n型双面TOPCon太阳电池钝化技术
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摘要
隧穿氧化物钝化接触 ( TOPCon) 技术已成为当前产业化高效太阳电池的重点研究方向之一。报道了可应用于规模化生产的n型双面TOPCon太阳电池技术，对前表面 SiO2 /多晶硅钝化层进行了优化设计。为了有效降低接触电阻，太阳电池的背表面采用了全面积 SiO2/多晶硅钝化层结构; 为避免多晶硅层对太阳光的寄生吸收，仅将 SiO2/多晶硅钝化层应用于前表面金属接触的底部。
J-V 特性和少子寿命等分析显示，双面TOPCon结构设计显著提升了太阳电池的表面钝化接触性能，其开路电压和短路电流密度显著增加。所制备的面积为 239 cm2 的双面TOPCon太阳电池的平均正面转换效率可达 20. 33%，相对正面无SiO2 /多晶硅钝化层的常规钝化发射极及背表面全扩散 (PERT) 结构的太阳电池转换效率提升了 0. 29%。
0 引言
近年来，光伏发电已经成为各国实现能源转型战略的重要支撑，巨大的创新投入推动了太阳电池的效率提升和成本下降。在各类太阳电池中，晶体硅电池以其材料来源广泛、稳定、无毒、效率高等特点成为当今光伏制造的主流技术。如何提高电池转换效率、系统发电量及发电系统收益是行业关注的焦点。
高效结构设计是进一步提升电池效率的关键， 已经成为当前太阳电池产业化发展的重要方向。钝化发射极及背表面接触 ( PERC) 结构电池是高效电池的典型代表，其主要特点在于电池背面钝化性能的改善，通过引入背钝化及开槽接触工艺，电池的光电转换效率可达25. 0%。目前该技术已经实现产业化，限制其规模化的主要因素是激光开槽工艺，其不仅使制备工艺变得复杂，还使金属接触区域增加了额外的复合电流。
具有本征薄层的异质结 ( HIT) 太阳电池是当前另一种高效电池结构，其通过引入非晶硅本征薄层来提升单晶硅的表面钝化特性，使表面复合电流显著减小，电池的最高转换效率和开路电压已分别达到 25.1% 和 750 mV ，HIT技术与叉指背接触 ( IBC) 结构电池结合而成的异质结背接触 ( HBC) 电池已取得 26.7%的最高转换效率。与 PEＲC电池相比，HIT电池具有更高的开路电压和更低的温度系数。该工艺比传统晶硅电池复杂，所以HIT电池制造成本较高。
为了同时兼具HIT电池优良的表面钝化特性和简易的电池制备工艺，德国 Fraunhofer ISE 研究所提出一种新型的隧穿氧化物 钝化接触 ( TOPCon) 电池结构，该结构电池在晶硅表面制备了一层超薄 ( 小于2.0nm) 氧化硅 ( SiO2) 和一层高掺杂的多晶硅。由于SiO2层的化学钝化和多晶硅层的场钝化作用可以显著降低晶硅表面少子复合速率，同时超薄多晶硅层可保证多子的有效隧穿，高掺杂的多晶硅层可显著改善多子的传导性能，因此，TOPCon 电池的开路电压和填充因子系数都很高。
目前TOPCon 电池的最高转换效率已经达到25. 8%，最高开路电压为715mV。当前，TOPCon 结构主要应用在电池的背表面，而电池前表面仍然采用传统电池结构。
本文基于双面高效电池结构，将 TOPCon钝化技术应用于n型电池的前表面和背表面，尤其是在电池前表面，仅在金属接触的底部采用了 TOPCon 钝化技术，使电池的表面复合速率降低， 以提高开路电压。与前表面为传统钝化发射极及背表面全扩散 ( PEＲT) 结构的电池相比，所制备的面积为 239 cm2 的双面TOPCon太阳电池转换效率提升了 0. 29%。
1 实验
