多晶n型硅太阳能电池的效率接近22%

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向种子辅助生长(高性能多晶硅)过渡显著提高了多晶硅的质量。将这种新的生长技术与n型掺杂的固有优点结合起来，可以得到一种多晶材料，这种材料应该非常适合制造高效太阳能电池。

本文以n型高性能多晶硅为基体，在弗劳恩霍夫ISE结晶，制备了具有钝化后接触的高效太阳能电池。材料特性高扩散长度> 800μm应用程序所需的高温过程的所有步骤后电池制造。应用在黑色电池结构导致加权反射率~ 1%,保持良好的发射器钝化与j₀≤60 fA / cm2 90Ω/平方发射器。由此产生的n型多晶硅太阳能电池转换效率高达22.3%，代表了目前多晶硅太阳能电池的最高记录。

1 介绍

提高太阳能电池转换效率是进一步降低光伏发电成本的有力手段。

迄今为止，单晶硅上工业丝网印刷的p型太阳能电池的效率高达22.6%，而相比之下，在多晶硅(mc)上加工的p型太阳能电池的最高认证效率为21.3%。然而，多晶p型硅约占全球太阳能电池产量的70%。

尽管mc硅由于结构缺陷和杂质浓度较高而具有较高的载流子复合能力，但相对于单晶硅而言，较简单的晶化工艺具有潜在的成本优势。与显著的份额相比，到目前为止，硅太阳能电池效率最高的是n型硅，其中折叠式回触式太阳能电池的效率为创纪录的26.7%。

n型硅的高材料质量主要是由于其对普通杂质(如铁)的相对耐受性，与杂质浓度相近的p型基板相比，n型硅的少数载流子扩散长度更高。近年来，随着晶化技术的进步，如用于制备高性能多晶硅(HP mc)[6]的种子辅助生长等，mc- si晶片的材料质量显著提高，主要原因是重组活性位错簇密度降低。

图1:n型HP mc TOPCon太阳能电池示意图

HP mc工艺结合了n型硅的上述优点，因此可能为一种低成本、高效率的硅材料提供机会，这种材料有可能缩小与单晶硅的效率差距。本文介绍了一种采用钝化后端面接触(TOPCon)的高效太阳能电池制造工艺在高品质n型HP mc硅上的应用。

2 n型硅材料

材料制造

本文所采用的n型HP mc硅是在法国伊势河畔弗劳恩霍夫研制成功的。研究锭的尺寸为G2，相当于75公斤纯多晶硅原料。采用种子生长定向凝固法对硅进行结晶。以流化床反应器(FBR)制得的高纯硅颗粒为种子材料，置于高纯硅坩埚底部。采用1085 ppmw富磷硅片作为掺杂材料。结晶导致电阻率剖面从1.5Ω厘米以上剩余的种子材料在锭0.5Ω厘米。从钢锭中心切出边长156毫米的块。裁剪15毫米的底部和顶部后,砖是加工成薄片的厚度195μm多线的锯SiC泥浆和结构化的线。

材质

一生样本制作在晶圆上锭(体电阻率约为0.7Ω厘米)探讨电惠普mc n型硅的质量。寿命样品所接收到的高温过程与太阳能电池工艺序列相同，即硼扩散和TOPCon层退火。在清洗(HNO3，然后HF-dip)后，寿命样品在890°C(管式炉)处接受硼扩散，晶圆的一侧被PECVD SiOx覆盖。扩散后，在HF中除去硼硅酸盐玻璃和SiOx掩模，并应用TOPCon层退火所需的高温步骤(N2, 800℃)。最后一步是在湿法化学过程中去除硼发射极，并用SiNx对晶片进行钝化。表征基材的质量(少数载流子寿命)，光致发光成像用谐波调制光致发光校准。

例如，少子寿命的图像一个n型HP mc硅片(50 ' 50)的中间部分mm2为21.9% cell的姐妹晶圆片)如图2所示。虚线方块表示太阳能最好的区域电池位于一个姐妹晶圆上。测量是在0.05个太阳的恒定光照下进行的最大功率点制作太阳能电池。最好的显示有效少子寿命 1.5 ms。然而，在晶界附近，在边界本身和一些有缺陷的区域寿命显著降低。然而,平均图中所示的50 ' 50 mm2晶圆片的使用寿命2(平方根调和平均数)仍接近600μs。的少数载流子扩散长度超过800μm电池的4倍多厚度(195μm)。应用效率限制体积重组分析(ELBA [9])样品的效率潜力为22.7%图1所示为电池结构的标记区域。因此,应用的材料(n型HP mc)应该非常合适用于加工高效太阳能电池。

图2:an的少数载流子寿命图像

其中收到的n型HP mc硅寿命样品和最终的太阳能电池一样的高温过程。测量是在…的照明下进行的0.05个太阳。图示中央有标记的正方形晶圆切片表示21.9%晶圆所在的区域在姐妹晶圆片上加工。

