N 型电池类型与晶体制备方法的研究进展.docx

N 型电池类型与晶体制备方法的研究进展2016-09-28?摩尔光伏摘要：基于N型电池的机遇与技术工艺路线、成本的调查，了解现有主要N型电池厂家的现状，分析N型单晶硅的现有与潜在需求；根据2009—2014年间关于N型单晶硅片的制作经验，分析N型单晶硅材料的品质、制造技术与成本之间的关系；分析N型硅片与电池的发展方向。1N型电池　　1.1N型电池的优势众所周知，相比于现在被普及应用的掺硼P型晶体硅，N型晶体硅是一种更优秀的电池衬底材料[1]。被公认的优势主要体现在以下几方面：1）N型晶体硅材料有更高的少数载流子寿命，且可以承受更高浓度的金属杂质或缺陷等复合中心的影响。这主要是因为N型的少数载流子为空穴，大多数杂质原子金属对空穴的俘获截面小于P型少子电子。2）N型晶体硅可以尽可能的减少硼的浓度，从而可以避免B-O复合体的形成。不仅可以提高硅材料的少子寿命，同时在电池中不会出现光致衰减。3）N型晶硅电池被认为有更好的弱光效应。4）相同浓度的掺杂，N型硅材料有更高的导电率。5）N型电池更趋向于应用更薄的硅片，这与硅片的发展趋势是相同的。　　事实上1954年在贝尔实验室被发明的第1片太阳能电池片，就是以N型硅为衬底制作的。尽管如此，但直到20世纪80年代，主要电池片的研究与发展都是基于P型硅衬底的。其原因是，当时太阳能电池的主要工业应用是在卫星或宇宙飞船上，太空中的强宇宙射线对N型电池片造成衰减。地面上的电池应用显然不存在宇宙射线的辐射，因此N型电池越来越受青睐，根据InternationalTechnologyRoadmapforPhotovoltaics预测，到2015年时N型硅单晶电池将占据30%的硅单晶电池的比例。最近报道的Panasonic公司的大面积HIT电池以24.7%的效率打破了世界记录。　　1.2N型电池的技术路线分析　　1.2.1N型电池分类　　现行市场和工业研究平台上的N型硅电池工艺与技术很多[1-3]，从结构上上可以归类为以下3种[4]。1）硼前发射极与普通栅线的结构。忽略细节差异，该工艺大体上与普通P型电池工序相通，只是发射极扩散成P+从而形成P型发射极。如图1所示，N型电池市场上的英利PANDA与三洋HIT电池均属于此列，只是扩散、钝化等工艺不同。　　2）背发射极与普通栅线的结构。利用铝背场与N型基体构成PN结内电场，形成电池结构。如图2所示，大致上可以理解为与现行P型电池工艺相同。3）背发射极与全背电极的结构。如图3所示，IBC电池的背表面由硼扩散p++区域和磷扩散n++区域交错分布，表面覆盖SiO2钝化介质膜，p型和n型金属电极透过SiO2介质膜上的孔槽与硅基体接触。如Sunpower公司的IBC电池可以归为该类型。　　1.2.2不同N型电池结构优势与局限性分析与对比　　结构上分析主要对比2点：1）前发射极与背发射极的对比；2）全背接触与普通H形状栅线接触电极的对比。　　1.2.2.1前发射极与背发射极的对比　　当发射极在背面时，电池正面被光激发的载流子需要穿越一个硅片的厚度才能达到PN结区，因此被发射极的电池需要应用更高少子寿命的硅晶体做衬底。　　中山大学的杨灼坚等用PC1D软件模拟了厚度200μm、体电阻率3Ω·cm的硅片为衬底的电池（见图4），结果表明，除表面复合速度（钝化工艺）以及方阻（扩散工艺）等对效率影响明显之外，背发射极的电池对衬底材料的体少子寿命更为敏感。当少子寿命从1000μs减少到100μs时，电池绝对效率降低了4%（前发射极降低仅为1.5%）。值得注意的是，如果硅片厚度降低，对背发射极的结构的电池是有好处的，而这与硅片更薄的发展趋势相合。　　1.2.2.2全背接触与普通H形状栅线接触电极对比　　从结构上分析，全背接触电极的电池正面没有电极覆盖，可以最大面积的吸收太阳光提高短路电流，也可以实现更好的钝化与陷光效果；此外，由于电极在背面，不带来遮光的影响，可以降低金属电极的串联电阻。如Sunpower公司的IBC电池，最高效率达到了24.2%。　　因为背部可以设计为栅线结构从而可以吸收阳光，H形状的普通栅线电极的一个优势是可以设计成双面电池。如英利的Panda电池与Sanyo公司的HIT电池，必威体育精装版报道Panasonic公司的HIT电池效率达到了24.8%。　　不过这2种接触式的优劣并非那么绝对，如采用MWT技术的类似于普通栅线电池即有背接触电极的优势，而Sunpower公司必威体育精装版研究generation3的IBC电池也有部分双面电池的效果（如图5和图6所示）。　　1.2.3市场上的主要N型电池与技术介绍　　市场上的N型电池片供应商主要有Sunpower（IBC）、Sanyo（HIT）以及Yingli（PANDA）这3家，分别代表了已经商业化的3种电池技术：集成背接触被发射极、前发射的极异