Detaljert forklaring av passivasjon, kontakt solcellefotovoltaiske celler

- Apr 17, 2018-

Overflate passivering av krystallinske silisium solceller har alltid vært en topp prioritet i design og optimalisering. PERC / PERL-konstruksjonen for passivert, lokal, åpenporert kontakt med dielektriske lag som silisiumoksyd, aluminiumoksyd og silisiumnitrid ble introdusert fra den tidlige bakfeltpassivasjonen bare til passasjen på forsiden av silisiumnitrid til baksiden . Selv om denne strukturen midlertidig lindret problemet med baksidepassivasjon, ble den ikke utryddet og den høye rekombinasjonshastigheten ved åpningen forble, og prosessen ble ytterligere komplisert. I de siste årene har en teknologi som kan oppnå fullstendig overflatepassivering på baksiden og ikke krever åpen kontakt, blitt et hotspot for institusjonell forskning. Dette er Passivated Contact teknologi. Det er også mulig å implementere en Selective Contact-batteristruktur som ikke krever diffus PN-kryss når begge sider av batteriet er passivert. Denne artikkelen vil presentere detaljert bakgrunn, karakteristikk og forskningsstatus for passivasjonskontaktteknologien, og diskutere hvordan du bruker denne teknologien for å oppnå selektiv kontakt med batteriet.

 

Evolusjon av overflatepassivering Passivated "Prehistoric Age"

 

I de tidlige dagene av den kommersielle produksjonen av krystallinske silisiumceller før 1990-tallet, har solcelleprodusenter begynt å vedta skjermtrykksteknologi, men det er forskjellig fra det vi bruker i dag. Hovedforskjellen ligger i to punkter: For det første hadde frontskjerm utskrift sølvpasta ikke en brannfunksjon. På tidspunktet for produksjonslinjen ble derfor skjermutskrift påkrevet, og deretter ble TiO2-antirefleksjonslaget avsatt. En annen forskjell er at sølvpastaen på den tiden har dårlig evne til å danne effektiv ohmisk kontakt med silisium, og bare god kontakt med høyt dopet silisium er mulig. Siden TiO2 ikke har en god passivasjonsfunksjon, betraktet folk ikke overdreven passivasjon på den tiden. Dessuten, siden antirefleksjonslaget er på metallelektroden, må hovedgitteret dekkes med en stencil under avsetning slik at den etterfølgende seriensveising kan utføres.

 

Selv om denne perioden, i laboratoriet, har forskere brukt SiO2 til å passivere overflaten av batteriet og oppnådde bemerkelsesverdig åpen spenningsspenning og effektivitet.

 

SiNx: H første evolusjon

 

På 1990-tallet begynte forskningsinstitutter og produsenter å undersøke bruken av plasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD) -teknologi for å fremstille hydrogenholdige silisiumnitridfilmer (SiNx: H) som antirefleksfilmer på forsiden av batterier. En av årsakene er den relativt passende brytningsindeksen, men den mer viktige grunnen ligger i den fremragende passiveringseffekten av silisiumnitrid. I tillegg til metning av overflaten dangling-bindinger, reduserer silisiumnitrid også grensesnitttilstanden gjennom sin egen positive ladning, noe som reduserer minoritetskonsentrasjonen i det positive n-type silisium, og derved reduserer overflaterekombinasjonshastigheten. Vannet som bæres i SiNx kan diffundere inn i silisiumet under sintringsprosessen for å passivere de indre krystallfeilene til emitteren og silisiumskiven. Dette er spesielt effektivt for polysilikonplater av lavere kvalitet, noe som øker solcelleffektiviteten betydelig. .

 

Ledsaget av innovasjoner i passivmaterialer, endringer i sølvpasta og sintringsprosesser har også kommet på samme tid. De er brennbare pastaer og co-firing sintringsprosesser. Med brennningsegenskapen kan antirefleksfilmen deponeres først, skjermen blir trykt på skjermen og deretter sintret. På grunn av reverseringen av sekvensen er det ikke nødvendig å bekymre seg for påvirkning av antirefleksjonslaget som dekker metallgitterlinjene på sveisingen, og den delvise skjerming som kreves for avsetning av Ti02, utelates også. Samtidig fant folk en co-firing prosess der primære og sekundære pastaer sintres på en gang. I en sintring bringes den fremre sølvpastaen i kontakt med silisium gjennom SiNx, og den bakre aluminiumpasta danner også bakelektroden og bakoverflaten samtidig. ). Denne rekke forbedringer forenkler forenklet prosessen med silketrykkbatterier, og har etter hvert blitt den vanlige produksjonen av krystall silikonbatteri.

