TopCon電池知識大全

:后PERC時代，究竟是TOPCon還是HJT？業(yè)界尚無定論。本文匯集了關(guān)于TOPCon的相關(guān)知識，供大家參閱。

本文包括以下內(nèi)容：

1.TOPCon技術(shù)的歷史與基礎(chǔ)知識

2.TOPCon工藝優(yōu)化

3.SE+TOPCon的技術(shù)路線

4.TOPCon+IBC技術(shù)路線

5.TOPCon設(shè)備與國產(chǎn)化進展

TOPCon技術(shù)的歷史與基礎(chǔ)知識

（來源：微信公眾號“光伏測試網(wǎng)”）

在晶體硅太陽能電池中，金屬-半導體接觸區(qū)域存在嚴重的復(fù)合，成為制約晶體硅太陽能電池效率發(fā)展的重要因素。隧穿氧化層鈍化金屬接觸結(jié)構(gòu)由一層超薄的隧穿氧化層和摻雜多晶硅層組成，可以顯著降低金屬接觸區(qū)域的復(fù)合，同時兼具良好的接觸性能，可以極大地提升太陽能電池的效率。為了評估目前商業(yè)化高效電池的效率潛能，如PERC、HIT、鈍化接觸電池等，德國知名太陽能研究所（ISFH）在2019年Silicon PV的報告會上基于載流子選擇性的概念從理論上對不同結(jié)構(gòu)太陽能電池的理論效率極限做了細致的分析，結(jié)論是鈍化接觸電池（例如TOPCon電池）具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池（24.5%），最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）。

隨著太陽能電池研究的不斷進步與深入，多種不同結(jié)構(gòu)的高效太陽能電池被開發(fā)，如 PERC、IBC、HIT、TOPCon等，同時太陽能電池轉(zhuǎn)換效率越來越接近其理論極限。縱觀單晶硅太陽能電池世界效率紀錄的提升歷史，會發(fā)現(xiàn)效率提升有三個比較快速的時期。前兩個分別是1954-1960年晶硅太陽能電池剛研發(fā)出來的幾年內(nèi)以及1985-2000年前后。前者發(fā)射極沒有鈍化(un-passivated emitter)，效率提升(從5%到15%)更多得益于光學方面的改善；后者則對發(fā)射極進行了鈍化(passivated emitter)，同時在背面引入金屬局域接觸對背面也進行了鈍化，該時期的效率提升(從20%到25%)更多來自于電學（復(fù)合）方面的增益。第三個時期就是在最近幾年，效率提升(>25%)得益于對金屬接觸進行了全區(qū)域的鈍化(passivating contacts)。

1.鈍化接觸電池背景介紹

目前商業(yè)化的晶體硅太陽能電池中，前表面一般采用淺結(jié)高方阻設(shè)計，對于p型電池，前表面為磷摻雜的n+發(fā)射極結(jié)構(gòu)，經(jīng)過絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)之后金屬接觸區(qū)域的暗飽和電流密度（J0,metal）為800~1000 fA/cm2；對于n型電池，前表面具有相同方阻的p+發(fā)射極經(jīng)過絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)之后，金屬接觸區(qū)域的暗飽和電流密度（J0,metal）為1000~2000 fA/cm2。隨著市場對高效電池和高功率組件的需求急劇增加，降低金屬-半導體接觸區(qū)域的復(fù)合顯得尤為重要。

1.1 何為鈍化接觸太陽能電池

隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivating Contacts）電池的概念由德國夫瑯禾費太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer-ISE)于2013年提出，下圖為該N型鈍化接觸太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1. 鈍化接觸太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖[1]

