID:我们的组件很稳定”。或者是一些显得经验更成熟的回答:“LeTID只对mc-Si PERC有影响—但我们只生产Cz-Si PERC”。这两种观点都不是事实。即使LeTID是首先在mc-Si PERC电池上发现的[3]，该影响也依然能在Cz-Si PERC组件上发生并带来有害的影响[4]。

在这点上，PI柏林对许多能够在市场购买的PERC组件进行了测试(且测试仍在持续进行中)，以确定是否存在LeTID问题。在进行了六个星期的加速衰退试验后，所有测试组件的输出功率都衰减了5%甚至更多—而且衰退曲线还依然没有出现饱和。不仅如此，我们还了解到有些工作了2-3年之后的PERC光伏系统发现组件功率衰退了接近20%，这简直是个灾难。

PERT太阳能电池的状况及其衰退机制

PERT的现状

目前有两种不同的PERT制备技术，其中只有采用前表面发射极的技术才是被广泛使用的(例如被中莱光伏、REC、英利、Adani、林洋等制造商)。来自imec的Tous根据这两种技术的实验室结果进行了很好的总结并在EUPVSEC 2018上发表[14]，图四引用了其中一组的效率(在本文中，所有组都是参考引用的)。带星号的效率是经过校准实验室认证的。

图四:两种不同nPERT技术的太阳能电池参数:(a)前表面发射极;(b)背面发射极(表格引用自Tous[4])。

其中最高效率是由imec的背面发射极nPERT技术取得的23%。需要注意的是这两种组件中使用了很多不同的技术—甚至是现在的钝化接触、电镀技术和由GridTOUCH测试无主栅技术。ISC康斯坦茨的策略是只使用在目前行业中成熟的工艺。在Tous发表论文[14]的时候，当时通过采用 ISC康斯坦茨的MoSoN技术，取得了21.8%[15]的效率，并通过FhG ISE CalLab(本文后面有展示，如图八所示)验证。最近，通过均匀前表面场(FSF)和标准丝网印刷技术(看下文的表格一)，效率更是超过了22%，开路电压也达到了693mV。稍后我们将对该技术进行详细探讨。

PERT的衰退效应

虽然n型器件的衰退现象要轻微很多，但是部分科学家却声称LeTID同样会影响nPERT和IBC太阳能电池。目前ISC 康斯坦茨正在对这类问题进行研究，结果并未发现电池参数有出现明显下降。在过去，科学家还在氧钝化硼发射极太阳能电池上发现了UV衰减效应，这是由于硼离子迁移到氧化层后形成强耗尽层造成的[16]。

然而，在ISC康斯坦茨的所有电池概念里， 原位生长SiO2钝化层是BBr3扩散期间用在B发射极上[17]的；因此，这一层已经是硼饱和层，硅表面的耗尽区没有增加。目前为止没有在BiSoN、MoSoN和ZEBRA任何一种电池概念里观察到这种衰退。

先进铝浆技术

MoSoN(以及其他背结nPERT技术)背后的想法是结合n型硅片和Al浆电极技术以实现较高且稳定效率。在该nPERT背结器件中，选择性发射极是在Al再结晶时形成的。如果电极区域最小化成小点的区域，可以通过将总接触区域降低至1%(如图五所示)非常接近钝化电极。在理论上这种小的电极很容易和铝接触，调整合适的化学成份，包括浆料内的玻璃粉和硼含量，可以形成合适的合金。

此外，如果激光电极开槽(LCO)尺寸越小，合金期间硅从硅片外扩散至浆料速率就越高，在冷却期间硅外扩散回硅片的速率越低，以形成所需的局部合金发射极。Toyal开发了一种铝浆，能够用于形成局部小范围发射极点和电极，通过调整铝浆中特殊Al-Si合金和Al粉，为MoSoN太阳能电池低成本金属化开辟了新的方向。

图五:微点式接触的形貌随着Toyal的Al浆内Si含量的不同而形成的差异。

铝电极均匀性和选择性背发射极PERT太阳能电池

MoSoN的目的是利用两项优势:

