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Nature Energy综述:晶体硅太阳能电池的钝化接触策略

Nature Energy综述:晶体硅太阳能电池的钝化接触策略

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【 成果简介 】

Nature Energy综述:晶体硅太阳能电池的钝化接触策略

近日,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Stefaan De Wolf教授Nature Energy期刊上发表文章。文章报道了钝化接触在晶体硅太阳能电池中的应用。在接触结构中加入薄膜,不仅抑制了光生载流子复合,还促进了载流子的选择性钝化接触,对于主流晶体Si光伏产业而言具有重大意义。作者综述了晶体硅表面接触形成的基本物理过程。通过晶体硅的钝化接触,有望突破重掺杂和直接金属化对光电转化效率的限制,提高晶体Si太阳能电池效率。最后,该综述讨论了在工业条件下实施钝化接触的方法。

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【 研究背景 】

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2017年,约1.7%的全球电力需求由光伏(PV)组件产生的电力满足,其中绝大多数来自晶体硅(c-Si)太阳能电池的贡献。晶体硅太阳能电池目前占光伏市场份额的95%,预计未来几十年仍将是主导的光伏技术。然而,超过70%的c-Si光伏生产力被投入到低性能电池设备的生产,其中整个硅后表面与铝合金形成正极端子,此单元结构称为铝背表面场(Al-BSF)单元。相比于29.4%的理论最大功率转换效率(PCE),其实际PCE上限仅为~20%。占有另外20%市场份额的c-Si光伏生产采取更复杂的钝化发射极和后电池(PERC)设计,其PCE上限也只有23-24%。研究发现,限制Al-BSF和PERC太阳能电池的PCE的最突出的共同特征是接触金属与硅晶片直接接触。该接触向硅-金属界面引入高密度的活性电子态,导致光生电子和空穴的复合损失。

为了减轻这些不利影响,钝化接触技术的开发迫在眉睫。通过在硅片和上覆金属端子之间加入钝化薄膜(通常是氧化硅,SiOx;或氢化非晶硅,a-Si:H),能减少接触复合损失。一些钝化接触技术完全从光吸收材料中去除掺杂剂,将它们结合到c-Si晶片外部的接触结构中。本文结合钝化接触的太阳能电池构型,综述了c-Si钝化接触的概念设计和材料组合。

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【图文导读】

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过去的四年中,c-Si光伏研究在光电转化效率方面又取得了1.7%的提升,而在过去的25年中只有1.8%。图1描绘了近期钝化接触太阳能电池效率的涨势,以及重掺杂直接金属化触点技术的发展历程。数据表明,所有的器件都具有大于25%的特征钝化接触,最成功的器件都有电子和空穴的钝化接触。与具有重掺杂触点的电池相比,钝化接触实现了更有利的填充因子/开路电压(FF / Voc)组合,表明电荷载流子选择性增强。

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图1 c-Si太阳能电池效率的提升历程

(a) 实心的彩色数据点代表钝化接触装置; 开放数据点代表重掺杂的直接金属化触点; 圆圈表示双方联系设计; 和菱形代表IBC设计。红色开口钻石代表提到在器件结构中使用钝化触点之前制造的Sunpower器件。大面积工业PERC电池的记录效率接近该器件设计的效率上限,预示着生产向钝化接触电池架构的转变。c-Si太阳能电池的理论效率极限(29.4%)由虚线表示。

(b) 图(a)中电池的FF与Voc

Box1  Al-BSF和PERC电池的制造

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绝大多数商用c-Si太阳能电池(通常称为Al-BSF太阳能电池)仅需要五个加工步骤:1.纹理化;2.正面磷扩散;3.沉积氮化硅(SiNx);4.沉积金属电极;5.丝网印刷和共烧)。制造工艺的简便易行使得c-Si太阳能电池的大规模生产成本降低。但这种做法是以器件性能为代价的。后接触的重组将PCE限制在〜20%,因此通常用质量较低的多晶硅晶片制造Al-BSF电池。PERC器件的制造方法与Al-BSF电池相似,但也有背面钝化和局部铝BSF触点。

Box2 单面,双面和IBC硅异质结器件

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一种相对简单的钝化接触设计是硅异质结单元(SHJ),它将掺杂置于c-Si之外,接触结构中含有n和p掺杂的a-Si:H层。SHJ器件架构与Al-BSF电池一样,得益于概念上简单的制造过程:在硅晶片和掺杂的a-Si:H层之间夹有本征a-Si:H的薄膜,以钝化表面缺陷,从而产生较高的工作电压;透明导电氧化物(TCO;通常溅射氧化铟锡,ITO) 可将横向电荷传输到丝网印刷的金属指上,并充当ARC。

