>21.5%！Panda-TOPCon的大尺寸双面电池制备成功

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摘要：主要研究可应用于规模化生产的TOPCon（tunneloxidepassivatedcontact）电池技术，该技术既可改善电池 表面钝化又可促进多数载流子传输，进而提升电池的开路电压和填充因子。

Panda-TOPCon电池是在英利熊猫 （Panda）电池基础上引入TOPCon技术，在研究中对氧化硅/多晶硅叠层（SiO2/polySi）的表面钝化效果在n型硅片上 进行验证，通过优化该结构中SiO2/polySi掺杂、SiO2成膜方式以及polySi厚度等，最终制备的Panda-TOPCon电池的开路电压达到676mV，填充因子达到80%，实现了21.54%的光电转换效率。 

引 言

随着硅片质量的提升，晶硅电池表面复合已成 为制约其效率的主要因素，因此表面钝化技术尤为重要。长期以来，表面钝化一直是晶硅太阳电池设 计和优化的重中之重，从背电场钝化到正面氮化 硅钝化，再到介质层的钝化局部开孔接触的PERC （passivated emitterand rear cell）/PERL（passivated emitterandrearlocallydiffusion）设计。

每次钝化优化都会带来大幅的效率提升，尤其是近些年的 PERC/PERL结构，已拥有相对完善的表面钝化结构， 很大程度上缓解了背面钝化的问题，但为了接触而进行开孔，不仅增加了工艺的复杂度，开孔的过程还会对硅材料造成不同程度的损伤，这也额外增加 了金属接触区域的复合。同时开孔限制了载流子 的传输路径，导致填充因子减小。因此，钝化接触 （passivated contact）技术作为一种既能实现整面钝化，且无需开孔接触的技术逐渐成为了研究的热点。 

TOPCon（tunneloxidepassivatedcontact）是一种新型钝化接触技术，该技术在电池表面使用一层超薄的氧化层和掺杂的薄膜硅进行钝化。同时，超薄氧化硅减少了表面态保持了较低的隧穿电阻，掺杂 薄膜硅提供了场致钝化并对载流子选择性透过，与 硅基底形成良好的钝化接触。

2013 年 Fraunhofer ISE推出的TOPCon电池中掺杂薄膜硅层采用的是非晶硅层，但由于非晶硅薄膜对表面处理要求较高，同时无法承受后续高温工艺，人们开始将视野投向其他有钝化效果的薄膜材料。经多方实验， 掺杂多晶硅薄膜的优势逐渐体现出来，从开始利用非晶硅退火形成多晶硅，到最后直接LPCVD沉 积多晶硅，技术日趋成熟。在 2017 年Fraunhofer ISE制备的TOPCon电池效率达到25.7%，成为可与HIT竞争的另一种选择性接触电池的设计。但是，该电池采用4cm2的n型FZ硅片，制备工艺复杂，多采用实验室设备完成，如正面采用溅射ITO和蒸镀Ti/Pd/Ag 叠层栅线，背面蒸银作为背面电 极，与产线不兼容，制备成本高。 

本文将TOPCon技术应用于n型电池产线，使用156mm×156mm的Cz硅片进行实验研究，制备出效率大于21.5%的高效率低成本的大尺寸PandaTOPCon双面电池。

1 电池结构 

Panda-TOPCon电池是在常规英利熊猫（Panda） 电池的基础上引入隧穿氧化层和磷掺杂的多晶硅层，如图 1 所示。电池采用直拉法 n 型单晶硅片 （156mm×156mm），正面依次为硼扩散发射极，氧化硅/氮化硅钝化减反射层和金属电极；背面依次为隧穿氧化层、掺杂多晶硅层、氮化硅钝化减反射层和金属电极。

电池结构正面与Panda电池结构相同，不同之处在于背面生长了一层超薄的SiO2 层作为表面钝化层，然后再沉积磷掺杂的 p+型 polySi层，二者共同构成背面选择性传输层。硅片 靠近背表面由于能带弯曲，阻挡空穴向背面的移 动，只能向前表面移动，进一步降低了表面载流子 浓度，从而带来良好的背表面钝化效果。而对电子来说，虽然SiO2层对电子有一个小的阻挡，但由于SiO2层很薄，电子可隧穿然后通过高掺杂的n+型 polySi，被背面电极收集，如图2所示。

2 研究结果与讨论

2.1 SiO2/polySi钝化性能研究 

SiO2/polySi钝化效果是TOPCon电池研究的基础，因此在进行电池研究之前，首先对SiO2/polySi的钝化性能进行研究。取156mm×156mm的n型Cz 硅片，分别在硅片上制备双面硼扩散（B|B）对称结构，双面SiO2/polySi（p|p）对称结构，以及正面硼扩散+背面SiO2/polySi（B|p）非对称结构。之后，将这3种样品同时进行双面氮化硅膜沉积和烧结处理。 分别对3种样品进行PL测试以及ImpliedVoc测试，3种结构不同位置的 ImpliedVoc 测试结果如图3所示。

