N型PERT雙面電池產業(yè)化關鍵技術

:1、nPERT雙面電池技術背景

近年來，N型硅太陽電池由于其優(yōu)越的性能，包括高的體壽命、對金屬雜質高的容忍度以及沒有P型材料中由于硼氧（B-O）復合體所造成的光致衰減（LID）[1-3]效應，越來越受產業(yè)界的關注。最新的光伏國際技術路線圖2015[4]中顯示，到2020之前，預測可實現(xiàn)低成本批產平均效率大于23%的均為N型電池；到2021年，N型電池市場占有率將超過30%，而nPERT雙面電池的高發(fā)電性能正在引起很多一流制造廠商和市場的密切關注。

PERT（Passivated Emitter，Rear Totally-diffused cell），鈍化發(fā)射極背表面全擴散電池，是一種典型的雙面電池。雙面太陽電池是指硅片的正面和反面都可以接受光照并能產生光生電壓和電流的太陽電池，這種電池可以用P型硅片制造，也可以用N型硅片制造。nPERT雙面電池基本工藝流程為：（1）雙面制絨（2）上表面擴散硼制成P+N結（3）背面擴散磷制成N+N結（4）雙面鈍化薄膜（5）雙面金屬化，結構示意圖如圖1所示。

圖1  nPERT電池結構示意圖

2、nPERT雙面電池技術特點

nPERT雙面電池采用N型硅作襯底，具有少子壽命高、無光致衰減等優(yōu)點。常規(guī)P型電池由于使用硼摻雜的硅襯底，長時間光照后易形成硼氧鍵，在基體中捕獲電子形成復合中心，導致3~4%的功率衰減；而nPERT電池使用N型硅襯底，磷摻雜的基體使得電池幾乎無光致衰減。我們對nPERT電池進行了光衰實驗驗證，如表1結果所示，光照60h后效率衰減僅0.11%，無光致衰減的特點能有效保證系統(tǒng)端的功率輸出和發(fā)電量。

表1  nPERT光衰實驗結果

通過EQE測試結果可知（如圖2），相比于P型常規(guī)電池，nPERT電池具有更好的長波響應，可將更多長波長的光吸收，尤其是制備成雙玻組件后背面可更高效率的吸收反射光和散射光。

圖2  nPERT電池與常規(guī)P型電池EQE比對

3、nPERT雙面電池組件技術優(yōu)勢

雙玻光伏組件就是指由兩片玻璃和太陽能電池片組成復合層，電池片之間由導線串、并聯(lián)匯集到引線端所形成的光伏電池組件，組件結構示意圖如下：

圖3  雙玻組件結構示意圖

2013年以來，隨著國內外前期投資的光伏電站的陸續(xù)并網發(fā)電并運行一段時間后，國內外電站的質量問題時有出現(xiàn)。由于某些有機材料的壽命較短、耐候性較差，光伏組件中的EVA膠膜和背板的質量開始被高度關注，水汽穿透背板導致劣質EVA樹脂快速降解有密切的關系，EVA樹脂遇水即開始緩慢分解，其分解產物含醋酸，醋酸腐蝕光伏電池上的銀柵線、匯流帶等，使組件的發(fā)電效率逐年下降。為了規(guī)避這一問題，雙玻組件為高品質光伏電站的較為理想的解決方案之一，但雙玻組件的電池片間漏光導致組件功率損失較大，組件正面功率相比常規(guī)背板偏低；同時，無框雙玻組件對封裝材料和封裝工藝要求較高。

基于nPERT雙面電池的雙玻組件，由于電池具備雙面發(fā)電的特點，采用雙面透光玻璃可實現(xiàn)雙面發(fā)電的功能，將人們對光伏組件的可靠性要求與發(fā)電量需求完美的整合解決：

（1）發(fā)電量高：nPERT電池具有20%以上的單面轉換效率，制備的雙玻組件正面功率達280W以上，結合不同的雙面光照條件，可實現(xiàn)10%~30%的發(fā)電量增益（可采用廉價背面反射材料，大幅提升組件發(fā)電量），如圖4所示；

圖4  不同反射條件nPERT雙玻組件發(fā)電量增益

（2）弱光相應好：由于nPERT電池本身具有長波響應好的特點，結合雙玻組件雙面受光條件，可在早晨和傍晚實現(xiàn)發(fā)電量的增益，下圖為三組光伏陣列單日的發(fā)電量跟蹤曲線，將nPERT雙玻組件在兩種不同反射條件下與常規(guī)P型單晶進行比較，可見在早晚兩個時段，nPERT雙玻組件有更好的弱光發(fā)電量保證。

圖5  nPERT雙玻組件與常規(guī)組件單日發(fā)電量跟蹤

（3）質量可靠性高：玻璃的透水率幾乎為零，不需要考慮水汽進入組件誘發(fā)EVA膠膜水解的問題，降低蝸牛紋發(fā)生的概率。玻璃的耐候性、耐腐蝕性強，耐磨性也非常好，也解決了組件在野外的耐風沙問題。雙玻組件不需要鋁框，除非在玻璃表面有大量露珠的情況外，沒有鋁框使導致PID發(fā)生的電場無法建立，其大大降低了發(fā)生PID衰減的可能性。