载流子选择性与费米能级钉扎

为了使太阳能电池发挥作用,必须有一种内在物理机制,在空间上分离光吸收半导体中产生的光生电子和空穴,并分别在负极和正极端子提取带有不同电荷的载流子。端子对载流子的选择性意味着载流子向太阳能电池接触区的不对称内部流动:即强电子和弱空穴电流向电子接触,反之亦然。

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图2 太阳能电池工作原理图

(a) 半导体吸收光子产生自由电子和空穴,它们通过载流子选择区并流向正负极端子;

(b) 电子选择性虚拟表面概述了驱动载流子选择性的物理机制。

实现载流子选择性的简单方法是将导电层(例如金属)直接沉积到硅晶片表面。按照肖特基-莫特理论,外层金属的功函数可以用来控制底层硅片的表面电位,电子(空穴)聚集在低(高)工作函数界面,取代少数载流子,降低J0c。通过适当选择接触金属,可以使接触界面的肖特基势垒足够小,从而在室温下通过热电子发射形成低电阻接触。

金属功函数不能在很大程度上控制半导体表面处的载流子浓度。对于大多数金属-硅触点,强钉扎效应通常导致电荷载流子从接触的硅表面耗尽。结果表明,通过重掺杂可以降低势垒高度,缩小半导体中耗尽区的宽度,以便载流子隧穿肖特基势垒。掺杂量增加和薄膜电阻降低对重掺杂直接金属化触点的选择性构成限制。

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图3 重掺杂接触的原理和特性

(a) 单独的材料;

(b) Schottky–Mott 关系曲线;

(c)费米能级钉扎界面;

(d) 重掺杂方法;

(e) 钝化接触方法;

(f) 重掺杂对ρc的影响;

(g) 重掺杂对Joc的影响。

钝化接触:材料和设备

由于直接金属化,重掺杂触点具有一些固有限制。要解决钝化接触的c-Si表面复合损失和FLP效应,最常见的策略是在c-Si表面和外电极之间插入薄的钝化中间层。在钝化接触的太阳能电池中,钝化接触将器件中的电流简化为一维,消除了横向电阻损耗,并允许在c-Si中使用较低的掺杂浓度。

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图4 具有钝化接触的太阳能电池

(a) 混合MIS电池,具有前电子MIS触点和后Al-BSF空穴触点,是c-Si太阳能电池上钝化触点的原始范例之一;

(b) TOPCon太阳能电池,具有空穴接触的正面硼扩散选择性发射极和后磷掺杂多晶硅电子接触;

(c) DASH太阳能电池利用一组无掺杂剂的金属氧化物和氟化物电子和空穴传输层来代替掺杂的硅层。

金属-绝缘体-半导体钝化接触

在c-Si太阳能电池的早期尝试中,接触钝化采取金属-绝缘体-半导体(MIS)接触的形式。MIS反转层(MIS-IL)电池结构受到了较多的关注。图4中示出了MIS-IL族的原型,一个带有前电子MIS接触的p型电池和后Al-BSF孔接触。

外掺杂法

20世纪80年代开始的平行研究包括开发与多晶硅(poly-Si)和半绝缘多晶硅(SIPOS) 基材料系统的钝化接触,并且通常由夹在重掺杂硅基外层和c-Si晶片之间的薄SiOx层组成。目前最先进的多晶硅触点可以通过一系列不同的沉积和掺杂技术来实现。这种混合结构,有时被称为隧道氧化钝化接触太阳能电池,最近被证实为25.7%。在此之后不久,一种全聚硅接触IBC器件PCE为26.1%,这是具有 n+ 和 p+ 多晶硅触点的太阳能电池的最高效率。在20世纪90年代初,利用一堆本征和掺杂氢化a-Si:H层开发了一种低温替代钝化复合物,现在被称为硅异质结接触(SHJ)。该结构继承自先前对a-Si:H /多晶硅串联电池的研究,以及已知的a-Si:H 薄膜对c-Si的表面钝化。在接下来的十年中优化SHJ结构,导致2000年效率从14.5%增加到20%以上。与上述多晶硅/ SiOx结构相比,SHJ接触更接近于MIS钝化接触原型:钝化中间层减轻FLP,允许外层控制c-Si表面电位,为载体提供具有载流子选择性的导电通路。

