【能源人都在看，點擊右上角加“關注”】
本文摘要
在晶體硅太陽能電池中，金屬-半導體接觸區域存在嚴重的複合，成爲制約晶體硅太陽能電池效率發展的重要因素。隧穿氧化層鈍化金屬接觸結構由一層超薄的隧穿氧化層和摻雜多晶硅層組成，可以顯著降低金屬接觸區域的複合，同時兼具良好的接觸性能，可以極大地提升太陽能電池的效率。爲了評估目前商業化高效電池的效率潛能，如PERC、HIT、鈍化接觸電池等，德國知名太陽能研究所（ISFH）在2019年Silicon PV的報告會上基于載流子選擇性的概念從理論上對不同結構太陽能電池的理論效率極限做了細致的分析，結論是鈍化接觸電池（例如TOPCon電池）具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池（24.5%），最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）。
隨著太陽能電池研究的不斷進步與深入，多種不同結構的高效太陽能電池被開發，如 PERC、IBC、HIT、TOPCon等，同時太陽能電池轉換效率越來越接近其理論極限。縱觀單晶硅太陽能電池世界效率紀錄的提升曆史，會發現效率提升有三個比較快速的時期。前兩個分別是1954-1960年晶硅太陽能電池剛研發出來的幾年內以及1985-2000年前後。前者發射極沒有鈍化(un-passivated emitter)，效率提升(從5%到15%)更多得益于光學方面的改善；後者則對發射極進行了鈍化(passivated emitter)，同時在背面引入金屬局域接觸對背面也進行了鈍化，該時期的效率提升(從20%到25%)更多來自于電學（複合）方面的增益。第三個時期就是在最近幾年，效率提升(>25%)得益于對金屬接觸進行了全區域的鈍化(passivating contacts)。
1.鈍化接觸電池
背景介紹
目前商業化的晶體硅太陽能電池中，前表面一般采用淺結高方阻設計，對于p型電池，前表面爲磷摻雜的n+發射極結構，經過絲網印刷、燒結之後金屬接觸區域的暗飽和電流密度（J0,metal）爲800~1000 fA/cm2；對于n型電池，前表面具有相同方阻的p+發射極經過絲網印刷、燒結之後，金屬接觸區域的暗飽和電流密度（J0,metal）爲1000~2000 fA/cm2。隨著市場對高效電池和高功率組件的需求急劇增加，降低金屬-半導體接觸區域的複合顯得尤爲重要。
1.1 何爲鈍化接觸太陽能電池
隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivating Contacts）電池的概念由德國夫琅禾費太陽能系統研究所(Fraunhofer-ISE)于2013年提出，下圖爲該N型鈍化接觸太陽能電池的結構示意圖。
圖1. 鈍化接觸太陽能電池結構示意圖[1]
前表面與常規N型太陽能電池或N-PERT太陽能電池沒有本質區別，主要區別在于背面。硅片背面采用硝酸濕法氧化出一層1.4 nm左右的極薄氧化硅層，並利用PECVD在氧化層表面沉積一層20 nm厚的磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜。鈍化性能需通過後續退火過程激活，Si薄膜在該退火過程中結晶性發生變化，由微晶非晶混合相轉變爲多晶。在850 °C的退火溫度下退火，iVoc > 710 mV, J0在9-13 fA/cm²，顯示了鈍化接觸結構優異的鈍化性能。所制備的電池效率超過23%，其余電性能參數如Voc, Jsc和FF在表1中列出。下圖2和圖3分別爲Fraunhofer-ISE 的單晶鈍化接觸太陽能電池的效率提升及鈍化性能改善曲線，從中可以看到鈍化接觸技術對于效率提升的潛力。目前N型前結鈍化接觸太陽能電池世界紀錄(25.8%)由該研究所保持（其余電性能參數見表1）。
圖2. Fraunhofer-ISE的N型單晶鈍化接觸太陽能電池效率進展
圖3. Fraunhofer-ISE的N型單晶鈍化接觸太陽能電池鈍化性能進展
1.2 鈍化接觸太陽能電池的優勢
爲什麽高效太陽能電池效率提升到25%之後的技術路線是鈍化接觸電池，而非其他結構的太陽能電池；爲什麽是N型鈍化接觸電池，而非P型鈍化接觸電池，這是個值得思考的問題。
常規Al-BSF太陽能電池由于背面金屬電極直接與Si接觸，載流子複合嚴重，導致J0偏高，Voc難以超過685 mV。PERC太陽能電池在背面金屬與Si之間沉積Al2O3/SiNx疊層鈍化膜，利用場鈍化和化學鈍化對背表面實現了優異的鈍化效果，提高了電池Voc。目前PERC太陽能電池的Voc可以接近690 mV，但仍難以超過700 mV。由于Al2O3/SiNx均爲介質絕緣膜，爲實現電學接觸，需對介質膜進行局域開孔，由此造成載流子需通過二維輸運才能被金屬電極收集，造成橫向電阻輸運損耗，FF隨著金屬接觸間距的增加而減少。同時金屬與Si局域接觸仍然在該區域存在較高的複合，即J0,metal比較高。
