N型高效单晶光伏电池技术

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1、.-N N 型高效单晶光伏电池技术型高效单晶光伏电池技术目前 P 型晶硅电池占据晶硅电池市场的绝对份额。然而，不断追求效率提升和本钱降低是光伏行业永恒的主题。N 型单晶硅较常规的 P 型单晶硅具有少子寿命高、光致衰减小等优点，具有更大的效率提升空间，同时，N 型单晶组件具有弱光响应好、温度系数低等优点。因此，N 型单晶系统具有发电量高和可靠性高的双重优势。根据国际光伏技术路线图ITRPV2021 预测：随着电池新技术和工艺的引入，N 型单晶电池的效率优势会越来越明显，且N 型单晶电池市场份额将从2021 年的 5%左右提高到 2025 年的 35%左右。本文论述了 N 型单晶硅及电池组件的优势

2、，并介绍了各种 N 型单晶高效电池构造和特点，及相关技术开展现状和产业化前景。1.1.引言引言由于晶硅太阳电池成熟的工艺和技术、高的电池转换效率及高达25年以上的使用寿命，使其占据全球光伏市场约90%份额。理论上讲，不管是掺硼的P 型硅片还是掺磷的 N 型硅片都可以用来制备太阳能电池。但由于太阳能电池是基于空间航天器应用开展而来的，较好的抗宇宙射线辐照能力使得P 型晶硅电池得到了充分的研究和空间应用。技术的延续性使目前地面用太阳能电池90%是掺硼 P 型晶硅电池。而且，研究还发现N 型晶硅电池由于 p+发射结均匀性差导致填充因子较低，并且长期使用或存放时，由于发射结外表钝化不理想等原因电池性能

3、会发生衰退。另外，B2O3 的沸点很高，扩散过程中始终处于液态状态，扩散均匀性难以控制，且与磷扩散相比，为了获得一样的方块电阻需要更长的时间和更高的温度，导致材料性能变差。所以与在N 型硅片上形成掺硼p+发射结在工业生产中比拟困难。然而，地面应用并不存在宇宙射线辐照的问题，而且随着技术的开展，原来困扰N 型晶硅电池的发射结浓度分布、均匀性、外表钝化等技术难题已经解决。随着市场对电池效率的要求越来越高，P 型电池的效率瓶颈已越创造显。N 型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势，具有更大的效率提升空间和稳定性，成为行业关注和研究的热点。根据图 1 和 2 国际光伏技术路线图 ITRPV2

4、021 的预测，随着背接触 BC、异质结 HIT等电池新构造，及激光、离子注入等新技术的引入，N 型单晶电池的效率优势会越来越明显，且单晶硅在今后几年的市场份额会逐步增加，到2025 年将超过多晶硅，占据光伏市场份额首位，其中 80%以上为 N 型单晶。表 1 列举了 Panasonic，SunPower，Sharp 不同电池构造实验室的电池转化效率记录，大面积 HBC 电池最高效率已到达 25.6%，展现了强大的开展潜力。.可修编.-图 1 ITRPV2021 晶硅电池效率预测图 2 ITRPV2021 不同类型硅片市场份额预测.可修编.-表 1 局部机构 N 型单晶电池的最高转换效率本文论

5、述了 n 型单晶硅及电池组件的优势，并介绍了各种N 型单晶高效电池构造和特点，相关技术开展现状及产业化前景。2.N2.N 型单晶硅材料及电池组件的优势型单晶硅材料及电池组件的优势与 P 型单晶硅相比，n 单晶硅的生产制备没有本质的区别，是非常成熟的工艺技术，随着 N 型单晶硅生产规模的扩大和技术的进步，两者之间的生产本钱将会越来越接近。磷掺杂的N型单晶硅及电池组件较硼掺杂的P型单晶硅及电池组件有许多明显的优势。首先，N 型材料中的杂质对少子空穴的捕获能力低于P 型材料中的杂质对少子电子的捕获能力，一样电阻率的 N 型 CZ 硅片的少子寿命比 P 型硅片的高出 12 个数量级，到达毫秒级。且 N