 

Andre utviklingen av AlOx

 

Siden passiveringseffekten og kontaktytelsen på forsiden av batteriet forbedres kontinuerlig på grunn av bruk av SiNx og sølvpasta forbedring, har ytterligere optimalisering av fronten gått inn i en flaskehalsstadie, og folk har vendt sine severdigheter til et annet sammensatt område, det vil si baksiden av batteriet. Selv om det i konvensjonelle skjerm-trykte krystallinske silisiumceller, aluminiumsbackfeltet kan redusere minoritetskonsentrasjonen og redusere rekombinasjonen, kan den fortsatt ikke sammenlignes med passiviseringseffekten bragt ved bruk av det dielektriske laget. Faktisk er passiviseringen av dielektrisk lag på baksiden ikke et nytt emne. UNSW foreslo emitter og tilbake passivering (PERC) struktur og emitter og tilbake passivering lokal diffusjon (PERL) struktur allerede i 1990-tallet. I de tidlige designene blir disse begge strukturene passivert med et silisiumoksidlag på baksiden, med lokale åpninger for å oppnå punktkontakt for å redusere området i det ikke-passiverte området. Forskjellen mellom de to ligger i hvorvidt lokal doping og diffusjon utføres i det åpne området. Lokal diffusjon øker vanskeligheten av prosessen, men et lokalt bakelektrisk felt dannes, og rekombinasjonshastigheten av kontaktpartiet reduseres. Men veksten av høy kvalitet silisiumoksid krever høyere temperaturer. For silisiumskiver som har gjennomgått høy temperatur diffusjon, for å redusere virkningen på levetiden til kropp og minoritet, bør langtidshøyttemperaturprosessen minimeres. Derfor er søket etter annet materiale i 2000. År eller så på dagsordenen.

 

Siden SiNx har vist mange fordeler på forsiden av batteriet, kan det fortsette å bruke dette materialet på baksiden? Svaret er nei, som nevnt ovenfor, er en av mekanismene for SiNx passivasjon å bruke sin positive ladning for å redusere minoritetskonsentrasjonen i den positive n-typen regionen, men på baksiden av p-typen vil den positive ladningen sannsynligvis indusere et lag på baksiden Et inversjonslag, som forårsaker bypass-tap på baksiden, påvirker strømmen, reduserer spenning og fyllfaktor.

 

Så kom spørsmålet, og hvilken var passivasjonen? Takket være innsatsen fra flere europeiske forskningsinstitutter er et annet materiale som ikke er nytt for fotovoltaiske forskere igjen på scenen. Det er alumina (AlOx). Det kan ikke bare passivere overflatefeil som SiNx, men har også en negativ ladning som er motsatt SiNx. På grunn av dette danner bruken av et AlOx passivasjonslag på baksiden av p-type silisium ikke bare et inversjonslag og forårsaker lekkasje, men øker. Fler-stoffkonsentrasjonen i p-type silisium reduserer minoritetskonsentrasjonen og reduserer dermed rekombinationshastigheten for overflaten. Bruk av AlOx må imidlertid ledsages av forbedringer i denne prosessen og fremskritt i utstyr, for eksempel å løse problemene med høyhastighetsavsetning av AlOx, den iboende ustabiliteten av alumina og lavt utbytte.

 

Passivasjonskontakt, den tredje utviklingen?

 

PERC- og PERL-strukturbatterier har allerede en relativt perfekt overflatepassivasjonsstruktur, men tilbakekontaktområdet er begrenset til det åpne området, i tillegg til å øke kompleksiteten i prosessen, vil prosessen med å åpne hullet ved hjelp av en annen prosess også være på de omkringliggende Silicon-materialene forårsaker varierende grader av skade, noe som i tillegg øker rekombinasjonen av metallkontaktområdene. Siden åpningen begrenser transportørens overføringsbane, avviker den fra den korteste banen vinkelrett på kontaktflaten og er overbelastet ved åpningen, noe som øker tapet på fyllfaktoren. Er det en måte å redusere overflatekombinasjon uten å åpne hull? Dette krever omtale av Passivated Contact-teknologi, som har steget i popularitet de siste årene.

 

Anta at vi kan finne et materiale eller en struktur som tilfredsstiller (1) å ha en god overflatepasiveringseffekt; (2) separere kvasi-Fermi energinivåer; og (3) effektivt transporterer en transportør. Deretter kan denne strukturen påføres overflaten av batteriet for å danne en passivasjonskontakt som tilfredsstiller passiveringskrav og kan overføre strøm uten åpning.