前表面與常規(guī)N型太陽能電池或N-PERT太陽能電池沒有本質(zhì)區(qū)別，主要區(qū)別在于背面。硅片背面采用硝酸濕法氧化出一層1.4 nm左右的極薄氧化硅層，并利用PECVD在氧化層表面沉積一層20 nm厚的磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜。鈍化性能需通過后續(xù)退火過程激活，Si薄膜在該退火過程中結(jié)晶性發(fā)生變化，由微晶非晶混合相轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑АＴ?50 °C的退火溫度下退火，iVoc > 710 mV, J0在9-13 fA/cm2，顯示了鈍化接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)異的鈍化性能。所制備的電池效率超過23%，其余電性能參數(shù)如Voc, Jsc和FF在表1中列出。下圖2和圖3分別為Fraunhofer-ISE 的單晶鈍化接觸太陽能電池的效率提升及鈍化性能改善曲線，從中可以看到鈍化接觸技術(shù)對于效率提升的潛力。目前N型前結(jié)鈍化接觸太陽能電池世界紀錄(25.8%)由該研究所保持（其余電性能參數(shù)見表1）。

圖2.Fraunhofer-ISE的N型單晶鈍化接觸太陽能電池效率進展

圖3.Fraunhofer-ISE的N型單晶鈍化接觸太陽能電池鈍化性能進展

1.2 鈍化接觸太陽能電池的優(yōu)勢

為什么高效太陽能電池效率提升到25%之后的技術(shù)路線是鈍化接觸電池，而非其他結(jié)構(gòu)的太陽能電池；為什么是N型鈍化接觸電池，而非P型鈍化接觸電池，這是個值得思考的問題。

常規(guī)Al-BSF太陽能電池由于背面金屬電極直接與Si接觸，載流子復(fù)合嚴重，導致J0偏高，Voc難以超過685 mV。PERC太陽能電池在背面金屬與Si之間沉積Al2O3/SiNx疊層鈍化膜，利用場鈍化和化學鈍化對背表面實現(xiàn)了優(yōu)異的鈍化效果，提高了電池Voc。目前PERC太陽能電池的Voc可以接近690 mV，但仍難以超過700 mV。由于Al2O3/SiNx均為介質(zhì)絕緣膜，為實現(xiàn)電學接觸，需對介質(zhì)膜進行局域開孔，由此造成載流子需通過二維輸運才能被金屬電極收集，造成橫向電阻輸運損耗，F(xiàn)F隨著金屬接觸間距的增加而減少。同時金屬與Si局域接觸仍然在該區(qū)域存在較高的復(fù)合，即J0,metal比較高。

更高效的太陽能電池要求在具有良好的界面鈍化情況下，盡可能實現(xiàn)一維縱向輸運，使Voc和FF最大化。而鈍化接觸便是實現(xiàn)該功能的途徑之一。鈍化接觸電池的Poly-Si與Si基底界面間的氧化硅對鈍化起著非常關(guān)鍵的作用，氧化硅通過化學鈍化降低Si基底與Poly-Si之間的界面態(tài)密度。多數(shù)載流子通過隧穿原理實現(xiàn)輸運，少數(shù)載流子則由于勢壘以及Poly-Si場效應(yīng)的存在難以隧穿通過該氧化層。在重摻Poly-Si中，多數(shù)載流子濃度遠高于少數(shù)載流子，降低電子空穴復(fù)合幾率的同時，也增加了電導率形成多數(shù)載流子的選擇性接觸。在選擇性接觸區(qū)域，多子傳輸導致電阻損失，同時少量少子向金屬接觸區(qū)域遷移導致復(fù)合損失。前者對應(yīng)接觸電阻ρc，而后者則對應(yīng)界面復(fù)合J0。目前國際報道了J0低至2 fA/cm2，ρc低至3 mΩ/cm2的n+ Poly鈍化接觸，iVoc高達733 mV [2]，而電池Voc也可輕松突破700 mV。

HIT也采用了類似接觸鈍化的技術(shù)。HIT采用非晶硅作為鈍化材料，非晶硅存在較嚴重的寄生吸收，同時由于非晶硅的鈍化性能對溫度敏感，所以HIT電池要求制備溫度低于200 °C，配套地要求使用低溫銀漿、透明導電層（TCO），而TCO存在較強的自由載流子吸收。此外僅靠單層TCO作為減反射層，減反效果較差。綜合這些因素可以認為鈍化接觸電池是目前更具有量產(chǎn)前景的鈍化接觸技術(shù)。

圖4. n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的鈍化接觸性能[3]