6、 型材料的少子空穴的外表复合速率低于P 型材料中电子的外表复合速率，因此采用N型晶硅材料的少子空穴的复合将远低于P 型的少子电子的复合。其次，N 型硅片对金属污染的容忍度要高于P 型硅片。如图 3 所示，Fe，Cr，Co，W，Cu，Ni 等金属对 P 型硅片少子寿命的影响均比N 型硅片大，由于带正电荷的金属元素具有很强的捕获少子电子的能力，而对于少子空穴的捕获能力比拟弱，所以对于少子为电子的P型硅片的影响比少子为空穴的N 型硅片影响要大，即在一样金属污染的情况下，N 型硅片的少子寿命要明显高于 P 型硅片。但对于 Au 却是相反地，但对于现代工艺技术而言，Au 污染已不再是问题。.可修编.-图

7、 3 金属杂质在硅中的复合行为1973 年 H.Fischer等发现P 型掺硼 CZ晶硅电池在光照下会发生明显的电性能衰减。1997年J.Schmidt等证实硼掺杂Cz晶体电池出现光致衰减是由于光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合中心，从而使少子寿命降低，引起电池转换效率下降。2006 年 A.Herguth等人发现在一定的温度和光照条件下，可以使硼氧复合体形成复合活性较低的中间态，在一定程度上降低由硼氧复合体复合中心导致的光致衰减。而掺磷的N 型晶体硅中硼含量极低，本质上消除了硼氧对的影响，所以几乎没有光致衰减效应的存在。最后，由于 N 型基体材料高的少子寿命，N 型晶硅组件在弱光下

8、表现出比常规P 型晶硅组件更优异的发电特性。如图4 所示，N 型晶硅组件在光强小于 600W/m2 的弱光情况下，相对发电效率明显高于P 型晶硅组件。.可修编.-图 4 N 型和 P 型晶硅组件相对效率随入射光强度的变化曲线3.N3.N 型单晶电池构造和特点型单晶电池构造和特点目前研究的 N 型单晶高效电池主要有：PERT 电池，PERL 电池，HIT 电池，IBC 电池，HBC 电池等。PERT 电池根据其发射结的位置可分为正结型p+nn+和背结型n+np+，根据其受光面不同分为单面受光型和双面受光型。PERL 电池根据其受光面不同，也可分为单面受光型和双面受光型。如图 5 所示。本文将就几

9、种典型电池的构造和工艺特点进展重点介绍。.可修编.-图 5 N 型单晶硅太阳能电池的分类3.1 N-PERL3.1 N-PERL 电池电池PERL 电池是发射结钝化反面局部扩散电池 PassivatedEmitterRearLocally-diffused，其构造特点是反面局部接触处重掺杂以降低电池反面局部接触区域的接触电阻和复合速率。反面局部重掺可以通过不同的工艺方式实现，比拟常用的是激光掺杂和离子注入等。另外，PERL 电池根据其受光面不同，可分为单面受光型和双面受光型。单面受光型电池反面一般为全金属背电极覆盖，而双面受光型一般为丝网印刷正反面对称构造，反面可接收反射光线，结合双玻组件技术

10、可提高3%以上的总发电量。德国 Fraunhofer 实验室利用 PassDop 技术制备的 n-PERL 小面积电池4cm2，其转化效率达 23.2%Voc=699mV，Jsc=41.3mA/cm2，FF=80.5%，电池构造如图 6 所示。基体材料为 N 型 CZ 单晶硅，正面通过离子注入形成硼掺杂p+发射结，正面采用 ALD 工艺沉积 Al2O3钝化层钝化发射结降低外表复合速率，再用PECVD 沉积 SiNx 形成减反膜。正面光刻工艺开槽后用蒸镀方法形成 Ti/Pb/Ag 金属电极，反面利用激光掺杂技术形成局部背场，如图 7 所示。其工艺特点是先在反面PECVD 法生长一层磷掺杂的a-S