本实验主要关注将 TOPCon 结构应用于电池前表面后所改善的电池性能。实验共分为 A、B、C 三组，三组电池背表面均为相同的 TOPCon 结构， 也即 SiO2 /多晶硅/SiNx 钝化结构，而前表面根据 SiO2 /多晶硅覆盖情况分为三种不同的情况，如图1 所示。A 组前表面是 n 型 PEＲT电池常规结构，为参考组; B 组前表面是全TOPCon钝化结构; C 组 前表面是局部TOPCon 钝化结构。
本实验均采用厚度180 μm、电阻率5. 0 Ω·cm、 面积 239 cm2 的 n 型 Cz 硅片。A、B、C 三组样品每组各取10 片。
在实验中，三组样品首先采用KOH溶液对硅片前/后表面同时清洗和制绒，然后采用 HNO3与HF的混合液对硅片进行背表面抛光，接着将硅片置于浓HNO3溶液中，制备厚度小于2nm的SiO2 薄膜，最后采用低压化学气相沉积 ( LPCVD) 设备在正反两面同时生长约 220 nm厚的多晶硅薄膜。
然后，A 组样品利用HNO3与HF的混合液刻蚀去除前表面SiO2 /多晶硅层; B 组样品不做处理; C组根据电池正面电极丝网图案印刷 抗酸浆料 ( 制备掩膜) 后，采用HNO3与HF的混合液刻蚀去除非电极部分的 SiO2 /多晶硅层。最后，三组样品继续用同样的工艺进行处理。首先对背表面进行磷注入掺杂，然后对前表面进行硼扩散，之后进行湿法化学清洗，去除硼硅玻璃，对前 /背表面进行表面钝化和氮化硅生长。样品经过如上工艺处理之后，各留取样品进行表征测试，其余样品分别制备成电池。工艺流程如图 2 所示。
对三组电池所留取样品进行以下测试: ①采用上海伟信VS－6821S 型 J-V 测试仪对样品进行光电 转换特性测试; ②采用WEP的CVP21型全自动电化CV分布仪对样品表面掺杂特性进行化学电容－ 电压 ( ECV) 测试; ③采用 GP Solar 的 KDY－1 型 四探针方阻测试仪对样品进行方阻测试; ④采用 Sinton 的 WCT120 型少子寿命测试仪进行少子寿命 测试; ⑤采用GP Solar 的 IQE－Scan 型光谱响应测试仪进行光谱响应测试。
2 结果与讨论
2. 1 电池 J-V 特性对比
本实验三组样品，在标准测试条件下 ( 光照 强度 1 000 W/m2，电池温度 25 ℃) 对电池前表面进行测试。电池 J-V 测试结果如表1所示，表中Voc为开路电压，Jsc为短路电流密度，FF为填充因子，ηeff为电池转换效率。表1前表面 SiO2 /多晶硅膜层不同结构对 太阳电池参数的影响
从表 1中各组的平均开路电压可以看出，B 组Voc最高，平均687. 1 mV，其次是C 组，平均Voc为 679. 4 mV，最低的是 A 组，平均 Voc为668.4mV。 由于 B 组采用前表面全覆盖的TOPCon结构，而C组采用前表面局部 TOPCon 钝化结构，该结果显示，前表面的 SiO2 /多晶硅层对硅片表面起到了良好的钝化效果，且覆盖面积越大，开路电压越高。
以上结果可结合电池的能带图进行分析，在硅片背表面处，由于多晶硅层中更高的掺杂浓度使其费米能级与晶体硅的费米能级产生差异，能带相对移动，平衡后的 TOPCon 结构如图3右侧所示，其中，价带的势垒可阻挡空穴向背表面移动，其可降低背表面空穴载流子浓度，对背表面产生良好的钝化效应。
而对电子来说，由于SiO2层很薄，电子可以隧穿通过 SiO2 层，被背表面电极收集; 同理， 前表面 TOPCon 结构能带图如图 3 左侧所示，电池前表面导带势垒可阻挡电子向正表面移动，使前表面的钝化效果增强。电池正表面与背表面较大的势 垒差及优异的钝化效果使具有此结构的太阳电池具有较高的开路电压。
