【技术贴】晶硅双面太阳电池技术及应用（一）

广告位招租

太阳电池一般是指基于半导体P-N结的光伏效应，将太阳光直接转换为电力的一种半导体器件，是光伏工业的核心器件。目前主流的太阳电池是基于P型硅材料的晶体硅太阳电池，其结构一般 包括正面电极(正面栅线)、减反射膜(作用是减少光 线的反射，让更多的光被硅材料所吸收)、发射极(N 型半导体)、硅基体(P型半导体)、全金属铝覆盖的背 表面场(Back Surface Field，BSF)和背面电极(背面 栅线)。

通常我们见到的太阳电池都为单面太阳电池，这类太阳电池能够很好地接受直接照射的太阳光，将光能转化为电能。单面太阳电池的整个背面都覆盖着金属，背面的反射光不能透过金属被硅材料所吸收，因此单面电池的背面不能发电。要想利用到反射的太阳光，必须要用到双面太阳电池才行。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。 

目前工业上比较成熟的双面电池有N-PERT(Passivated Emitter, Rear Totally-diffused Cell)电池，即钝化发射极背表面全扩散电池(所谓钝化，就是降低半导体表面活性的技术)，是一种典型的双面电池，NPERT双面电池采用N型硅作基底材料。另外一种双面太阳电池是非晶硅/晶体硅异质结太阳电池 (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer, HIT)，它是以N型单晶硅与非晶硅薄膜形成异质结(即两种不 同的材料—单晶硅和非晶硅形成P-N结)。

然而目前市场的主流产品还P型晶硅太阳电池，因此人们也在积极探索用P型硅片制造双面太阳电池。但是以往的P型双面电池并没有体现出比常规太阳电池更高的转换效率(Eff/ η ，即太阳能电池接受光照的最大输出功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比)，从技术上和经济上都不合算。近年来， P 型钝化发射极和背面电池(Passivated Emitter and Rear Cell, PERC)通过在电池背面增加一层氧化铝钝化膜(Al2O3)，从而增强光线的内背反射，降低了 背面复合，从而使PERC电池的效率能够有效提高。因此，近几年结合双面电池技术的PERC双面电池也引起了大家的关注，诸多光伏企业相继推出 了自己的P-PERC双面太阳电池组件。

提高转换效率和降低生产成本是光伏工业的永恒主题，最终体现是用较低的成本发出更多的电力。晶硅双面太阳电池能够利用背面的光照，从而增加发电量，不失为一种有效利用太阳光的差异化 太阳电池器件。本文将介绍N-PERT、N-HIT和PPERC三种当前主流晶硅双面太阳电池技术，并介绍晶硅双面太阳电池的应用情况。

1. 双面太阳电池的发展

双面太阳电池的概念并不是新出现的，其历史可追溯到20世纪60年代。谁首先发明双面太阳电池还存在争议，一些文献认为苏联科学家翟齐伐 (A. Zaitseva)和费得希伐(O. Fedoseeva)领导的研究团队首先提出双面电池的概念①。而在同时期日本科学家森(H. Mori)②申请了一个类似双面结构太阳电池的专利，其电池结构是P+NP+，在N型硅片两边都形成P-N结，同时在电池两边都有发射极和接触 栅线电极，该结构被叫做三极管电池。在光伏技术发展的早期，双面太阳电池主要局限于空间应用。 2000年以后，双面太阳电池技术又重新受到重视。日本日立公司③在三极管电池结构基础上，制备出高效双面电池，其正面效率达21.3%，背面效率达19.8%。几乎同时，日本三洋公司(现已被松下并购) 开始商业化其专利双面电池——带本征薄层的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(HIT)。德国康斯坦茨 国际太阳能研究中心(ISC Konstanz)和荷兰能源研究中心(ECN)等机构也加入到晶硅双面太阳电池的产业化研究与推广。2010年左右中国英利公司开始量产N型双面电池，2015后有更多的中国光伏企业开始晶硅双面太阳电池的研发与生产，双面太阳电池技术迎来了新的发展。