11、iCx 钝化层，再利用激光在熔融钝化层的同时将其中的磷元素掺杂进晶体硅形成局部重掺，最后通过PVD 的方法形成 Al 反面电极。反面磷掺杂的 a-SiCx 钝化层具有很好的钝化效果，金属接触区域 n+局部重掺在降低接触电阻的同时，减少了金属接触区域的复合，提升了电池的开路电压和填充因子。电池 Uoc达 699mV，FF 达 80.5%，显示了良好的外表钝化效果和接触特性。PassDop 技术采用成熟的激光掺杂技术在形成反面局部接触窗口的同时形成局部重掺，在不额外增加工艺步骤的情况下实现了PERL 电池构造，是一种非常有应用前景的N 型高效电池的技术。.可修编.-图 6 德国 Fraunhofe

12、rPassDop 技术 PERL 电池构造示意图图 7 PassDop 激光掺杂示意图a基体硅反面b沉积磷掺杂的 a-SiCx 钝化层c激光开槽形成局部重掺d沉积 Al 背电极日本三菱电机的 n-PERL 电池那么采用双面受光型构造，在 156*156mm2 大面积单晶硅片上实现转化效率 21.3%Jsc=39.8mA/cm2，Voc=677mV，FF=80.5%，电池构造如图 8 所示。其正面发射结利用 APCVD 的方法沉积硼硅玻璃后经热扩散形成P 型发散结，再采用 ALD沉积 Al2O3 钝化 p+发射结以降低外表复合速率。与 Fraunhofer 的 N 型 PERL 电池反面构造不同

13、的是，除了在电极下局部重掺形成LBSF，以有效地降低反面接触位置的复合速率及接触电阻外，其反面局部接触之间通过扩散形成一层均匀的N 型掺杂层，可有效降低由于N 型材料相对较高的体电阻率所引起的电阻损耗。反面栅状电极通过精准对位准确覆盖于局部重掺区域形成双面受光电池构造。此电池构造兼具PERT 和 PERL 电池构造的优点，但因引入多步掺杂工艺而额外增加了工艺复杂度及制造本钱而未被广泛采用。图 8 日本三菱电机 PERL 电池构造示意图.可修编.-3.2 N-PERT3.2 N-PERT 电池电池PERT 电池是发射结钝化全背场扩散电池PassivatedEmitterRearTotally-d

14、iffused，其构造特点是背外表扩散全覆盖以降低电池的反面接触电阻和复合速率。反面全背场扩散可以通过不同的工艺方式实现，主要包括管式扩散，外延生长法，离子注入法等。英利公司 PANDA 电池是采用双面受光型PERT 构造的大面积电池239cm2，并且已实现量产，最高转化效率为20.76%Voc=650.3mV，Jsc=39.6mA/cm2，FF=80.63%，电池构造如图 9 所示。其在普学制绒的N 型 Si 片上，通过硼磷管式共扩散制备正面P 型发射结和 N 型反面，然后通过 PECVD 技术在前后外表制备钝化层和减反膜，正反面电极使用常规丝网印刷工艺完成。PANDA 电池双面发电的设计，

15、能够同时承受从正面和反面进入电池的光线从而实现双面发电的功能；正面采用细密栅线的设计，减少了遮光面积，提高了电池的短路电流。与规模化生产的 IBC、HIT 等 N 型电池相比，其构造简单、制备本钱低、工艺流程短，与现有的P 型生产线相兼容，容易实现大规模量产。图 9 英利公司 PANDA 电池构造示意图比利时 IMECn-PERT 电池是背结型大面积电池225cm2，转化效率达 21.51%Voc=675.9mV，Jsc=39.35mA/cm2，FF=80.9%，电池构造如图 10 所示。正面为 N 型前外表场，反面为通过外延法生长的P 型晶硅背发射结，再用ALD 法生长 Al2O3 钝化层钝

