光伏技術 | TOPCon 電池技術深度解析
來源:https://mp.weixin.qq.com/s/uV3R16Rnu0RQJ1Y5gQnmjw | 作者:PV-TECH | 發布時間: 2021-11-12 | 253 次瀏覽 | 分享到:

1. TOPCon技術介紹

隧穿氧化層鈍化接觸太陽能電池(Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell,TOPcon)是2013年在第28屆歐洲 PVSEC 光伏大會上德國 Fraunhofer太陽能研究所首次提出的一種新型鈍化接觸太陽能電池,首先在電池背面制備一層 1~2nm 的隧穿氧化層,然后再沉積一層摻雜多晶硅,二者共同形成了鈍化接觸結構,為硅片的背面提供了良好的界面鈍化。

 

 

2. TOPCon 理論極限效率

不同電子/空穴選擇性接觸材料結合組成電池的極限效率28.7%,目前全面積電池最高轉化效率達到25.4%;

 

 

3. 電池效率損失分析

3.1 光損失(疊層電池)

 

長波長的入射光子能量小于材料的禁帶寬度,導致入射光直接穿過電池—低能量光子損失;

入射光能量遠高于材料的禁帶寬度,產生的高能電子-空穴對與晶格碰撞熱弛豫損失掉—高能量光子損失;

 

3.2 復合損失(PERC/HJT/TOPCon)

 

電子和空穴穿越P-N結的復合損失;

電子和空穴在電極接觸區的復合損失;

電子和空穴在襯底內/界面處復合損失;

 

 

4. 界面鈍化目的
4.1 制約傳統晶體硅(c-Si)太陽能電池效率進一步提高的關鍵因素是在金屬電極和硅之間的界面處載流子復合造成的損失,造成Jo負荷電流偏高。
4.2 常規AL-BSF背電場全鋁接觸

 

常規AL-BSF(Aluminium Back SurfaceField)鋁背場太陽能電池由于背面金屬電極直接與Si接觸,背面全金屬復合,載流子復合嚴重,導致J0偏高,Voc難以超過685mv,目前最高效率20.3%,基本已被市場淘汰;

 

4.3 PERC背鈍化局部接觸

 

采用PERC背鈍化接觸技術后,由于AL2O3/SiNx均為介質絕緣膜,為實現電學接觸,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復合,即Jo,metal比較高,且Voc無法超過700mv。目前最高效率24.06%,根據ISFH測算,PERC電池的理論極限效率為24.5%;

 

4.4 TOPCon 隧穿鈍化接觸

 

TOPCon 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,多數載流子濃度遠高于少數載流子,降低電子空穴復合幾率的同時,也增加了電阻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遷移導致復合損失,前者對應接觸電阻pc,后者對應界面復合J0,目前J0低至2fA/cm2,pc低至3mΩ/cm2的n+Poly鈍化接觸,Voc高達733mv,電池Voc突破700mv,目前最高效率為25.4%,根據ISFH測算,TOPCon電池的理論極限效率為28.7%;

 

5. TOPCon電池結構

5.1 因其特殊的能帶結構,超薄氧化層可允許多子隧穿而阻擋少子透過,在其上沉積一層金屬作為電極就實現了無需開孔的鈍化接觸結構;

5.2 無需激光開孔,采用N型硅片無光致衰減,兼容中高溫燒結;

5.3 主要提升的鈍化是背面鈍化,背面采用1-2nm的高質量SiOx層結合摻雜非晶硅進行高溫晶化退火從而實現全區域的鈍化接觸,采用高質量的超薄氧化硅和摻雜多晶硅層,實現全背面的高效鈍化和載流子選擇性收集;

 

6. TOPCon隧穿鈍化原理

 

 

跟現有PERC相比,TOPCon的核心結構是超薄的二氧化硅層,利用量子隧穿效應,既能讓電子順利通過,又可以阻止空穴的復合。

 

7. TOPCon隧穿鈍化效果

7.1 全面積鈍化表面使得無硅/金屬接觸界面,有利于提升開路電壓Voc,而全面積地收集載流子,降低壽命敏感度,有利于提升填充因子FF;
7.2 阻擋少子通過同時使多子無障礙的輕松通過,因此可以減少復合;
7.3 結構中的鈍化層可以抑制硅片表面的載流子復合,提高硅片的少子壽命和電池的開路電壓,載流子選擇收集鈍化接觸結構可以被應用到電池的全表面,而無需開孔形成局部鈍化接觸,這不僅簡化了制造工藝同時載流子只需進行一維方向的輸運而無需另外的橫向傳輸,因而可以獲得更高的填充因子;

 

8. TOPCon 電池與無氧化硅鈍化電池 I-V 對比

 

上圖電池Ref(a)( b)是無氧化硅鈍化的電池,其中電池b比電池a增加了背表面重摻雜的n + -poly-Si層,而TOPCon具有氧化硅雙面鈍化功能,使得Voc,Jsc,FF和Eff均為最高,分別達到729.8mV,39.98mA/cm2、0.86和24.98%。
TOPCon電池與具有背場功能的Ref( b)電池相比,Jsc只增加了0.89mA/cm2 ,增幅為2.3%,而Voc增加了73.4mV,增幅達到了 11.2%,這說明氧化硅對晶體硅前后表面的鈍化可以大幅減少載流子在電池前后表面的復合,增加電池的開路電壓,從而提升電池的效率。