• N型材料有着更低的衰减敏感度；

• Al浆的低成本和高电压电极特性；

背结nPERT技术的历史已经10年有余，如图六所示。

图六:背结nPERT技术的发展历史[15]。

在刚开始的时候，还称为”Phos-Top概念”，发射极是只通过使用Al浆形成的，但很快就演变成硼扩散与铝浆结合的策略了，具体是由韩华Q-Cells发明的。这类太阳能电池概念的潜能依然非常大，因为该技术的工艺非常简单且有着稳定较高的效率。因此ISC康斯坦茨从很早就开始对MoSoN这一概念进行探究，该研发项目横跨多个国家和多个行业项目。

图七展示了MoSoN技术的工艺流程以及剖面结构。其工艺流程首先开始于切割损伤刻蚀。紧接着是进行双面硼扩散，在此期间背面通过原位生长SiO2界面层完成了钝化，所以不再需要AlOx钝化。随后在背面沉积SiNx，并在前表面进行制绒。在完成POCl3扩散步骤后，通过PECVD在前表面沉积SiNx，并通过激光在背面SiNx开槽。在完成金属化和烧结之后，该器件是边缘绝缘的。目前，关于湿法化学边缘绝缘的研究仍在继续，并将在近期完成。

图七:MoSoN太阳能电池:(a)工艺流程图；(b)剖面结构图。

需要注意的是背面PECVD SiNx层是在高温扩散工艺下完成的，导致氢含量非常低，这也能解释为什么MoSoN电池没有出现LeTID。图八显示效率为21.8%的电池I-V曲线，由FhG ISE CalLab测试认证。

图八:五主栅MoSoN太阳能电池的I-V特性曲线，由FhG ISE CalLab测试认证[15]。

虽然效率很高，但更令人印象深刻的是在没有选择性FSF和钝化接触电极的情况下开路电压竟然达到686mV这一相当高的水平。由ISC康斯坦茨开发的MoSoN主要目的在使用非常接近标准工艺的情况下获得非常高的电压。表格一总结了最近通过优化点接触之后得到的电池参数，其中效率达到22.2%，开路电压达到惊人的693mV。

表一:采用优化点接触的最好单晶硅双面器件的最新MoSoN结果。

而双面电池的双面因子只有中等水平的60%，效率为22%；目前正在开展新的试验试图将效率提高到22.5%，开路电压提高到700mV。最近刚制备完成的无主栅(0BB)MoSoN太阳能电池效率达到了22.98%((Jsc=40.7mA/cm2,Voc=693mV, FF=81.5%)，由GridTOUCH所测；该效率与imec所取得的最高结果相等，如图四(b)。MoSoN概念将会在centrotherm 发布会上展示，同时还会在2019 SNEC PV Power Expo受邀演讲上展示。

表格二总结了MoSoN太阳能电池的相比于标准PERC电池的优势。

表二:标准PERC和MoSoN对比。

MoSoN工艺并不包含选择性FSF，因此前表面工艺比许多PERC效率记录电池要简单。另外，MoSoN的潜在量产效率更高，这是使用了n型材料和进行完整扩散表面的结果；不仅如此，这两项因素可以保证更高更稳定的效率表现。在MoSoN工艺中AlOx钝化设备可以由来自centrotherm高产能LP-BBr3扩散炉代替，能实现背面发射极扩散和均匀的原位钝化[17]。这种电池结构的另一项优势是硅片体电导率中来自于横向电导率的比例与FSF相当。因此，背结nPERT概念需要的Ag子栅数量比PERC电池更少，从而节省Ag成本[18].