16、化反面。外延法生长反面 P 型发射结技术目前仍然处理实验室研究阶段，其量产可能性还有待验证。.可修编.-图 10 IMECPERT 电池构造示意图为了进一步降低反面复合速率实现反面整体钝化，并去除反面开膜工艺，钝化接触技术近年来成为行业研究热点。德国Fraunhofer 开发的 TopconTunnelOxidePassivatedContact技术在小面积电池4cm2上实现 25.1%的转化效率Voc=718mV，Jsc=42.1mA/cm2，FF=83.2%，电池构造如图11 所示。正面采用选择性发射结构造，方块电阻达150ohm/sq，并采用 Al2O3/SiNx 进展外表钝化和减反射以

17、降低外表复合速率和反射率。反面首先在电池反面采用湿化学方法制备一层超薄SiO2，厚度约 12nm，然后再沉积一层 20nm 厚的磷掺杂非晶硅层，经过高温退火后形成掺杂多晶硅，二者共同形成钝化接触构造，最后通过PVD 的方法形成全反面金属接触。反面 TopCon 构造的隧穿效应示意图如图12 所示，12nm 厚的化学 SiO2 隧穿氧化层具有很好的选择性，允许多子电子穿越同时阻挡少子空穴的复合，由于采用晶化处理，此钝化构造具有很好的热稳定性。Topcon 全接触钝化结合全金属电极的创新构造，克制了 PERL 电池构造由于局部开孔对载流子传输路径的限制，实现了最短的电流传输路径，将传输电阻损失降低

18、为零，根本上消除了电流横向传输引起的损失。相比拟于 PERL 电池构造，TopCon 构造无须反面开孔和对准，也无须额外增加局部掺杂工艺，极简化了电池生产工艺，同时掺杂多晶硅层良好地钝化特性以及反面金属全接触构造具有进一步提升转换效率的空间，或可成为下一代产业化N 型高效电池的切入点。.可修编.-图 11 德国 FraunhoferTopcon 技术 PERT 电池构造示意图图 12 TopCon 构造的隧穿效应示意图3.3 N-PERT/PERL3.3 N-PERT/PERL 电池的研究和产业化现状电池的研究和产业化现状N-PERT/PERL 电池由于比拟大的效率提升潜力，相比照拟简单的电池

19、构造，且与现有产业化生产比拟好的兼容性，成为近些年行业研究的热点，不同国家不同机构的研究人员开.可修编.-展了大量富有成效的工作。表 2 汇总了 N-PERT/PERL 电池的实验室研究水平和产业化现状，其中中国英利公司与 ECN 合作开发的 PANDA 双面电池已经实现大规模量产，并充分利用了原有电池线的生产设备；国LG 公司利用离子注入工艺和丝网印刷实现量产的电池效率到达21.522%，是比拟高的量产效率。需要特别指出的是德国Fraunhofer 利用 Topcon 技术制备的 n-PERT 电池转化效率达 25.1%，是非常值得产业界期待的技术路线。表 2 N-PERT/PERL 电池研

20、究和产业化现状汇总3.4 IBC3.4 IBC 电池电池叉指状背接触电池IBC InterdigitatedBackContact 最早是由Schwartz和 Lammertz在 1975年提出来的，它将 pn 结、基底与发射区的接触电极以叉指形状全部做在电池反面，完全消除了前外表栅线的遮光，同时无须考虑前外表减反射构造对电极接触的影响，为前外表陷光构造和实现更低反射率提供了更大的优化空间和潜力。全反面电极由于不用考虑对电池光学方面的影响，设计时可以更加专注于电池电性能的提高。.可修编.-IBC 电池的核心问题使如何在电池反面制备出质量较好、成叉指状间隔排列的p 区和 n区。传统的技术路线是液

21、态硼扩散和光刻技术，但需要高温工艺，且均匀性较差；为防止多步光刻及扩散工艺所带来的复杂操作，可在电池反面印刷一层含硼的叉指状扩散掩膜层，掩膜层上的硼经扩散后进入N 型衬底形成 p+区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成n+区。另外，使用离子注入技术21可获得均匀性好、结深准确可控的p 区和 n 区，具有很好的开展前景，但本钱较高，尚未产业化。美国 SUNPOWER 公司 IBC 电池已实现量产，电池构造如图 13 所示，实验室最高转换效率达 25%Voc=706mV，Jsc=42.1mA/cm2，FF=82.8%，量产平均效率达23%。其电池前外表通过金字塔构造及减反膜来提高电池的陷光效应。

