硅系太阳电池表面钝化技术比较.docVIP

1引言 　　目前，制造高效率、低成本的硅太阳电池是光伏能源领域的主要研究热点，低的表面复合是达到高效率的先决条件之一[1]，减少硅片厚度是一种降低硅太阳电池成本的有效途径[2]。无论是降低表面复合，还是减少硅片厚度，表面钝化处理都是必不可少的。这是由于下面两个原因：第一，对硅太阳电池的表面进行较好的钝化，可以去掉悬挂键和降低表面态，这是降低表面复合的一种重要方法[3]。第二，为了在减少硅片厚度的同时保持硅太阳电池的性能不变甚至提高，要求这种薄的硅片具有很低的表面复合速度[2]，传统的方法是使用Al金属作为背面场(BSF)来降低背表面复合速度[4]，但是，标准的Al背面场的应用会导致厚度小于150μm的硅片弯曲，会降低能量的产出[2]，这就需要一种表面钝化方法。硅太阳电池的表面钝化技术包括传统热氧化法(CTO)，快速热氧化法(RTO)，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiNx和SiO2/SiN x堆叠钝化等。下面主要分析这些钝化技术的效果和优缺点。 　　2对少数载流子有效寿命τeff的影响 　　2.1硅片的表面复合 　　硅太阳电池是一种半导体器件，所以，有关半导体的复合理论对硅太阳电池同样成立。根据复合过程发生的位置，可以把复合分为体内复合和表面复合[5]。表面复合是指半导体表面发生的复合过程[5]。硅片中的少数载流子寿命值在很大程度上受到硅片表面状态的影响[5]，这主要是由于以下三个原因：(i)从体内延伸到表面的晶格结构在表面中断，表面原子出现悬空键，排列到最边缘的硅原子的电子不能组成共价键，从而出现了表面能级，称为表面态，表面态中靠近禁带中心的能级是有效的表面复合中心[6]；(ii)硅片的切割过程会在表面留下切割损伤，造成很多缺陷和晶格畸变，这将增加更多的复合中心[6]；(iii)表面几乎总是吸附着一些带正、负电荷的外来杂质，也会成为复合中心[6]。 　　2.2少数载流子的有效寿命τeff 　　实际测得的少数载流子寿命应是体内寿命τv和表面寿命τs的综合结果，称为有效寿命τeff。它们之间的计算关系是。由上式可以看出，表面寿命τs越大，有效寿命τeff越大。硅片的少数载流子有效寿命τeff是衡量硅太阳电池表面钝化效果的一个数量指标。通过提高τeff可以提高电池的短路电流密度和开路电压，这样可以进一步提高电池转换效率。Ji Youn Lee和S.W. Glunz[1]在磷扩散和无磷扩散的p型硅片表面实验了8种不同的钝化方案[1]，以τeff作为衡量指标，实验结果如图1。 　　图1中的SiN1和SiN2表示在两种不同步骤下实现的PECVD SiNx。从图1中可以看出，在薄层电阻为100Ω/□的发射极上，使用CTO/SiN1进行钝化得到的τeff是最大的(414μs)，而且无论是使用RTO/SiNx，还是CTO/SiNx进行表面钝化，在100Ω/□的发射极上获得的τeff要比其它钝化技术下的τeff值高。需要注意的是，SiO2是通过CTO或者RTO制备的。CTO是一种传统的热氧化法，它主要是用来对高效率太阳电池前后表面的钝化[7-8]。它的处理温度比较高，并且过程时间比较长[1]。而RTO是一种快速热氧化法，它的处理时间短，处理温度低[9]，制造硅太阳电池消耗的能量小，是低成本的处理技术。所以，对于发射极薄层电阻为100Ω/□和40Ω/□的硅片来说，尽管CTO/SiN1和CTO/SiN2钝化下的τeff比RTO/SiN1和RTO/SiN2钝化下的τeff高，但是也要考虑到CTO/SiN x的处理成本要高于RTO/SiNx。 　　3反射损失 　　硅太阳电池表面淀积的钝化薄膜不仅可以减小表面复合损失，而且应该使太阳电池具有很小的反射系数。Ji Youn Lee和S.W. Glunz[1]在p型硅片上制造太阳电池，根据不同的钝化技术和是否应用绒面处理，把电池分为四组，见表1。 　　因为RTO/SiN2层的反射率最低，仅为13%。所以，把它作为电池的前表面钝化层。波长在390～1200nm时，上述四组电池的反射系数-波长关系曲线如图2[1]。 　　从图2中可以看到，反射系数最小的是编号为No8_2的电池，仅为5.4%。这个电池的前后表面分别使用RTO/SiN2和RTO/SiN1进行钝化，所以，把RTO/SiN2作为硅太阳电池的前表面钝化层是较好的。 　　4光谱响应 　　光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数[10]。太阳电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应[11]。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应[11]。如