图九展示了由ISC 康斯坦茨和centrotherm规划的MoSoN产品线。下一节将讨论COO，并总结在表格二中。由于n型硅片价格仍然比p型的贵，因此目前MoSoN电池的成本稍微更贵一些。尽管如此，MoSoN组件在系统环境下的更高成本已经被更高效率、更稳定性能以及稍稍更高的双面率所平衡掉了。对于双面水平六轴跟踪(HSAT)MoSoN系统，在辐照度为1,875kWh/kWp/year，反照率为35%(例如沙漠地区)的环境下的度电成本(LCOE)为3.9美分/kWh。

图九:由centrotherm设计的MoSoN产线布局(发表于SNEC2017)。

PERC和PERT太阳能电池的COO

当采用标准p型工艺时，n型太阳能电池的成本不一定就很高。图十展示了目前光伏市场上标准太阳能电池产品的COO。由于硅片价格是随时浮动且占据了太阳能电池总成本的大部分，因为不同工艺之间的成本差异非常依赖于目前的硅片市场。不过，很明显的是，相比于过去的工艺，目前最先进的太阳能电池工艺正在非常接近于生产最低成本的mc-Si组件的成本了。在系统层面，现在重要的是选择高功率组件以最小化LCOE。

图十:不同太阳能电池概念的COO:(a)分解为太阳能电池和组件成本；(b)与60片电池组件功率的关系。

由于具有较低的COO 和较高较稳定的功率，MoSoN是最适合发展的技术。

总结和展望

在Al-BSF太阳能电池长期占领光伏市场之后，PERC太阳能电池正在成为太阳能电池产品线的标准技术。这对PV市场是好事情，因为更高的效率将有助于降低光伏系统的系统平衡(BOS)成本。

本作者认为PERC的下一步发展将向n型材料与背发射极标准nPERT概念的转变，原因是这将减弱衰退效应和提高效率，同时保持工艺水平的简单化。下一步还没有包括钝化电极，因为结合非常低成本的先进Al浆技术，可以轻松实现23%的效率和700mV的电压。

本文介绍了ISC康斯坦茨的背结nPERT概念-MoSoN，基于隆基乐叶n型材料，取得了22.2%的效率和693mV的电压。这种来自于Toyal的非常低成本的Al浆点接触技术有希望在使用简单工艺的情况下取得23%的效率，同时太阳能电池转换成本只有7美分/Wp左右(不包括硅片成本)。此外，该技术在未来将被用于测试以及开发ISC 康斯坦茨的ZEBRA IBC太阳能电池概念，并有望取得24%的效率成果。

致 谢

本文作者要感谢ISC 康斯坦茨所有参与开发MoSoNs技术的同仁。本文工作有一部分得到了德国BMWi项目Kosmos(0325822E)和Ideal(0325889A)的赞助。

作者简介

Radovan Kopecek在1998年获得斯图加特大学物理学学位，并在2002年取得康斯坦茨大学的博士学位，博士期间研究课题涉及c-Si薄膜硅太阳能电池。作为ISC 康斯坦茨的创办人之一，Kopecek从2007年开始就带领先进太阳能电池部门的发展；该部门承担多项欧洲与国家研究项目和技术转化项目，主要集中在高效n型器件与双面技术上。从2016年开始他就成为EUREC-欧洲可再生能源研究中心理事会的董事会成员。

Zih-Wei Peng在2012年取得硕士学位。随后他加入台湾光伏行业公司，主要从事nPERT双面电池技术的研发，随后2015年转至大规模生产技术领域。2016年他加入ISC康斯坦茨以完成他在图宾根大学的博士学位。他的研究方向是Al金属化以及nPERT背结太阳能电池技术。

Thomas Buck毕业于康斯坦茨大学并拥有物理学学位；他的毕业论文涉及Daimler-Chrysler 的PEM燃料电池表征研究。他目前正在攻读康斯坦茨的博士学位，在博士期间从事多晶硅n型商用太阳能电池的研究。他也是ISC 康斯坦茨的创始人之一，在2008年三月就加入了该研究机构。他在其他领域的研究兴趣还包括金属化以及双面太阳能电池。

Corrado Comparotto于2008年取得意大利博洛尼亚大学的电子工程硕士学位。毕业之后他担任保加利亚和丹麦多个项目的志愿者，并取得在经济可持续性和自然保护领域的进一步认证。从2011年开始加入ISC 康斯坦茨的先进太阳能电池部门从事n型太阳能电池研发工作。