4、nPERT雙面電池產業(yè)化技術關鍵

nPERT雙面電池的工藝流程比常規(guī)電池工藝略為復雜，其中產業(yè)化的關鍵技術有兩個，一個是雙面摻雜技術，另一個是雙面鈍化技術。

目前的雙面電池主要是基于正面發(fā)射結和背表面場（BSF）的結構，正面硼擴散的方法很多，按硼源的類型來分，有液態(tài)BBr3擴散，以及各種用于絲網印刷和旋涂的商品化硼漿，按擴散設備來分主要有管式擴散和鏈式擴散兩種。研究發(fā)現(xiàn)，在眾多硼擴散方式中，用氮氣攜帶液態(tài)BBr3進行管式擴散的效果較好。與其它方法相比，該方法更有利于避免金屬污染。采用該擴散方法，硅片有效少子壽命比用其它方法擴散的樣品較高，但硼擴散存在的一個問題是均勻性較難控制。在擴散前期，BBr3反應生成B2O3，后者沉積在硅片表面，并在高溫作用下擴散進入硅基體，這與磷擴散時POCl3先生成P2O5再沉積到硅片表面的過程相類似。不同的是，P2O5在850℃時為氣相，可以均勻沉積在硅片表面。而B2O3的沸點較高，擴散過程中一直處于液相狀態(tài)，難以均勻覆蓋在硅片表面，因此擴散均勻性控制難度較大，必須進行嚴格的工藝調控。圖6為典型的硼擴散方阻均勻性差異圖。

圖6  硼擴散方阻均勻性示意圖（左至右分別為均勻性差、中、好）

背面N+的形成可以有熱擴散的形式也可以用離子注入的形式。若是使用熱擴散的方式，則工藝過程中要用到掩膜工藝，增加了工藝的成本及復雜性。離子注入是一種能夠單面摻雜且均勻性很好的半導體制造工藝，通過調節(jié)注入參數和配套的退火工藝可以達到所需要設計的結形及結深，而且可以省去去磷/硼硅玻璃(P/BSG)步驟，簡化了制造工藝。如圖7所示為四種不同工藝下發(fā)射結的濃度分布情況[6]：

圖7  四種不同注入工藝下的發(fā)射極的ECV圖

鈍化可以明顯地改善電池表面狀態(tài)、提升電池的性能，雙面電池所需鈍化與常規(guī)電池相比有其獨特的要求。在N+背表面場上，采用SiO2/SiNx疊層鈍化膜，SiO2膜可以很好的對N+面進行表面鈍化，加上SiNx膜的帶正電荷特性，可以同時獲得較好的表面鈍化和場鈍化的效果，而且還能起到很好的減反射作用，如圖8所示。但是在正面的P+摻雜面使用SiO2/SiNx疊層鈍化膜卻無法獲得同樣的效果，這是由于SiNx帶正電荷，SiOx膜也偏正型，因此缺少了場鈍化效果。為進一步提升鈍化效率，可以考慮P+摻雜面使用Al2O3薄膜鈍化技術，Al2O3自身帶有負電荷，很多實驗證明對P型硅(c-Si)的場鈍化效果好過熱生長的SiO的鈍化效果。

圖8  不同鈍化層在N+摻雜面的Implied-Voc和少子壽命

5、存在問題及展望

nPERT雙面電池由于其優(yōu)異的性能、高可靠性和高發(fā)電量能力，逐步成為光伏行業(yè)關注的熱點，但困擾此產品進一步發(fā)展的主要問題是如何降低產品制造成本、提高市場占有率。nPERT雙面電池高功率、雙面發(fā)電，相比常規(guī)電池的增益及系統(tǒng)端度電成本的下降明顯，但為保證產品具有較高毛利率，其成本與常規(guī)電池相比要控制在較低的增幅。我們相信，隨著制造工藝及控制的不斷成熟，批產規(guī)模的不斷擴大，nPERT電池匹配材料和國產化設備的不斷降本，成本肯定會有明顯的下降，nPERT雙面電池良好的性價比將不斷凸現(xiàn)。

nPERT雙面電池具有發(fā)電量高、質量可靠性高的特點，對延長光伏系統(tǒng)使用壽命，大幅降低度電成本，實現(xiàn)平價上網將扮演重要角色。相信隨著其光伏系統(tǒng)運營數據的不斷反饋和性能特點的實地驗證，市場及客戶接受度將不斷提高，產品的市場占有率和產業(yè)化發(fā)展將會迎來新的高峰。

參考文獻：

[1]Ryu K, Upadhyaya A, Song H J, et al. Chemical etching of boron-rich layer and its impact on high efficiency n-type silicon solar cells[J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(7): 073902.

[2]J. Scht, A. G. Aberle, and R. Hezel, in Proceedings of the 26th IEEE PVSC, Anaheim, CA (IEEE, New York, 1997).

[3] D. Macdonald and L. J. Geerligs, Appl. Phys. Lett. 85, 4061 (2004).

[4] http://www.itrpv.net/

[5] Zhao J, Scht J, Wang A, et al. Performance instability in n-type pert silicon solar cells[C]//Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on. IEEE, 2003, 1: 923-926.

[6] Kiefer F, Peibst R, Ohrdes T, et al. Influence of the boron emitter profile on VOC and JSC losses in fully ion implanted n‐type PERT solar cells[J]. physica status solidi (a), 2015, 212(2): 291-297.