2. 晶硅双面太阳电池技术

2.1 N-PERT双面太阳电池

晶硅太阳电池可以用P型硅片，也可以用N型硅片来制作。采用N型硅作衬底，具有少子寿命高 (少子，即少数载流子，也即非平衡载流子，对于P型半导体来说便是其中的电子，对于N型半导体来说便是其中的空穴，少子寿命即是电子或空穴的平均生存时间)、对金属杂质的容忍度高等优点；同时由 于N型硅是磷掺杂，不会出现P型硅电池中由于硼 氧(B-O)复合体所造成的随着光照时间延长性能衰 减的光致衰减(LID)效应。并且产业界量产平均转换效率大于23%的电池均为N型电池，因此N型硅 电池越来越受到普遍的关注。 

基于N型硅片的太阳电池一般都是双面电池， 早期发展的双面电池主要是 N-PERT电池。NPERT双面太阳电池的结构如图1所示，其结构为： 金属前电极、前表面减反射膜、钝化膜、硼掺杂发射 极(P+)、N-Si、磷掺杂背场(N+-BSF)、背面减反射膜和 背面电极。N-PERT双面电池和单面电池相比，主要在于背面结构的不同，双面电池的背面采用高透过的SiNx做钝化/减反射膜，同时背面金属电极和前面金属电极一样也为栅线结构；而单面电池的背 面电极采用全金属覆盖。 N-PERT电池的基体是N-Si，基体的前表面通 过扩散重掺杂形成P+发射极， P+发射极与N-Si基体接触形成P+-N结，基体的背表面通过扩散或者离子 注入重掺杂形成N+背场， N+背场与N-Si基体接触形成N+-N高低结。P+-N结和N+-N高低结内部都存在 内建电场，可以分离光照产生的电子-空穴对，被分离的电子通过背场上面的背电极、空穴通过发射极 上面的前电极输出到外电路，驱动负载运行。

当太阳光照到N-PERT双面电池的时候，会有部分光线 被周围的环境反射照射到N-PERT双面电池的背面，这部分光可以透过SiNx材料，被硅吸收，激发的电子-空穴对被N+-N高低结分离，从而对电池的光 电流和效率产生贡献。然而，单面电池的背面被金 属电极完全覆盖，金属电极的厚度~10 μm，光无法 穿透背面金属电极被硅吸收，因此，单面电池几乎 无法利用由背面射入电池的光线，在电池背面反射 率不为零的情况下，双面电池比单面电池具有更高 的发电效率。 表征双面太阳电池的主要参数除了转换效率 之外，还有一个重要的指标是双面率(Bifaciality)， 即背面效率与正面效率的百分比。当前量产的NPERT 电池正面效率达 21.5%，双面率在 85%~ 90%。随着技术的进步，N-PERT双面电池的效率 每年都会逐步的提升。采用BBr3扩散制备P+-N结 和磷离子注入制备N+-N高低结，并结合Al2O3钝化 P+发射极表面，我们在2015年就制备了正面效率为 20.89%、背面效率为18.45%的N-PERT双面电池④ (图2)。背面效率之所以低于正面效率是因为电池 背面的电极栅线要密一些，这样去造成一部分遮光 损失。另外背面的电极栅线的含银量低一些，这样电阻会大一些，会造成电学损失。

①A. K. Zaitseva, O. P. Fedoseeva. Study of possibility of bifacial silicon solar cell applications [J]. Teploenergetika, 1961(3): 89. 

② H. Mori. Radiation energy transducing device [P]. US Patent 3278811, 1966 (priority 1960). 

后续精彩内容请关注：光伏领跑者创新论坛

往期精彩内容推荐

微信广告投放合作联系：

微信：testpv008

邮箱：[e-mail]

光伏测试网官方微信号

请长按识别二维码关注我们

光伏领跑者创新论坛

储能一号

智能光伏产业联盟

CQC新能源