Valentin D. Mihailetchi在2002年取得罗马尼亚西蒂米什瓦拉大学的物理学学士学位，随后在2005年取得荷兰格罗宁根大学博士学位，专业是有机太阳能电池器件物理。从2005年11月到2008年六月在荷兰ECN太阳能担任晶体硅领域科学家，主要从事n型太阳能电池工艺研发。2008年7月他加入ISC康斯坦茨担任高级科学家并在先进电池概念部门带领n型太阳能电池团队。

Lejo J. Koduvelikulathu在2005年5月取得印度阿巴德卡科技大学电子工程与通信工程双学位。从2005年7月到2007年7月两年间他在印度西门子公司担任调试工程师。在2009年10月，他获得通信工程硕士学位，并在2010年12月获得微纳米系统领域的专业硕士学位，两个学位都是来自意大利的特伦托大学。从2010年11月起他便在ISC康斯坦茨工作，从事太阳能电池结构仿真以及金属化引入复合损失的研究。从2018年开始成为商业太阳能电池部门一员，并负责收集消费者需求，制定试验和研究计划。他还是ISC技术转化团队的成员，主要负责将热处理工艺转化到商业生产线中。

Joris Libal曾在2010年获得图宾根大学物理学学位，之后开始了在PCB封装领域的质量工程师职业生涯。在2003年他被康斯坦茨大学录取攻读n型多晶硅太阳能电池领域的博士学位。随后他加入意大利米兰比可卡大学进行太阳能级硅领域的博士后研究。在2008年加入意大利公司Silfab担任研发经理，主要负责制定多晶硅产线计划和在电池与组件及组件认证方面的研发计划。2012年10月他受聘于ISC康斯坦茨，从事n型电池、能量输出仿真和COO、LCOE计算。

Jan Lossen曾在德国弗莱堡大学和科隆大学学习物理学。并在2013年完成学业，他的毕业论文课题是关于微晶硅层的热丝化学气相沉积工艺。之后超过10年时间里他在ErSol/Bosch太阳能公司的晶体硅太阳能电池生产和开发领域不同位置工作过。从2014年开始，他就担任ISC康斯坦茨首席科学家和工艺转化项目经理。

Masahiro Nakahara于2010年加入Toyo Aluminium K.K，直到2017年加入ISC康斯坦茨。他主要负责金属浆料在太阳能电池应用的研发工作。

Kosuke Tsuji曾在日本东京理科大学学习材料科学，并于2011年毕业。同年加入 Toyo Aluminium K.K，直到2018年加入ISC康斯坦茨。他主要负责金属浆料研发工作，不仅是应用在太阳能电池领域，还涉及电子材料。

Marwan Dhamrin博士1998年毕业于也门萨那大学，之后考取东京农工大学并于2004年获得硕士和博士学位。他的博士论文课题涉及通过Ga掺杂抑制多晶硅硅片的LID效应。毕业之后他加入日本学术振兴会从事mc-Si n型异质结太阳能电池的研发工作，并在东京大学的许多NEDO项目担任产业合作者和助理教授，这些项目包括来自钻石线锯切割设备的切割损失硅粉的回收。在2011年他加入Toyo Aluminium K.K和led 研发小组从事金属化浆料和背板的研发，以及高质量铝浆料的引入，特别是用于PERC全尺寸和双面太阳能电池。

Wolfgang Jooss 博士于2002年取得康斯坦茨的博士学位，他的博士研究课题为多晶硅和背埋电极太阳能电池；其研发的大面积多晶硅太阳能电池实验效率达到了突破记录的17.5%。在2002至2009年期间，在sunways AG担任研发工程师并成为太阳能电池研发部的经理。后来2009年加入centrotherm，一开始他担任综合工厂技术的领头人，工作涉及完整c-Si产业链，之后担任光伏技术主任，负责太阳能电池设备的技术研发。从2016年4月他成为德国康斯坦茨的RCT Solution GmbH研发部主任。

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责任编辑：肖蓓

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