3表面纹理

技术

在这幅作品中，实现了一个黑色的硅结构正面的HPmc硅太阳能电池是这样的表面允许一个几乎理想的耦合入射光。幸运的是，前面的问题纳米结构表面的钝化处理为织构通过Al2O3的ALD沉积解决。为实现了黑色硅表面的纹理电感耦合等离子体(ICP)工艺具有很强的应用前景低偏置电压是为了保持损伤尽可能低的。这个过程是用使用SF6和O2的牛津ICP133工具。请注意,在钝化前将损坏的蚀刻物分开表面是不必要的。扫描电镜显微图由此产生的黑硅结构应用于太阳能电池如图3所示。可以看到，ICP的结构并不完全陡峭针以“经典”的黑硅纹理而闻名。这个纹理的长宽比在2的范围内。

图3:黑硅正面SEM显微图HP mc硅片的纹理

表面反射

黑硅晶圆的反射率测量正面和背面的纹理是平面的。如图4所示。无任何防反射涂层表面反射加权AM1.5G太阳能光谱范围在280 ~ 1000纳米(Rw)之间2.5%。为了进一步降低表面反射抗反射涂层(ALD Al2O3/PECVD SiNx)沉积。ALD工艺可以得到均匀的涂层为10nm Al2O3，而SiNx层的厚度在10 ~100纳米之间变化，由于不正式对PECVD工艺上的织构进行了研究表面。涂上防反射涂层可以减少加权反射率~1%。因此，非常有效入射光的耦合可与应用表面纹理。

图4:测量的ICP纹理反射率(黑色)无防反射涂层和有防反射涂层

发射极扩散

由于黑硅纹理已被证明具有非常重要的功能良好的光学性能，这种纹理的兼容性与发射极扩散和表面钝化必须验证。因此，寿命测试样本(n型，FZ 1或10Ωcm)是捏造的。样品都任何一个平面，特点是两边随机金字塔纹理或单面黑硅纹理。所有的样品在890°C下接受BBr3管式炉硼扩散(Rsheet: 90Ω/平方,Nsurf: 1019´cm-3,深度:0.3μm)然后用PA-ALD沉积Al2O3钝化(10NM)。用饱和电流密度来量化表面重组是从依赖于注射提取的根据[16]提出的高注入方法和引入的校正程序，采用QSSPC测量有效寿命数据。

提取的饱和电流密度(对于单个表面)如表1所示。对于平面参考样品，测量了25±5 fA/cm2范围内的饱和电流密度。对于随机金字塔结构和黑色硅结构，饱和电流密度增加到50±10 fA/cm2，仍然允许高开路电压> 700 mV(假设没有额外的重组)。Applying 没有 表面 钝化 金属 下面 (e.g. contacts) 饱和 电流 密度 的 应用 硼 发射极 (calculated EDNA [18], 25 °C) 大约 是 1100 fA/cm2.

表1:单面饱和电流密度测量值(平面或随机金字塔状结构或黑色硅)。样品功能90Ω/平方发射器也申请了太阳能电池的制造。

4太阳能电池

制造

高效太阳能电池与钝化后端联系人(TOPCon)在惠普mc n型硅加工(195μm, 0.7Ω厘米,捏造弗劳恩霍夫伊势)探讨优质的惠普mc n型硅设备水平。最终的单元结构如图1所示。作为引用在悬浮区硅太阳能电池也捏造(n型,1Ω厘米,200μm)。

处理 这些 n 型 HP mc TOPCon 太阳能 电池 从 定义 开始 , 活动 单元 格 区域 的 纹理 在 每个 wafer, (7 太阳能 电池 单元 尺寸 20 20 mm2).前面的黑色电池结构申请惠普mc太阳能电池是由等离子体蚀刻步骤实现电感耦合等离子体(ICP正如前面介绍的)。FZ基准太阳能电池在KOH溶液中形成随机金字塔状表面。定义细胞每一晶片,窗户被打开发射器在氧化面具(PECVD SiOx ")和统一的硼发射极BBr3实现了管式炉扩散在890°C (Rsheet = 90Ω/平方)。在HF中去除硼硅酸盐玻璃后，通过800℃退火步骤沉积并激活钝化后侧面接触(TOPCon)。然后分别用PA-ALD和PECVD沉积的Al2O3/SiNx层叠片对正面进行钝化。The 正面 接触 (area 分数 1.7%) 被 意识 到 光刻 和 蒸发 的 stack. Ti/Pd/Ag 层为了改善电接触，完全激活前后两侧的钝化，样品在原子氢中进行退火处理(远端等离子体氢钝化，425℃)。后侧的接触,一个1μm Ag)厚层蒸发。

电池结果

最佳电池的IV测量数据如表2所示。从图中可以看出，对于FZ参考电池，Voc为684 mV, Jsc为41.5 mA/cm2, FF为82.2%，可以达到23.3%的高转换效率。第四的比较测量数据与3 d总面积短尾矮袋鼠[19]设备模拟(688.2 mV, 41.6 mA / cm2, 82.5%)使用根据模拟输入参数(例如J0e,总额= 70 fA / cm2, j₀, TOPCon = 7 fA /平方厘米,测量反射,包括电池周长)显示,应用电池结构的潜力几乎被充分利用,没有重大流程相关问题发生在电池制造。