更高效的太陽能電池要求在具有良好的界面鈍化情況下，盡可能實現一維縱向輸運，使Voc和FF最大化。而鈍化接觸便是實現該功能的途徑之一。鈍化接觸電池的Poly-Si與Si基底界面間的氧化硅對鈍化起著非常關鍵的作用，氧化硅通過化學鈍化降低Si基底與Poly-Si之間的界面態密度。多數載流子通過隧穿原理實現輸運，少數載流子則由于勢壘以及Poly-Si場效應的存在難以隧穿通過該氧化層。在重摻Poly-Si中，多數載流子濃度遠高于少數載流子，降低電子空穴複合幾率的同時，也增加了電導率形成多數載流子的選擇性接觸。在選擇性接觸區域，多子傳輸導致電阻損失，同時少量少子向金屬接觸區域遷移導致複合損失。前者對應接觸電阻ρc，而後者則對應界面複合J0。目前國際報道了J0低至2 fA/cm2，ρc低至3 mΩ/cm2的n+ Poly鈍化接觸，iVoc高達733 mV [2]，而電池Voc也可輕松突破700 mV。
HIT也采用了類似接觸鈍化的技術。HIT采用非晶硅作爲鈍化材料，非晶硅存在較嚴重的寄生吸收，同時由于非晶硅的鈍化性能對溫度敏感，所以HIT電池要求制備溫度低于200 °C，配套地要求使用低溫銀漿、透明導電層（TCO），而TCO存在較強的自由載流子吸收。此外僅靠單層TCO作爲減反射層，減反效果較差。綜合這些因素可以認爲鈍化接觸電池是目前更具有量産前景的鈍化接觸技術。
圖4. n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的鈍化接觸性能[3]
圖4顯示了n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的鈍化接觸性能[3]。可以看出n+ Poly和a-Si:H的鈍化性能接近，均優于p+ Poly鈍化性能。但是，a-Si:H接觸電阻率（ρc）比n+ Poly大，p+ Poly無論鈍化性能還是接觸電阻率都不如n+ Poly。目前PERC太陽能電池背面采用Al2O3/SiNx疊層鈍化，J0低于10 fA/cm2，鈍化性能甚至優于p+ Poly，使p+ Poly在p型太陽能電池中喪失優勢；而n+ Poly用作P型太陽能電池前表面的發射極，則又會存在多晶硅寄生吸收的問題，導致短路電流低。因此P型鈍化接觸電池相對N型鈍化接觸電池更沒有優勢，這也是幾乎所有企業都將目光聚焦在N型鈍化接觸電池的原因。
1.3 鈍化接觸太陽能電池的潛力
從宏觀上講，SiOx/(n+或p+) Poly與a-Si:H(i)/a-Si:H(n+或p+)均屬于載流子選擇性接觸結構，即滿足以下兩方面的條件：1）抑制少數載流子的傳輸，避免其達到界面與多數載流子發生複合（低的J0）；2）促進多數載流子的有效傳輸，降低電阻損失（低的ρc）。德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）所長R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt爲了定量比較不同材料的電學性能，將鈍化性能參數（J0）和接觸性能參數（ρc）結合在一起，定義了材料載流子選擇性（Selectivity）的概念，用S10表示[4]。其中，S10=log[Vth/( J0•ρc)]，Vth爲25 °C時的熱電壓。不同的載流子選擇性材料與硅基底結合構成載流子選擇性電池，材料的載流子選擇性決定電池極限效率的上限。R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt在2019年Silicon PV的報告會上基于載流子選擇性S10的概念從理論上對不同結構太陽能電池的理論效率極限做了細致的分析[5]，如圖5所示。
圖5. 不同電子/空穴選擇性接觸材料組成電池的極限效率[5]
圖5爲不同電子/空穴選擇性材料結合組成的太陽能電池的極限效率計算，電子選擇性材料SiOx/n+ Poly-Si與空穴選擇性材料SiOx/p+ Poly-Si結合的電池的選擇性可以達到13.8~14.2，高于電子選擇性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)與空穴選擇性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)結合的電池，即HIT，因而具有更加高的效率極限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池（24.5%），最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）[6]。
2.鈍化接觸太陽能電池
研究進展
2.1 學術界
