高效硅基异质结太阳能电池量产的关键因素

 摘要: 在所有的太阳能电池技术中，硅基异质结（HJT）太阳能电池最引人注目，因为其具有高的转换效率、简单的工艺流程和低的温度系数。在HJT太阳能电池的制造过程中，等离子增强化学气相沉积设备（PECVD）沉积多层非晶硅层以钝化硅片的表面，这在元器件的性能表现方面起到至关重要的作用。使用精曜科技的PECVD设备在160um厚的绒面常规n型CZ硅片表面沉积5nm厚的非晶硅钝化层，我们得到了非常低的表面复合速率和740mV的潜在开路电压(iVoc)值。另外，通过RPD设备沉积透明导电氧化层，可以同时得到优越的光学特性和电学特性，提升了器件的电流密度（Jsc）和填充因子（FF），这主要归功于其具有较高的载子迁移率和较低的自由载子浓度（FCC）。结合PECVD技术良好的表面钝化效果和RPD制备TCO的优异表现，我们初步在六英寸电池片上得到了大于21%的转换效率。

关键词：硅异质结太阳能电池，PECVD，RPD，TCO


1介绍
光伏技术在产生电能时可实现零CO2排放，因此被认为是重要的可再生清洁能源，而光伏产业的目标是让光伏发电成本与传统的电网发电成本相比具有一定的竞争力。近几年，由于硅片、电池片和组件的产能不断扩张，光伏发电成本也出现了实质性的下降。因此，降低集成成本（BOS）在整个光伏发电系统成本结构中的比例也变得更加重要，这意味着高效组件在降低系统成本的过程中将扮演着最重要的角色，因为它们在提供相同电量的情况下可以节约更多的BOS成本。屋顶应用受有限的安装面积所限制，因此高效电池在这方面更发挥举足轻重的地位。在所有的太阳能电池技术中，研究硅基异质结（HJT）太阳能电池具有重要的意义，因为其具备转换效率高(24.7%)[1], 结构简单, 制程温度低(< 250℃), 工艺步骤少以及温度系数低等优点。结合背接触技术，在商业化的硅片尺寸上，HJT太阳能电池转换效率已经达到了25.6%的记录，这在硅基太阳能电池技术中是最高的[2]。

与传统的P型单晶/多晶太阳能电池相比，n型单晶衬底的HJT太阳能电池可以得到更高的转换效率，而且只需要很少的工艺步骤。同时，HJT具有独特的无PID（电势诱导衰减）和无LID（光致衰退）效应保证了光伏组件更可靠和更长的使用寿命[3,4]。表1总结了HJT太阳能电池和传统光伏技术相比所具有的优点。
2 HJT太阳能电池的核心制造设备
2.1 等离子增强化学气相沉积 
在生产制造HJT太阳能电池的过程中，PECVD扮演着最重要的角色。其不仅决定着对产品性能起至关重要作用的钝化效果，同时也占据了最大的设备成本。非晶硅钝化层由精曜(苏州)新能源科技有限公司（Archers）所设计的线性群集式ALC-PECVD系统所完成，此系统具有平行板电极结构并采用13.56MHz射频电源。入光面沉积本征钝化层（i）并在上面堆叠掺硼的（P）层，背面同样沉积本征钝化层（i）并堆叠掺磷的（n）层。钝化效果通过镀在刻蚀方向为<100>的绒面CZ硅片上来评估，硅片尺寸为156×156mm，并使用Sinton WCT-120进行测试。同时，也采用未制绒的FZ硅片和椭偏仪来评估非晶硅层的性质。镀在绒面上膜层厚度按照常规的方式由几何因子1.7来区分决定[5]。

表面钝化通过在制绒的CZ硅片上下表面沉积5nm厚的非晶硅本征层来完成。图1.显示了在瞬态模式下测得的iVoc值和少子寿命值（MCLT）。首先，这个系统实现了很好的钝化效果，在六英寸160um厚的整面制绒CZ硅片上得到了741mV 的iVoc值和2.6ms的少数载子寿命值。精曜科技的线性群集式ALC-PECVD设备采用的CVD托盘尺寸是1,150mm×1,450mm，如图2.所示，在整面的托盘上放置平面基板，镀8nm厚的膜层均匀性可以达到3.3%，整个托盘面积上的膜厚均匀性对于高产能的批量生产至关重要，而且在连续5个运行批次中仍可重复得到值为4.2%良好的膜厚均匀性。