22、电池的背外表由硼扩散p+区域和磷扩散 n+区域呈指状穿插分布，正反外表均覆盖SiO2 钝化膜，降到了外表复合并增加了长波响应，从而提高了开路电压。在前外表的钝化层下进展浅磷扩散以形成n+前外表场，提高短波响应。P 型和 N 型金属电极通过丝网印刷方式实现，透过SiO2 介质膜上的孔槽与 Si 衬底实现点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，进一步降低了电极外表的复合，提高了开路电压。但是，IBC 电池制程工艺复杂，屡次使用掩膜、光刻等半导体技术，本钱几乎为常规电池的两倍，因此如何简化工艺，开发低本钱的 IBC 技术并推向产业化应用是业界关注的重点和难点。图 13 美国 SUNPOWER 公司

23、IBC 电池构造示意图表3汇总了IBC电池局部机构&公司研究现状，电池效率普遍在22%以上，美国Sunpower公司 IBC 电池已实现量产，实验室最高效率达25%。天合公司的大面积IBC 电池，简化了工艺流程，最高转换效率达22.9%，通过工艺优化预计可到达23.8%。另外，天合与澳大利亚国立大学ANU共同研发的小面积电池效率达24.37%。显示了 IBC 电池在构造方面的优势及强大开展潜力。.可修编.-表 3 IBC 电池研究现状汇总3.5 HIT3.5 HIT 电池电池HIT 电池正面首先沉积很薄的本征非晶硅层作为外表钝化层，然后沉积硼掺杂的p+型非晶硅层，两者共同构成正面空穴传输层。沉

24、积后硅片靠近外表由于能带弯曲，阻挡了电子向正面的移动。相反对空穴而言，由于本征层很薄，空穴可以隧穿后通过高掺杂的p+型非晶硅。在反面同样沉积本征非晶硅薄膜和掺磷的n+非晶硅层，同样由于能带弯曲，阻挡了空穴向反面的移动，而电子可以隧穿，两者共同构成了电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层，使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个外表流出，从而实现两者的别离。1992 年三洋公司的 Makoto Tanaka 和 Mikio Taguchi 第一次成功制备了 HITHeterojunctionwith Intrinsic ThinLayer 电池。HIT 电池构造简单，其中间

25、衬底为 N 型晶体硅，通过 PECVD 方法在 P 型 a-Si 和 c-Si 之间插入一层 10nm 厚的 i-a-Si 本征非晶硅，在形成 pn结的同时本征 a-Si：H 具有很好的钝化晶体硅外表缺陷的作用，极降低了晶体硅的外表复合，复合速率可降至 3cm/s，确保了电池很高的开路电压。电池反面为20nm 厚的本征 a-Si：H和 N 型 a-Si：H 层，在钝化外表的同时可以形成背外表场。由于非晶硅的导电性较差，因此在电池两侧利用磁控溅射技术溅射TCO 膜进展横向导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极，使得 HIT 电池有着对称双面电池构造，一定程度上减少了电池的热应力和机械应力，并允许

26、薄硅片的使用，同时电池反面可以利用地面的反射光发电，提高了发电量。整个制备过程都是在低于 200下进展的，可防止高温工艺对硅片的损伤。并且，N 型 HIT 电池没有光致衰减效应，且温度稳定好，温度系数仅为-0.25%/C，即使在户外高温度条件下工作，仍能表现出很好的输出特性。.可修编.-日本 Panasonic 公司于 2021 年收购三洋公司后，继续HIT 电池的开发，其电池构造如图 14 所示，实验室最高转换效率达24.7%Voc=750mV，Jsc=39.5mA/cm2，FF=83.2%，量产平均效率达 22.5%。图 14 日本 Panasonic 公司的 HIT 电池构造示意图表 4