目前國內學術界研究鈍化接觸太陽能電池開展得不多。中國科學院甯波材料技術與工程研究所(NIM TE, CAS, China)制備的小面積(4 cm2)的鈍化接觸電池效率爲22.15%，156×156 mm2尺寸的電池效率爲21.37%。此外該研究所在理論模擬方面也做了相關工作，采用AFORS-HET軟件模擬了氧化硅厚度、界面態密度以及poly-Si性質對鈍化接觸電池性能的影響。上海交通大學沈文忠教授團隊制備的大面積(156.75×156.75 mm2)的鈍化接觸太陽能電池平均轉換效率在20.7%以上，最高效率接近22%。
國外研究鈍化接觸太陽能電池的研究所或高校主要有Fraunhofer-ISE（德國），ISFH（德國）, ANU（澳大利亞），SERIS（新加坡）和TU-Delft（荷蘭），ECN（荷蘭）。其中ISFH和TU-Delft主要研究POLO-IBC太陽能電池，即將鈍化接觸技術應用在IBC太陽能電池中。
Fraunhofer-ISE目前保持N型單晶和多晶鈍化接觸電池世界紀錄效率，命名爲TOPCon電池，Feldmann等在2013年首次報道的電池就是雙面TOPCon結構，電池具有703 mV的Voc和23.7%的效率；2014年，Feldmann等通過改善金屬接觸面積和降低接觸損失，將電池的Voc提升至715.1 mV，取得24.4%的轉換效率；2015年，Fraunhofer-ISE將電池背面TOPCon結構的J0降到7 fA/cm2，同時將電池效率提升至25.1%；2017年，Richter和Feldmann等探究不同硅片厚度及電阻率對TOPCon電池效率的影響，在4cm2大小，電阻率爲1 Ω•cm，厚度爲200 μm的FZ硅片上取得了25.8%的前結世界效率記錄，具體電性能參數見表1。
Fraunhofer-ISE也進行P型鈍化接觸電池的研究， P型鈍化接觸電池有前表面場 (FSF) 和沒有FSF的效率分別爲24.3%與23.9%。雙面采用鈍化接觸結構的P型Si太陽能電池效率爲19.2%。Fraunhofer-ISE的研究表明，鈍化接觸太陽能電池對硅片的電阻率和厚度相比其他技術的太陽能電池有更寬的容忍率[1]。該研究所制備的大面積（100 cm2）的鈍化接觸太陽能電池效率高達24.5%，Voc爲713 mV。
ISFH研究的鈍化接觸太陽能電池命名爲POLO (Poly Si on Oxide)太陽能電池。該研究所對POLO太陽能電池的鈍化機理，載流子輸運機理以及表征做了非常深入的研究。該研究所的研究表明采用氧化硅作爲鈍化層+多晶硅作爲載流子選擇性接觸材料，是能取得潛在最高效率的組合。2016年，ISFH制備的N型POLO-IBC太陽能電池效率達到24.25%，Voc爲727.1 mV；2018年其制備的P型POLO IBC太陽能電池效率則高達26.1%，是目前P型太陽能電池的世界紀錄效率[2]。但該電池不僅需采用光刻技術掩膜來分別實現硼原子和磷原子的注入，也需要精確控制激光開膜的能量來減少對poly鈍化性能的損傷，制備流程複雜，不適合産業化。
ANU也有研究n-Si基底和p-Si基底的鈍化接觸太陽能電池。該研究所目前N型鈍化接觸太陽能電池效率爲24.7%，其余性能參數見表1。ANU首次采用磁控濺射制備p+ Poly，其p型鈍化接觸太陽能電池效率爲23%，Voc超過700mV，表明磁控濺射也可以制備出性能優異的Poly-Si[7]。
SERIS制備的大面積(244.3 cm2)雙面N型鈍化接觸太陽能電池，稱之爲MonoPolyTM。2018年報道的電池效率爲22.8%，J0, Poly 85%；2019年Silicon PV上，SERIS報道了將大面積電池的效率提升至23.2%[8]。TU-Delft制備POLO-IBC電池效率超過22%，J0, p+ Poly=4.5 fA/cm2, J0,n+ Poly=11.5 fA/cm2。該電池基區與發射區之間的gap采用a-Si:H進行鈍化，金屬電極與BSF，Emitter之間也有一層a-Si:H[[9]。ECN稱其N型鈍化接觸太陽能電池爲PERPoly (Passivated Emitter and Rear Polysilicon)，面積達239 cm2， 2016年對外公布的效率爲21.5%。
表1. 不同研究所的鈍化接觸太陽能電池性能參數
下表2歸納整理了這些研究所目前最佳性能的鈍化接觸太陽能電池的相關性能參數以及制備工藝。與大多數研究所不同，ISFH所制備的氧化硅層厚度超過2 nm，並且在後續工藝中采用1050℃的退火使氧化硅層破裂，形成孔洞(pinhole),從而實現界面鈍化和載流子的輸運。
表2. 不同研究所的鈍化接觸太陽能電池鈍化接觸性能
2.2 産業界
鑒于N型鈍化接觸電池高效率、高可靠性等優勢，國內大型光伏企業如中來、天合、晶科和晶澳等也對鈍化接觸電池技術進行了大量的研發投入。中來股份自主研發的全尺寸N型單晶雙面鈍化接觸電池的轉換效率可達23.3%，開路電壓達到705 mV [10]；天合研發的鈍化接觸電池經過ISFH第三方認證，效率達到24.58%；在産業化的道路上，中來股份一直走在行業前列，是國內第一家將N型鈍化接觸電池量産，目前擁有2.4GW 該電池産能，爲全球最大的N型鈍化接觸電池的研發和生産廠家。