2.2 反应等离子沉积(RPD)
入光面的TCO层对异质结电池起到至关重要作用，它不仅需要具有良好的电导率以更好地输出电池功率同时还需要具有良好的抗反射率及较低的吸收率以利于更多的光投射到下方的半导体层。在蚀刻方向为<100>的硅片上，具有金字塔形貌的最佳TCO抗反射层膜厚为~70nm，另外,a-Si层的存在限制TCO层的沉积温度，在TCO膜的沉积过程中可以通过选择氧气的流量来调控载流子的浓度，以得到穿透率与电导率的最佳平衡值。但想要同时改善电导率和透光率就需要靠增加载流子的迁移率来实现，但在现有的条件参数下较难实现。对于高效率的HJT电池，欧洲的HETSI项目记录了前TCO层载流子浓度达到极限值(n<2×1020cm-3)和电阻率达到极限值(<5×10-4 Ohm-cm)时,载流子迁移率至少为60cm2/Vs[6]。采用直流（DC）磁控溅射法制备的InOx 层在(<250℃)的温度下退火得到的TCO膜性质与上述标准相比还有较大的差距，如表2所示。

RPD方法不但可得到很高的载流子迁移率，同时会产生大量的离子成份[7]来促使膜层在沉积过程中进一步晶化。事实上，在室温沉积和不需要退火的条件下，可以得到沿着单一方向均匀生长的有效结晶膜层[8]，从表2可以发现其更高的迁移率。氧化铟做为TCO层对长波的吸收可以通过Drude模型很好的展现[9]。通过这个模型，图3.显示了在通过调节载流子浓度并固定电阻率的情况下载流子迁移率的增加对吸收率的作用。降低载流子的浓度对于光线的收集有多重的益处，因为折射率的改变拓宽了抗反射的带宽。最后，由于RPD沉积InOx的过程中通过热蒸发传递给原子的能量远小于磁控溅射工艺过程中电压加速传递的动量，因此避免了非晶硅界面层受到损伤。
2.3 器件结果
如图4所示，由精曜科技的ALC-PECVD镀非晶硅层，RPD镀TCO层和丝网印刷电极所制备的电池的最佳初始值为开路电压（Voc）713mV和转换效率20.4%。得益于RPD制备得到TCO膜的较低的自由载子吸收率，我们可以得到高达37.3mA/cm2的Jsc结果。基于我们的计算，同时优化丝网印刷工艺可以在保持高的FF的情况下得到超过38mA/cm2的短路电流。
经过PECVD与RPD的制程优化，精曜公司目前在六英寸全尺寸CZ硅晶片已可达到21.5%的转换效率，并将元件开路电压(Voc)提升至730mV。相关结果将会在近期整理发表。

3 结论
我们讨论了制备高转换效率的硅基异质结太阳能电池的关键真空工艺设备。就这一点来说，精曜科技的ALC-PECVD平台可以实现高质量的镀膜钝化效果和膜厚均匀性。只需要镀5nm厚的本征非晶硅层就可以在绒面的硅片上起到很好的钝化效果并且得到741mV的iVoc，而且在尺寸为1,150mm×1,450mm托盘上制备的膜层厚度不均匀性低于3.3%，以及在5个连续运行批次内厚度不均匀性仍可保持在4.2%以内。结合精曜科技的ALC-PECVD工艺和RPD镀高载流子迁移率的TCO膜层以及丝网印刷电极，可以在六英寸全尺寸HJT电池上初步得到超过21%的转换效率。

参考文献
[1] S. Tohoda et al., in 23th PVSEC, Taiwan, 28-31 October, 2013
[2]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
[3]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2013/01/en130115-2/en130115-2.html
[4] T. Ishiguro et al., in Photovoltaic Module Reliability Workshop, U.S., 26-27 February, 2013
[5] S. De Wolf et al., Green 2, 7, 2012
[6] P.-J. Ribeyron et al., in 26th EuPVSEC, 2011
[7] D.M. Mattox, Handbook of PVD Processing, p. 406, 1998
[8] Z. Lu et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 46, 2013
[9] H. Fujiwara et al., Phys. Rev. B 71, 075109, 2005
[10] Z.C. Holman et al., IEEE J. Photovoltaics 2, 1, 2012
[11] E. Kbayashi et al., 27th EuPVSEC, 2012