对于各样品的短路电流密度，从表 1 可以看出，A 组最高，平均值为 37. 59 mA·cm－2; 其次 是 C 组，平均值为37. 56 mA·cm－2; 最低是 B 组， 平均值为 32. 01 mA·cm－2。以上数据显示，B 组短路电流密度明显偏低，C 组与A 组相差不大。该 结果主要归因于多晶硅层的光吸收对短路电流密度的影响。对于B组样品，前表面采用了全覆盖的多晶硅层，其对太阳光高吸收导致电池短路电流密度大幅度下降。
对于 C 组样品，由于只在栅电极底部制备了多晶硅层，其有效避免前表面载流子引出层的光吸收问题，所以器件的短路电流密度相对 A 组没有明显降低。根据以上结果，C 组开路电压具有明显优势，同时保持了较高的短路电流密度， 所以电池的转换效率得到提升，与 A 组样品相比， 电池转换效率提升了0. 29%。
2. 2 SiO2 /多晶硅中硼掺杂性能研究
为了分析 SiO2 /多晶硅膜层对硼扩散的影响， 在硼扩散制绒后，利用四探针法对A 组、B 组分别 进行方阻 ( Ｒ□) 测试，采用 ECV 法获得硼掺杂分 布。方阻测试结果显示，参考组 A 组样品正面方阻为 100 Ω/□，加入 SiO2 /多晶硅层后，B 组样品正面方阻增加为 160 Ω/□。硼掺杂浓度 ( cB) 分布曲线如图 4 所示，可以看出，对于 B 组样品， 硼掺杂浓度从表面向硅片内部先呈现小幅度增加，
到一定深度 ( d) 后急剧下降。而 A组样品的硼掺杂浓度呈现先逐渐减小后急剧减小的趋势。同时，与A组样品对比，B组样品中多晶硅层的加入导致晶硅表面掺杂浓度也有较大提升，因此，B组应具有更高的内建电场。SiO2 /多晶硅的引入不仅导致了场致钝化效应，同时使硼掺杂增强， 两者的同时作用将使空穴的隧穿效应增强，也会提升电荷收集能力，因此B组的填充因子获得提 升优势。
2. 3 SiO2 /多晶硅钝化效果分析
为了进一步验证前表面覆盖 SiO2 /多晶硅层的钝化效果，在氮化硅双面钝化后，对 A 组和 B 组 样品进行了少子寿命测试，测试结果见表 2，少子寿命 ( τ) 随少数载流子浓度 ( cm) 变化曲线如图 5 所示。
从表2和图5中均可以看出，A 组的平均少子寿命为291 μs，而加入SiO2 /多晶硅膜层的B组平均寿命达到1026 μs，寿命显著提高。该结果表明，SiO2 /多晶硅层的加入对电池表面产生了极好的钝化效果，这是B组电池具有高开路电压的主要原因。
2. 4 电池的光谱响应测试分析
将三类电池各选取一片进行光谱响应测试，各样品外量子效率 ( ηEQE) 与反射率 ( Ｒef) 曲线如 图 6 所示，图中 λ 为波长。可以看出，相对于A组样品，B 组样品在整个光谱范围的光谱响应明显变差，C 组样品ηEQE相较A组样品降低较小。分析表明，B 组样品中，SiO2 /多晶硅层对入射光的吸收作用导致光谱响应损失较大，这是 B 组样品具有较小短路电流的主要原因。对于C组样品，由于电极间的区域采用了与A组样品相同的钝化减反层设计，因此，除 SiO2 层的引入使表面光反射稍有增加外，C组样品保持了A 组样品良好的光谱响应。
3 结论
本文研究了 n 型双面 TOPCon 硅太阳电池的光伏特性，并重点分析了前表面 TOPCon 结构设计对电池特性的影响。结果显示，采用 SiO2 /多晶硅钝化的双面TOPCon 结构设计可使电池性能获得显著提升。尤其是在电池的前表面，在金属接触底部引入SiO2 /多晶硅钝化结构可使电池开路电压和填充因子提升。同时，为降低多晶硅对太阳光吸收的影响，在前表面电极之间采用了常规的钝化减反层设计，短路电流密度基本保持在 PERT面 TOPCon 电池的正面平均转换效率达到20.33%。
来源：河北大学，英利能源
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