3.中來N型單晶雙面
鈍化金屬接觸技術
圖6 中來n型單晶雙面鈍化接觸電池結構示意圖
中來股份旗下的泰州中來光電科技有限公司于2017年7月開始N型雙面鈍化接觸電池的研發，電池的前表面采用Al2O3/SiNx疊層膜鈍化，背表面爲SiOx/n+ Poly隧道結結構，其前表面和背表面均爲H型柵線電極，可雙面發電，結構示意圖如圖6所示。2018年9月，N型雙面鈍化接觸電池的研發平均轉換效率達到22.5%，次月通過對現有的N型雙面PERT産線的改造，建成産能爲150 MW的雙面N型雙面鈍化接觸電池試驗線。2018年年底開始對現有的雙面PERT産線進行全面的改造，截止2019年初全部改造完成，鈍化接觸電池量産的平均轉換效率達到22.5%，經過進一步的工藝優化，産線的平均量産效率可達22.66%，各項電性能參數彙總于表3
表3. 中來n型雙面鈍化接觸電池效率彙總
* Independently confirmed by ISFH calibration
圖7 STC條件下中來N型單晶雙面鈍化接觸電池的I-V曲線圖（第三方獨立認證）
泰州中來光電技術研發部致力于可量産化的雙面鈍化接觸電池的開發，在現有生産工藝流程的基礎上，通過工藝優化取得了>23%的電池平均轉換效率，經過德國ISFH獨立認證，轉換效率達到23.04%，Voc超過700 mV，如圖7所示。近期批次最高效率達到23.3%，具體的電性能參數整理于表3，並計劃在今年第三季度把相關工藝導入量産。
4.雙面N型單晶鈍化接觸電池的
産業前景
目前，國際上量産N型單晶鈍化接觸電池最大規模的企業爲韓國LG，量産的正面平均效率可達23%，背面效率約爲20%；國內量産N型單晶雙面鈍化接觸電池最大規模的企業爲中來股份，擁有超過2GW的該電池産能，量産平均效率達到22.66%。從産業化而言，N型PERT單晶電池與N型單晶鈍化接觸電池大部分工藝相兼容，將N型PERT電池升級爲N型鈍化接觸電池效率增幅大且成本增加少，效率會有0.8%~1%的增益， 成本每片電池僅增加2~3毛，具有經濟合理性。
圖8. ITRPV 2019預測雙面電池市場份額發展趨勢[12]
相對于單面電池，雙面電池背面可以充分利用大氣散射及地面反射的太陽光，若對地面進行反射處理，如白漆、白膜等，增加組件背面的反射，可以顯著提升組件的發電效果。依靠雙面發電特性，雙面組件在土地、沙地和草地上增益發電21%-23%，在水泥地面上增益發電28%，在白漆地面上增益發電36%。2019年ITRPV預測雙面電池市場份額發展趨勢如圖8所示，雙面電池的市場份額將逐漸增加，2019年的占比達到~15%，將在2029年有望達到60%[11]，表明雙面電池是未來電池技術發展的趨勢。根據國家能源局公布的數據，2018年10個運用領跑基地（5 GW）項目中，雙面技術占比爲53%，3個技術領跑基地（1.5 GW）項目中，雙面技術占比高達66%，可以預見雙面電池技術是未來領跑基地項目的必然選擇。
圖9 ITRPV 2019預測不同類型太陽能電池的市場份額發展趨勢[12]
ITRPV 2019預測不同高效太陽能電池的市場份額發展趨勢如圖9所示，圖中可以看出，無論對于P型單晶PERC還是多晶PERC電池，市場份額的占比會呈現出逐年下降的趨勢，N型單晶PERC電池的市場份額在2023年之前將維持穩定，2023年之後會緩慢增長；而采用鈍化接觸技術的電池將呈現逐年迅速增長的態勢，尤其是采用鈍化接觸技術的N型電池，將在2029年有望達到20%的市場份額，是P型鈍化接觸電池的2倍。
綜上所述：
1.鈍化接觸電池結構具有優異的鈍化性能和接觸性能，在實現載流子一維縱向輸運的同時能降低金屬與硅基底的複合，兼顧開路電壓與填充因子，能有效提高太陽能電池的轉換效率；根據理論計算，鈍化接觸太陽能電池的潛在效率（28.7%）最接近晶體硅太陽能電池理論極限效率（29.43%）。
2.Fraunhofer-ISE 目前保持n型單晶鈍化接觸電池（前結）的世界紀錄效率，在4 cm2 面積的電池上實現了25.8%的轉換效率；國內大型光伏企業，如中來、天合、晶科和晶澳等，對鈍化接觸電池的研發可實現大于23%的轉換效率。其中，中來已實現N型單晶雙面鈍化接觸電池的大規模量産，生産線的平均量産效率可達22.66%，在小批量電池研發平均效率>23%，經過德國ISFH獨立認證， Voc超過700 mV，最近批次最高效率達到23.3%。
3.相比于P型PERC電池，N型單晶鈍化接觸電池具有高效率、長壽命、無LID和弱光響應好等優點，N型單晶鈍化接觸電池與常規N-PERT電池工藝相兼容，升級鈍化接觸電池，效率增幅大，成本增加少。
4.根據ITRPV 2019預測，雙面電池技術是符合市場發展的趨勢，市場份額將逐漸增加；同時，雙面電池技術也是未來領跑基地項目的必然選擇。鈍化接觸技術與雙面電池技術的結合，是未來單晶太陽能電池技術發展的主流趨勢。
參考文獻