无掺杂剂的钝化接触

最终的钝化接触方法是将无掺杂剂材料集成到接触结构中,以代替上述掺杂的硅层或区域。这里使用的术语“无掺杂剂”是指避免掺杂硅,这是因为许多掺杂半导体存在缺陷。这些不含掺杂剂的材料包括金属化合物、低维半导体和有机材料。推动这一研究领域的迅速发展,在很大程度上是MIS接触工作的延伸,有可能克服现有钝化接触的性能限制。电子能带排列图英寸显示,使用硅基钝化接触膜作为电子和空穴传输层仅允许有限范围的带隙和功函数 ,这反过来又限制了触头的光学和电学设计。相比之下,诸如金属氧化物的材料引入了更多样的材料空间,在c-Si带边缘的范围之外具有更宽范围的功函数,以及可能更适合于器件的前侧和后侧的光学特性。例如更宽的带隙,用于增加高能光子的透明度,减少器件前后的寄生自由载流子吸收;以及更宽范围的折射率,以实现最佳的前ARC和后反射器形成。

研究最广泛的无掺杂接触材料是以金属氧化物为基础的材料。对于电子接触,一些能带匹配的n型金属氧化物,以及特殊情况下的硅表面钝化,正在进行探索,例如TiOx、NbOx等。除金属氧化物外,还探索了一系列其他金属化合物作为c-Si太阳能电池的接触材料,例如硫化物、氮化物等。关于无掺杂触点的快速改善,最好的例子是使用一对这样的触点制造电池。

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5 用于钝化接触的材料

导带和价带位置(分别为上矩形和下矩形),以及各种金属、金属化合物和有机半导体的费米能级位置(虚线)。

接触方法的比较

最近,钝化接触技术的爆炸性突破已为不同材料组合提供了一个宽广的范围。在这个范围内,c-Si太阳能电池具有不同的 ρc 和 Joc 特性。图6显示了改变触点后的ρc 和 J0c 的模拟太阳能电池效率。从图中看,在直接金属化的条件下,重掺杂接触具有低ρc 和高J0c 的特征,因此低fc是最佳的。相反,许多钝化触头(例如SHJ触头)具有极低的J0c 和相对较高的ρc ,因此具有较高的最佳 fc。这再次强调了钝化接触技术在太阳能体系中的结构优势。通过比较重掺杂直接金属化触点(黑点)对各种钝化接触技术的电池的剩余效率损失,发现钝化接触技术的真正优点是其较高的理论效率,如由SHJ和多晶硅IBC已证明,已达到约90%基本效率限制的ηlim(相当于~26.4%的PCE)

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图6 硅太阳能电池接触方法的比较

(a) 在太阳能电池模型中,后接触参数(ρc 和 Joc)作为输入,优化接触分数(黑线fc),从而输出电池效率(彩色等高线);

(b) 重掺杂直接金属化触头(黑色)与钝化接触(有色)工艺效率损失与开发时间的比较。

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【 小结 】

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然近年来钝化接触技术的发展使光电转化效率大大提高,但大多数钝化接触电池依赖的并不是当前工业主流的c-Si光伏技术方案。p型多晶硅或富硅碳化硅是有希望的候选材料,尽管它们与传统高温Ag丝网印刷金属化的兼容性相关的问题仍然存在。钝化接触技术在单元架构中提供了更大的灵活性。全区域钝化接触能形成双面设计,并从吸收器两侧收集光,提高能量转化效率,从而降低储能成本。为了超越c-Si太阳能电池约为29.4%的单结理论PCE极限,钝化c-Si太阳能电池的接触是串联电池配置中最关键的驱动因素,这要归功于这样的设备具有最高的工作电压。结合钝化接触的发展趋势,c-Si PV连接更大的光电器件组,其通过接触界面而不是吸收剂掺杂来分离电荷载流子。对于主流的c-Si光伏产业,可以预见的是,重掺杂所施加的物理限制将最终重塑制造业格局,从而设计低成本、高效钝化接触的太阳能电池,这将进一步推动光伏产业向全球能源市场进军。

【 文献信息 】

Passivating contacts for crystalline silicon solar cells. Nature Energy 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0463-6

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0463-6

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 举铁人

主编丨张哲旭


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