27、 汇总了 HIT 电池局部机构&公司研究现状，电池效率普遍在22%以上，显示了 HIT电池在构造方面的优势及开展潜力。需要特别指出的是，美国 Silevo 利用隧穿氧化钝化层制备大面积 HIT 电池效率达 23.1%，非常具有大规模量产的前景。.可修编.-表 4 HIT 电池研究现状汇总HIT 电池虽然开展迅速，但是仍然存在许多问题，一定程度上限制了其大规模量产。首先其生产过程中的每一步工艺要求都非常严格，比方由于非晶硅薄膜生长对外表质量要求很高，所以对前道晶硅的外表清干净化技术提出非常高的要求。其次，非晶硅薄膜无法承受较高温度的后续工艺，后道必须使用高本钱低温工艺和材料。另外，TCO 薄膜本

28、钱较高，且产量有限。所以在保证高效的情况下，大规模的量产还需要进一步的研究。到目前为止，只有panasonic 公司的 HIT 电池成功实现了产业化，但其对 HIT 电池的相关参数以及制备过程无详细报道，而世界各地的科研小组至今没有能到达或重复其实验效果。大规模量产方面，据报道日本松下Panasonic现有HIT 产能共 1GW，160MW 为一条产线。电池量产转换效率约为22.5%，马来西亚工厂HIT 组件本钱约为 0.7 美元/瓦。所有硅片电池均为 125mm125mm，主要原因是薄片化初始硅片厚度150m，制成电池后厚度为 110m，如果采用 156mm156mm 硅片在丝网印刷段容易碎

29、片。最早投入使用的HIT组件至今大约 11 年，累计衰减仅为 2%3%。另外，Solarcity 收购 Silevo，方案在美国建立 1GWHIT 电池工厂。欧洲联合研究中心最近公布“MW 级先进光伏制造工厂方案X-GWp，核心目标是推动新型高效22-25%HIT 电池的量产，预计在2021 年建立产能 1GW 的工厂。3.6 HBC3.6 HBC 电池电池日本 Panasonic 公司的 HBC 电池Hetero-junctionBackContact是将HIT 技术运用于 IBC构造的电池。其电池构造如下图，创造了实验室最高转换效率25.6%的世界纪录 Voc=740mV，Jsc=41.8

30、mA/cm2，FF=82.7%。HBC 电池与 HIT 电池相比最大的特点是前外表没有栅线电极，极大降低了栅线对太的遮挡损失，确保了电池高的Isc。其正面先生长“一个钝化效果非常.可修编.-好的钝化层钝化外表，再沉积SiNx 减反膜降低反射率。反面先沉积一层本征a-Si：H，再沉积呈指状穿插分布 N 型 a-Si：H 层和 P 型 a-Si：H 层，非晶硅薄层极好地钝化效果确保了电池的高开路电压，最后用电镀工艺制备反面的正负电极，由于不用考虑对电池光学方面的影响，电极设计时可以更加专注于电池电性能的提高，确保了电池高的填充因子。图 15 日本 Panasonic 公司的 HBC 电池构造示意图

31、4.4.总结总结本文重点介绍了几种 N 型高效单晶电池的构造特点和研发现状。与传统的P 型晶硅电池相比，N 型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势，具有更大的效率提升空间和潜力，是高效电池技术路线的必然选择，而且随着电池新技术的引入，N 型晶硅电池的效率优势会越来越明显。德国 Fraunhofer 实验室 PassDop 技术的 N-PERL 电池和 Topcon 技术的 N-PERT 电池最高效率分别到达 23.2%和 25.1%，具有很好的开展潜力。日本Panasonic公司的HBC电池创造了电池效率25.6%的世界纪录。而Sunpower公司的IBC电池和Panasonic公司的 HIT 电池已经实现了大规模量产，平均效率到达22%以上。不断追求效率提升和本钱降低，是光伏行业永恒的主题。随着市场对效率和品质的要求越来越高，单晶 N 型电池由于自身的天然优势，必然会成为市场的追逐的方向。N 型单晶电池将是未来几年高效电池产业化的热点技术，其市场份额在可预见的未来必将会有重大突破，甚至成为主流。【责任编辑：ada.sun】.可修编.