圖4顯示了n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的鈍化接觸性能[3]。可以看出n+ Poly和a-Si:H的鈍化性能接近，均優(yōu)于p+ Poly鈍化性能。但是，a-Si:H接觸電阻率（ρc）比n+ Poly大，p+ Poly無論鈍化性能還是接觸電阻率都不如n+ Poly。目前PERC太陽能電池背面采用Al2O3/SiNx疊層鈍化，J0低于10 fA/cm2，鈍化性能甚至優(yōu)于p+ Poly，使p+ Poly在p型太陽能電池中喪失優(yōu)勢；而n+ Poly用作P型太陽能電池前表面的發(fā)射極，則又會存在多晶硅寄生吸收的問題，導致短路電流低。因此P型鈍化接觸電池相對N型鈍化接觸電池更沒有優(yōu)勢，這也是幾乎所有企業(yè)都將目光聚焦在N型鈍化接觸電池的原因。

1.3 鈍化接觸太陽能電池的潛力

從宏觀上講，SiOx/(n+或p+) Poly與a-Si:H(i)/a-Si:H(n+或p+)均屬于載流子選擇性接觸結(jié)構(gòu)，即滿足以下兩方面的條件：1）抑制少數(shù)載流子的傳輸，避免其達到界面與多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合（低的J0）；2）促進多數(shù)載流子的有效傳輸，降低電阻損失（低的ρc）。德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）所長R. Brendel、R. Peibst及J. Scht為了定量比較不同材料的電學性能，將鈍化性能參數(shù)（J0）和接觸性能參數(shù)（ρc）結(jié)合在一起，定義了材料載流子選擇性（Selectivity）的概念，用S10表示[4]。其中，S10=log[Vth/( J0•ρc)]，Vth為25 °C時的熱電壓。不同的載流子選擇性材料與硅基底結(jié)合構(gòu)成載流子選擇性電池，材料的載流子選擇性決定電池極限效率的上限。R. Brendel、R. Peibst及J. Scht在2019年Silicon PV的報告會上基于載流子選擇性S10的概念從理論上對不同結(jié)構(gòu)太陽能電池的理論效率極限做了細致的分析[5]，如圖5所示。

圖5. 不同電子/空穴選擇性接觸材料組成電池的極限效率[5]

圖5為不同電子/空穴選擇性材料結(jié)合組成的太陽能電池的極限效率計算，電子選擇性材料SiOx/n+ Poly-Si與空穴選擇性材料SiOx/p+ Poly-Si結(jié)合的電池的選擇性可以達到13.8~14.2，高于電子選擇性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)與空穴選擇性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)結(jié)合的電池，即HIT，因而具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池（24.5%），最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）[6]。

2.鈍化接觸太陽能電池研究進展

目前國內(nèi)學術(shù)界研究鈍化接觸太陽能電池開展得不多。中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所(NIM TE, CAS, China)制備的小面積(4 cm2)的鈍化接觸電池效率為22.15%，156×156 mm2尺寸的電池效率為21.37%。此外該研究所在理論模擬方面也做了相關(guān)工作，采用AFORS-HET軟件模擬了氧化硅厚度、界面態(tài)密度以及poly-Si性質(zhì)對鈍化接觸電池性能的影響。上海交通大學沈文忠教授團隊制備的大面積(156.75×156.75 mm2)的鈍化接觸太陽能電池平均轉(zhuǎn)換效率在20.7%以上，最高效率接近22%。

國外研究鈍化接觸太陽能電池的研究所或高校主要有Fraunhofer-ISE（德國），ISFH（德國）, ANU（澳大利亞），SERIS（新加坡）和TU-Delft（荷蘭），ECN（荷蘭）。其中ISFH和TU-Delft主要研究POLO-IBC太陽能電池，即將鈍化接觸技術(shù)應(yīng)用在IBC太陽能電池中。

