N型高效太阳电池技术发展现况.PDF

N型高效太陽電池技術發展現況 工研院綠能所/ 葉峻銘博士 隨著全球市場對太陽電池效率的要求越來越高，使得P型太陽電池的效率瓶頸已 越發明顯。N型矽晶太陽電池由於其高載子壽命和無光致衰減等天然優勢，具有更大 的效率提升空間和穩定性，成為產業關注和研究的重點。根據ITRPV 2016預測國際太 陽光電技術路線發展 ，如：圖1 、圖2所示，隨著背接觸(IBC) 、異質接面(HIT)等電池新 結構，離子佈值等新技術的引入，N型單晶電池的效率優勢會越來越明顯，且單晶矽 在今後幾年的市場佔有率將逐步增加，預估到2026年時將超過多晶矽，成為太陽光電 市場基材首位，其中約60 ％以上為N型單晶。表1列舉日本Panasonic 、美國SunPower 、 日本Sharp 的不同電池結構實驗室的電池轉換效率記錄，其中背接式異質接面(HBC)電 池最高效率可達到25.6％，展現了強大的發展潛力 。 圖1 、全球各種電池技術的佔比(資料來源 : ITRPV 2016) 圖2 、全球各種基材的佔比(資料來源: ITRPV 2016) - 1 - 表1 、部分機構N型單晶太陽電池的最高轉換效率 與P型單晶矽相比，N單晶矽的生產製備沒有本質的區別，隨著N型單晶矽生產規 模的擴大和技術的進步，兩者之間的生產成本將會越來越接近。磷摻雜的N型單晶矽 電池較硼摻雜的P型單晶矽電池有許多明顯的優勢。首先，N型材料中的雜質對載子 電洞的捕獲能力低於P型材料中的雜質對載子電子的捕獲能力，相同電阻率的N型矽 晶片的少數載子壽命比P型矽晶片的高出1~2個數量級。因此 ，N型矽晶材料的少數載 子複合將遠低於P型的少數載子的複合。依據1973年H.Fischer等人研究發現P型晶矽電 池在光照下會發生明顯的電性能衰減。後來證實電池出現光致衰減 ，是由於光照或電 流注入導致矽片中的硼和氧形成硼氧複合中心，從而使少數載子壽命降低，引起電池 轉換效率下降。而摻磷的N型晶體矽中硼含量極低，本質上消除了硼氧對的影響，所 以幾乎沒有光致衰減效應的存在。 目前研究的N型單晶高效電池主要包括有 ：PERT電池 、PERL電池 、TopCon 電池 、 HIT電池 、IBC電池 、HBC電池等。以下分別針對其太陽電池結構和製作特點進行重點 介紹。 一、鈍化射極背面局部擴散電池 （Passivated Emitter Rear Locally-diffused, PERL電池 ） PERL電池的結構特點是背面局部接觸處以重摻雜，可降低電池背面局部接觸區域 的接觸電阻和復合速率。背面局部重摻可以通過不同的製作方式實現，比較常用的是 雷射摻雜和離子注入。德國Fraunhofer實驗室製備的n-PERL小面積電池（4cm2 ），其 轉化效率達23.2% ，電池結構如圖3所示。基料為N型CZ單晶矽，正面通過離子注入形 成硼摻雜p+射極，正面採用ALD製程沉積Al O 鈍化層鈍化射極 ，降低表面複合速率， 2 3 再用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)設備沉積SiNx ，形成抗反射膜。正面黃光微影技 術開口後 ，用蒸鍍方法形成Ti/Pb/Ag 金屬電極，背面利用雷射摻雜技術 ，形成局部背 場。其特點是先在背面PECVD法生長一層磷摻雜的a-SiCx鈍化層，再利用雷射在熔融 鈍化層的同時將其中的磷元素摻雜進晶體矽 ，形成局部重摻，最後通過物理氣相沉積 (PVD)設備方法 ，形成Al背面電極。背面磷摻雜的a-SiCx鈍化層具有很好的鈍化效果， 金屬接觸區域n++局部重摻在降低接觸電阻的同時，減少了金屬接觸區域的複合，提 升了電池的開路電壓和填充因子。電池Voc達699mV ，FF達80.5% ，顯示了良好的表面 - 2 - 鈍化效果和接觸特性。在形成背面局部接觸窗口的同時形成局部重摻，在不額外增加 製程步驟的情況下實現了PERL電池結構。 圖3 、德國Fraunhofer技術PERL電池結構示意圖