 

9. 不同SiOx厚度對 TOPCon 電池 Voc、Jsc、FF、Eff 的影響

 

氧化硅厚度對TOPCon電池性能的影響,隨著厚度的增加,Voc快速增加,然后基本保持不變,當氧化硅厚度為1.2nm時,Voc達到最大值738.1mV,另外3個電池參數Jsc,FF和Eff 隨氧化硅厚度的變化趨勢基本一致,隨厚度遞增先緩慢增大然后迅速減小,當氧化硅厚度為1.2nm時,Jsc和Eff分別達到最大值42.02mA/cm2和26.8%,說明TOPCon電池中,氧化硅的厚度存在一個最佳值(1.2nm).當氧化硅厚度大于1.2nm時,電池的效率開始急劇下降。

 

10. 不同 SiO x 厚度下 TOPCon 電池的能帶及電子和空穴濃度

 

當不存在SiOx時,其電子準費米能級(EnF)在SiOx與n-c-Si界面之間出現了輕微的不連續,這種不連續幾乎很難對多數載流子(電子)造成影響。但是當插入SiOx薄層時,p + -poly-Si/n-c-Si 界面出現了很明顯的電子準費米能級的不連續性。在開路的條件下,載流子的凈復合率等于凈產生率.氧化物的插入會阻止 n-c-Si 中的多子流向前表面與空穴復合,這在一定程度上降低了 n-c-Si 與 p + -poly-Si 和前電極的復合.另外,n-c-Si 中的電子濃度大于空穴,在高復合區域存在較少的電子濃度.正是因為存在電子準費米能級的不連續性才導致了在SiO x 與n-c-Si 之間復合速率的降低。
n-c-Si 中的電子和空穴濃度基本是接近的,但還是電子濃度大于空穴濃度,表明電子盡管在前界面處不易隧穿 SiO x ,但是后界面處容易隧穿.同時,空穴沒有形成準費米能級的不連續性,前表面的空穴容易隧穿,而后表面對空穴則形成一定的阻礙,這都表明鈍化效果體現在載流子的輸運上,也就是鈍化界面態作用。

 

11. 氧化硅介孔密度(Dph)對 TOPCon電池 Voc、Jsc和Eff的影響

 

氧化硅的介孔密度(Dph)表征氧化硅中的缺陷密度,載流子在分布有介孔密度的氧化硅體內的隧穿,本質上是載流子在二維空間上的輸運,但是在氧化硅為幾個nm 的厚度情況下,可以把這種載流子二維輸運近似為一維輸運來處理,當 Dph低于 10-6時,最高的Voc可達到約740mV,如圖 5 所示,這表明低的介孔密度對 Voc幾乎沒有影響,當Dph介于10-6~10-4時,對Voc影響也可以忽略不計的。
Dph對TOPCon電池Jsc的影響,Dph從10-12增大到10-6的過程中,當氧化硅厚度為0.6nm時,Jsc保持為40.0mA/cm2幾乎沒有變化,然而,當氧化硅厚度為1.2nm時,Jsc從46.2mA/cm2 顯著降低到38.8mA/cm2,這已經低于沒有氧化硅鈍化時器件的 Jsc。
這表明氧化硅的厚度越大,介孔密度對短路電流的影響越大,氧化硅的介孔密度越大,器件的鈍化效果越差,器件的漏電流增大,當介孔密度大于10-2時,介孔密度對短路電流的影響已經與氧化硅厚度無關。

 

12. 氧化硅中的隧穿電流和針孔導致的局部復合電流的模型

針孔導致多晶硅與晶體硅直接接觸形成高復合電流(Jrec),另外電子從多晶硅直接隧穿通過氧化硅形成隧穿電流(Jtun).

 

 

13. 多晶硅摻雜濃度對TOPCon電池的 Voc和 Eff的影響

 

對于傳統的 p-n 結 c-Si 太陽能電池,發射層的摻雜濃度越高,耗盡區的內建電場越大,減少了光生載流子在 c-Si 界面的積累,從p-n結的另一側注入的少數載流子的數目僅僅是處于熱平衡的少數載流子的數目.降低少數載流子濃度可以減少復合,而提高摻雜濃度可以使少數載流子濃度最小化.然而,高摻雜會導致載流子擴散長度的減少,從而增加載流子復合。
因此,在傳統的p-n結c-Si太陽電池中,存在一個最佳的發射層摻雜濃度.由于TOPCon太陽電池中p+或n+多晶硅層的厚度只有30nm,因此不會出現沒有高摻雜濃度導致擴散長度減小的現象.此外,p+或n+多晶硅層中的高摻雜會增加電子或空穴在氧化硅中的隧穿概率.因此,多晶硅層的摻雜濃度越高,TOPCon 太陽能電池的開路電壓和效率就越高.

 

14. 具有局部針孔的n+型多硅/硅結的簡圖

 

當氧化硅厚度<2nm時,主要以載流子隧穿進行傳輸;
當氧化硅厚度>2nm時,載流子主要通過氧化硅層中的針孔(pinhole)進行傳輸,pinhole密度高雖然對傳輸有利,但對鈍化不利,載流子傳輸會受限;

 

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