Fraunhofer-ISE目前保持N型單晶和多晶鈍化接觸電池世界紀錄效率，命名為TOPCon電池，F(xiàn)eldmann等在2013年首次報道的電池就是雙面TOPCon結(jié)構(gòu)，電池具有703 mV的Voc和23.7%的效率；2014年，F(xiàn)eldmann等通過改善金屬接觸面積和降低接觸損失，將電池的Voc提升至715.1 mV，取得24.4%的轉(zhuǎn)換效率；2015年，F(xiàn)raunhofer-ISE將電池背面TOPCon結(jié)構(gòu)的J0降到7 fA/cm2，同時將電池效率提升至25.1%；2017年，Richter和Feldmann等探究不同硅片厚度及電阻率對TOPCon電池效率的影響，在4cm2大小，電阻率為1 Ω•cm，厚度為200 μm的FZ硅片上取得了25.8%的前結(jié)世界效率記錄，具體電性能參數(shù)見表1。

Fraunhofer-ISE也進行P型鈍化接觸電池的研究， P型鈍化接觸電池有前表面場 (FSF) 和沒有FSF的效率分別為24.3%與23.9%。雙面采用鈍化接觸結(jié)構(gòu)的P型Si太陽能電池效率為19.2%。Fraunhofer-ISE的研究表明，鈍化接觸太陽能電池對硅片的電阻率和厚度相比其他技術(shù)的太陽能電池有更寬的容忍率[1]。該研究所制備的大面積（100 cm2）的鈍化接觸太陽能電池效率高達24.5%，Voc為713 mV。

ISFH研究的鈍化接觸太陽能電池命名為POLO (Poly Si on Oxide)太陽能電池。該研究所對POLO太陽能電池的鈍化機理，載流子輸運機理以及表征做了非常深入的研究。該研究所的研究表明采用氧化硅作為鈍化層+多晶硅作為載流子選擇性接觸材料，是能取得潛在最高效率的組合。2016年，ISFH制備的N型POLO-IBC太陽能電池效率達到24.25%，Voc為727.1 mV；2018年其制備的P型POLO IBC太陽能電池效率則高達26.1%，是目前P型太陽能電池的世界紀錄效率[2]。但該電池不僅需采用光刻技術(shù)掩膜來分別實現(xiàn)硼原子和磷原子的注入，也需要精確控制激光開膜的能量來減少對poly鈍化性能的損傷，制備流程復(fù)雜，不適合產(chǎn)業(yè)化。

ANU也有研究n-Si基底和p-Si基底的鈍化接觸太陽能電池。該研究所目前N型鈍化接觸太陽能電池效率為24.7%，其余性能參數(shù)見表1。ANU首次采用磁控濺射制備p+ Poly，其p型鈍化接觸太陽能電池效率為23%，Voc超過700mV，表明磁控濺射也可以制備出性能優(yōu)異的Poly-Si[7]。

SERIS制備的大面積(244.3 cm2)雙面N型鈍化接觸太陽能電池，稱之為MonoPolyTM。2018年報道的電池效率為22.8%，J0, Poly < 3 fA/cm2,背面J0,metal(Poly) < 25 fA/cm2,雙面率>85%；2019年Silicon PV上，SERIS報道了將大面積電池的效率提升至23.2%[8]。TU-Delft制備POLO-IBC電池效率超過22%，J0, p+ Poly=4.5 fA/cm2, J0,n+ Poly=11.5 fA/cm2。該電池基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的gap采用a-Si:H進行鈍化，金屬電極與BSF，Emitter之間也有一層a-Si:H[[9]。ECN稱其N型鈍化接觸太陽能電池為PERPoly (Passivated Emitter and Rear Polysilicon)，面積達239 cm2， 2016年對外公布的效率為21.5%。

表1. 不同研究所的鈍化接觸太陽能電池性能參數(shù)

下表2歸納整理了這些研究所目前最佳性能的鈍化接觸太陽能電池的相關(guān)性能參數(shù)以及制備工藝。與大多數(shù)研究所不同，ISFH所制備的氧化硅層厚度超過2 nm，并且在后續(xù)工藝中采用1050℃的退火使氧化硅層破裂，形成孔洞(pinhole),從而實現(xiàn)界面鈍化和載流子的輸運。

表2. 不同研究所的鈍化接觸太陽能電池鈍化接觸性能

TOPCon工藝優(yōu)化