 

Fraunhofer Institute for Solar Energy har utviklet en teknologi som heter TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact). Forskerne preparerte først kjemisk et tynt lag silisiumoksid på baksiden av cellen, og deponerte deretter et tynt lag med dopet silisium som sammen dannet en passivert kontaktstruktur. Disse to lagene av materiale ga en god bakside for silisiumplaten. Overflatepassivasjonen, og fordi oksydlaget er veldig tynt, er silisiumlaget dopet, mange barn kan trenge inn i de to passiveringslaget, og minoriteten er blokkert. Hvis du legger metall på det, kan du komme uten å åpne Passivasjonskontakten av hullet. Detaljer om denne teknikken vil bli diskutert nedenfor.

 

Men kan en slik passiveringskontakt bare brukes på baksiden av batteriet, hva om den brukes på forsiden?

 

Solcelle uten diffusjon PN-kryss

 

Faktisk er dette ikke et nytt problem. Selv om passivisering av kontaktbatterier bare har oppstått i de siste to årene, har strukturen den beskriver, faktisk blitt fullt ut studert av forskere. Denne typen overflatekontaktdesign med selektiv passasje av bærere gjennom doping av ekstra materialer og strukturelle bøyningsenergibånd i stedet for selve celleabsorberende lag, vi kaller denne selektive kontaktcellen og dette designet Det er fundamentalt forskjellig fra batteriet i vår tradisjonelle forståelse som har oppnådd PN krysset gjennom diffusjon.

 

Selv om vi nå har et felles pn-kryss med en høytemperaturdiffusjonscelle, anses det innebygde elektriske feltet til pn-krysset å være kraften til å skille de fotogenererte bærerne og la solcellen generere strøm. Faktisk må solceller ikke nødvendigvis ha et klart PN-kryss. På 1970-tallet foreslo professor Martin Green en solceller for metallisolator-halvleder (MIS) som ikke trenger å diffundere PN-kryss. I 1985 foreslo Prof. Eli Yablonovitch at ideelle solceller skulle være "designet med to heterojunksjoner", det vil si at det absorberende materialet er plassert mellom to brede bandgapmaterialer. Dr. Richard Swanson, en av grunnleggerne av SunPower, forutslo også at krystallinske silisiumsolceller med en teoretisk effektivitet som nærmer seg 10 år siden, burde "sette et bredt båndgapsmateriale mellom silisium og metall for å danne en heterojunksjon". Disse strukturene peker på selektiv kontakt med batteriet.

 

Anta at absorpsjonsmaterialet er midt på figur 2, og venstre og høyre side er henholdsvis hullelektroden og elektronelektroden. Mellom elektroden og absorpsjonsmaterialet er det et selektivt overføringslag. Den venstre siden er hulltransportlaget, og høyre side er elektrontransportlaget. På grunn av det selektive kontaktmaterialets egen bandgap, arbeidsfunksjon og Fermi-nivå, er absorberingsmateriellet tvunget til å bøye, noe som tillater at bare bærere som korresponderer med det selektive transportlaget, skal strømme gjennom og trenge inn i grensesnittet mens de avviser den andre bæreren, som i sving reduserer overflatebærerkonsentrasjonen, resulterer i en god overflatepassivasjonseffekt.

 

Nedenfor forklarer vi prinsippet om Panasonic Heterojunction (HIT) batteri med teorien om selektiv kontakt. HIT-celleabsorberlaget bruker en n-type monokrystallinsk silisiumskive. For det første blir et meget tynt indre amorf siliciumlag avsatt på forsiden som et overflatepassivasjonslag, og deretter avsettes et bor-dotert amorft siliciumlag av p + type. Sammen utgjør de to et positivt tomt rom. Hole transport lag. Etter avsetting nærmer silisiumplaten overflaten på grunn av bøyningen av energibåndet, blokkerer bevegelsen av elektroner til frontflaten, og elektronene kan bare bevege seg til baksiden. I motsetning til hull, selv om det indre laget har en liten barriere mot hull, siden det indre laget er veldig tynt, kan hullene tunnel gjennom og deretter passere gjennom høyt dopet p + -type amorft silisium. Et inneboende amorft silisiumlag og et fosfordotert n + amorft silisiumlag er også avsatt på baksiden. Også på grunn av bøyning av energibånd kan hull ikke lett passere gjennom baksiden, og elektroner kan passere gjennom, så begge utgjør et elektrontransportlag. Ved å deponere det selektive transportlaget på begge sider av batteriet, kan de fotogenererte bærerne kun berikes i det absorberende materiale og strømme ut fra en overflate av batteriet og derved oppnå separasjon av de to.