[1] Richter A, Benick J, Feldmann F, et al. n-Type Si solar cells with passivating electron contact: Identifying sources for efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2017, 173: 96-105.
[2] Haase F, Hollemann C, Schäfer S, et al. Laser contact openings for local poly-Si-metal contacts enabling 26.1%-efficient POLO-IBC solar cells [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2018, 186: 184-193.
[3] Cuevas A, Allen T, Bullock J, et al. Skin care for healthy silicon solar cells[C]//Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2015 IEEE 42nd. IEEE, 2015: 1-6.
[4] Rienäcker M, Bossmeyer M, Merkle A, et al. Junction resistivity of carrier-selective polysilicon on oxide junctions and its impact on solar cell performance [J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2016, 7(1): 11-18.
[5] Schmidt J, Peibst R, Brendel R. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: Past, present and future, Silicon PV 2019, Leuven, Belgium, 10th April 2019.
[6] Richter A, Hermle M, Glunz S W. Reassessment of the limiting efficiency for crystalline silicon solar cells [J]. IEEE journal of photovoltaics, 2013, 3(4): 1184-1191.
[7] Yan D, Cuevas A, Phang S P, et al. 23% efficient p-type crystalline silicon solar cells with hole-selective passivating contacts based on physical vapor deposition of doped silicon films [J]. Applied Physics Letters, 2018, 113(6): 061603.
[8] Naomi N, John R, Thomas K, et al. monoPoly TM : Industrial screen-printed & fired n-type cells with thin n+:poly-Si rear contacts [C], Silicon PV 2019, Leuven, Belgium, 10th April 2019.
[9] Yang G, Zhang Y, Procel P, et al. Poly-Si(O)x passivating contacts for high-efficiency c-Si IBC solar cells[J]. Energy Procedia, 2017, 124: 392-399.
[10] Chen J. The Industrial Application of n-type Bifacial Passivating-contact Technology [C], Silicon PV 2019, Leuven, Belgium, 10th April 2019.
[11] Fischer M. ITRPV 10th edition 2019 report release and key findings [C] PV CellTech conference. 2019 March 13, Penang, Malaysia.
本文來源：中來光電
免責聲明：以上內容轉載自OFweek太陽能光伏，所發內容不代表本平台立場。全國能源信息平台聯系電話 010-56002763，郵箱 [email protected]