第一批n型HP mc硅太阳能电池的转换效率也非常高，高达21.9%，Voc为673 mV, Jsc为40.8 mA/cm2, FF为79.7%。然而，单晶参考太阳能电池的效率与姐妹晶圆寿命样本的体寿命分析(ELBA)预测的22.7%的效率相比，仍有较大的差距。因此在下一节将简要分析第一次太阳能电池运行的主要损失。全部损失分析仍在准备中，将在其他地方提出。在第二批电池中，重复制备了具有黑色硅结构的n型HP mc太阳能电池，获得了22.3%的新效率记录。效率的提高主要是由于电池处理的小改进，如进一步减少表面反射和更低的串联电阻。

表2:各组最佳电池静注量(AM1.5g, 100 mW/cm2, 25℃)。

电池分析

(运行1)FZ基准太阳能电池的性能决定了作为ELBA分析输入的电池制造工艺的极限。在这种情况下，电池制造过程显式地使Voc达到685 mV。ELBA表示，mc-Si块体材料的复合将Voc的限值降低到679 mV。由于ELBA考虑了重组活性结构晶体缺陷，因此不能解释最佳mc电池(673 mV)的Voc与ELBA极限值(679 mV)之间的差距。因此，这批材料的vocs -potential并没有得到充分的开发——可能是由于技术问题——仍然有大约6mv的改进空间(IQE)证明了黑色硅结构具有类似的性能以及随机金字塔。甚至腔长由于前面的结构而使硅体增强似乎和背面的反射是一样的(波长范围1000 - 1200纳米)是相同的黑色硅和随机金字塔结构。在低波长范围内，黑色硅显示更优越吸收。这就是mc电池Jsc较低的原因不是光学引起的，而是扩散长度的减小电荷载流子由于具有较高的复合速率散装。在mc电池背面产生的孔有较低的机会达到发射器在前面。这内部量子效率的下降是否可见高于800nm(与FZ参考值相比)导致减少Jsc。黑硅结构的mc电池的Jsc比随机金字塔结构的FZ参考电池低0.8 mA/cm2左右。为了研究这种差异，反射(R)和内部量子效率。

填充系数(FF)经常受到级数的影响电阻(Rs)。为了分离这种效果，SunsVoc进行了测量，以确定伪填充因子(pFF)，它不受Rs. pFF的干扰结果表明，最佳电池数可达~84%FZ电池和~82%为mc电池。没有相关在pFF和RASCD面积分数之间(复合活性结构晶体缺陷)这支持了不同pFF的假设与晶体结构质量无关的限制。而并联电阻并没有导致a对于最好的多晶太阳能来说，pFF的显著损失电池中，J02重组表现出较大的影响在最大功率下，FF(约占总重组量的32%)点在黑暗IV测量)。关于所有第一批多晶电池可见所有的细胞，包括平面电池，都表现为aJ02明显高于FZ引用。因此，高J02不是黑硅的问题纹理，而是与mc-Si材料有关。它还可以观察到J02与什么不相关吗复合活性结构晶体的面积分数缺陷。这两个事实都表明，高J02可能是a更普遍的问题。

图6为最佳成品电池的Suns-Voc曲线以及相应体积的Suns-Vimplied曲线参考寿命样本(其中收到相同的高温度步作为最后的太阳能电池，全部扩散面积已蚀刻)测量与QSSPC。mc -硅材料的体积重组表现出理想的因素非常接近1到550 mV。然而，对已完成电池的suns- voc测量表明，这种方法并不理想重组(与理想因子>1)出现导致在最大功率点增加重组(位于566 mV)。从图中可以看出显然，mc-Si材料受的影响要大于FZ材料。一个可能的解释是溶解杂质在(或周围)的聚积发射极扩散过程中的空间电荷区。这可能导致观测到的非理想均匀性分布式重组，转化为增加J02。

图6:a的伪IV曲线比较成品太阳能电池(Suns-Voc)和批量参考寿命样本，其中收到相同的高温度过程作为最后的太阳能电池(Suns-Vimplied从QSSPC)。虚线表示。的斜率理想因子为1的信道重组。测量结果表明，这两种，最好的FZ参考(b)以及最佳的n型HP mc硅太阳能电池(a)。

总结

在这项工作中，我们可以表明n型HP mc硅是否非常适合制造高效太阳能电池。应用自适应TOPCon细胞制造工艺采用黑色硅前表面纹理和a90Ω/平方Al2O3-passivated硼发射极纪录该装置的转化率可达22.3%n型HP mc硅。对材料的分析表明，只有一部分的效率差距可以参考FZ太阳能电池与复合活性结构晶体有关缺陷。很大一部分效率差距是由于到非理想的重组，导致J02增加。最可能的原因是积累发射体发射过程中空间电荷区的杂质扩散。

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