从图3中的PL图可看出具有p|p结构硅片最亮，B|p结构次之，B|B结构最暗。同时，双面SiO2/ polySi钝化后 ImpliedVoc可达700mV以上，即使是 B|p结构 ImpliedVoc也在 680mV以上，均明显高于 常规B|B结构的 ImpliedVoc值。此结构中硅片表面的超薄氧化硅对硅片表面的悬挂键、损伤等形成很好的化学钝化，同时高掺杂多晶硅的场致钝化进一 步将表面复合降至更低，双重钝化的带来ImpliedVoc 大幅提升。此结果显示出SiO2/polySi层对常规硅片生产可起到良好的钝化效果，并由此奠定了进一步研究的基础。

2.2 SiO2/polySi对电池电性能影响 

为进一步验证SiO2/polySi对电池电性能影响， 首先进行最基本的电池制备实验，实验中将60片 n型Cz硅片均分为2组， 1组为常规Panda电池， 另1组为在常规电池基础上增加了SiO2/polySi钝化接触层的Panda-TOPCon电池。图4为2组实验的电池性能对比图。 由图4中可清楚地看到Panda-TOPCon结构电池开压高达 660mV，最高达到667mV，比常规Panda 电池高15mV，进一步验证了SiO2/polySi 的钝化效果，与前面性能测试中 ImpliedVoc结果一致。 良好的表面钝化，也同时带来电流增益达到150mA。

虽然 FF 降低了 1.5%，Eff 最终提升仍达到 0.5%。 此实验证实Panda-TOPCon电池的可行性，填充因子的提升成为进一步研究优化的重点。

2.3 polySi中掺杂性能对FF的影响研究 

Panda-TOPCon电池填充的降低主要在于n型基底到polySi中载流子的输运过程以及背面电极与高掺杂的polySi直接接触。因此polySi中载流子 浓度以及隧穿的载流子数量是影响 FF 的关键。因此为了研究提升Panda-TOPCon电池的 FF，首先研 究了polySi中掺杂浓度和掺杂透过SiO2后的深浅对电池电性能的影响。将150片n型Cz硅片均分为3组，分别对polySi层进行低（L）、中（M）、高（H） 3种不同剂量的掺杂。图5为掺杂后的硅片ECV图， 3种不同剂量对应的方阻分别为52、43和22Ω/□， 从图5中可看到，不同组表面掺杂浓度相同，polySi 中的磷离子浓度无明显差异，分布深度逐渐增 加。表1中列出了3种不同掺杂对应的电池参数。

从表1中可看出随着方阻的降低，电池填充因子FF略有提升，但不明显。由此分析磷掺杂深度 对填充因子FF影响不大，但掺杂深度达到一定程度后，影响了隧穿氧化层的钝化效果，从而导致开压和电流出现大幅度降低

2.4 SiO2/polySi层优化

上面的实验中掺杂性能对FF影响并不大，因此工作重点放在隧穿上，因此从SiO2的成膜性质和膜厚进行研究，在经过大量研究优化后，取得了一 定成果，通过调整工艺参数，针对不同的SiO2层分别进行 polySi 厚度的优化，经优化后，分别针对 2种SiO2层最佳搭配进行最终的对比，其中湿化学法（NAOS）方式形成的SiO2对应的polySi厚度为200nm，热氧氧化（Th.Ox）对应polySi厚度为100nm， 表2给出2种不同隧穿钝化层制备电池的的电性 能参数。 

从表2可看出不同形式形成的SiO2层与polySi层制备的电池开压无区别，热氧氧化形成的氧化硅电流略高，也就是说SiO2形成对硅片表面的表面钝化效果并无太大差异。但热氧氧化组填充因子FF要明显低于湿化学氧化层制备的电池，FF低了 1.6%，湿氧氧化良好的导电率主要来自缺陷辅助隧穿机制以及氧化层上的微孔。 在此次实验中获得了最高21.54%的转换效率， 开压最高达到了678mV，表3和图6展示了该电池片第三方机构测试的的 I-V 结果。

3 结论

本文主要在n型熊猫生产线基础上进行TOPCon 相关技术研究，SiO2/polySi 钝化结构在156mm×156mm尺寸n型Cz硅片上表现出优异的钝化性能，ImpliedVoc可达到700mV以上。研究中发现隧穿氧化层SiO2的成膜方式对Panda-TOPCon 电池填充因子FF影响很大，湿化学法制备的SiO2 膜具有更优异的表现。经过大量实验研究和工艺优化，目前采用n型Cz硅片制备的大尺寸PandaTOPCon电池的转换效率已超过21.5%，电池开压超过670mV。

 来源：光伏材料与技术国家重点实验室，英利能源（中国）有限公司

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