 

Panasonic heterojunction HIT-celler er en typisk selektiv kontaktstruktur. En annen typisk selektiv kontaktcelle er Silevo Triex tunnel heterojunksjonscellen, som er lik struktur i HIT-cellen, men bruker silisiumoksid istedenfor internt amorft silisium til passiveringslaget. I motsetning til disse to typer helt selektive batterier, er ovennevnte bakside passivert kontakt batteri faktisk et batteri som selektivt kontakter kun på baksiden. Hva er ytelsen til backside passivation kontakt teknikk, og er det en dobbeltsidig passivasjon kontakt teknikk som brukes til å oppnå selektiv kontakt celle design? La oss ta en titt på de siste utviklingene i dette området .

 

Forskningsprosess for passivasjonskontaktteknologi

 

I de senere år har flere forskningsinstitusjoner gjennomført forskning på passiverte kontakt solceller. Selv om Panasonic har vist bruk av amorfe silisium-tynne filmer som passiveringslag for HIT-celler, er den siste rekordbryteseffektiviteten 25,6%. Imidlertid kan amorfe silisiumtynne filmer ikke tåle høyere temperaturoppfølgingsprosesser på grunn av deres høyere overflatebehandlingskrav. Begynte å sette synsfeltet til andre passive filmmaterialer. De nåværende forskningsmiljøene i flere forskningsinstitusjoner er fokusert på laminering av tynne lag silisiumoksid og høyt dopet silisium.

 

Fraunhofer ISE (Tyskland)

 

Fraunhofer ISE har jobbet i mange år i retning av passiverende kontaktceller. I 2013 introduserte den sin egen tunneloksidpassivasjonskontakt (TOPCon) -teknologi. Bruk et ultra-tynt oksidlag med et dopet tynnfilmsilisium passivert på baksiden av cellen. Rygg oksidlaget har en tykkelse på 1,4 nm og er våt kjemisk dyrket. Deretter deponeres 20 nm fosfordopet amorft silisium over oksydlaget, etterfulgt av glødning for å omkrystallisere og forbedre passiveringseffekten. Etter de ovennevnte trinnene kan den åpne kretsspenningen (iVoc) på en 200 μm tykk n-type FZ-wafer med dobbeltsidig passivering nå 710 mV eller mer, og selv om den etterfølgende prosess temperaturen overstiger 400 ° C, vil iVoc kan opprettholdes ved 700 mV eller mer. Silisiumoksid reduserer overflatetilstanden for å opprettholde en lavere tunnelmotstand, og dopet polysilikon gir feltpassivasjon og selektiv bæreroverføring. Det skal påpekes at i tidlig MIS batteriforskning har forskerne funnet ut at når tykkelsen av oksidlaget overstiger 2 nm, begynner tunnelvirkningen å synke betydelig, og påvirker fyllfaktoren.

 

Spesielt for batteriteknologien bruker Fraunhofer ISE n-type FZ silisiumplater, forsiden av bruken av vanlig pyramidgarn, borediffusjon, ALD-aluminiumoksyd og PECVD-kiselnitrid-stumpstapel til passivasjon og antirefleksjonseffekt. Ovennevnte TOPCon-teknologi er vedtatt på baksiden, og den positive og negative metalliseringen realiseres ved dampavsetning av Ti / Pd / Ag-laminering. Den åpne kretsen spenningen på batteriet når 690,4 mV, og fyllefaktoren når også 81,9%. For ytterligere å forbedre effektiviteten optimaliserer den ytterligere elektrodenes konstruksjon og reduserer metallkontaktområdet. Baksiden er erstattet av et enkelt lag med 1μm sølv for å forbedre den indre refleksjonen på baksiden, den åpne kretsspenningen når 700mV, fyllefaktoren er 82%, og effektiviteten når 23,7%. På Silicon PV-konferansen i mars i år var den nyeste effektiviteten av bruken av TOPCon-teknologien 24,9%. Sammenlignet med PERL-strukturbatterier, eliminerer TOPCon-teknologien behovet for baksideåpninger og justering.

 

Fraunhofer ISE bruker kun TOPCon-teknologi på forsiden i det ovennevnte designet. I 2014 annonserte forskningsinstituttet utformingen av positive og negative passivasjonskontakter for å oppnå den selektive kontaktcellestrukturen beskrevet ovenfor. Ved anvendelse av en p-type FZ silisiumskive, 250 μm tykk, uten diffusjon, ble et 1,4 nm oksidlag lagret direkte kjemisk på begge sider, og 15 nm fosfordopet og boradopnet amorft silisium ble avsatt, etterfulgt av glødning. Forsiden ble sputtered med ITO, Ti / Pd / Ag ble avsatt på stablingsporten, og baksiden ble fordampet med sølv som baksiden elektrode. Batteridesignet har en åpen kretsspenning på 692,4mV og en fyllfaktor på 79,4%. På grunn av de forskjellige annealingstemperaturer krystalliseres det amorfe silisium som er avsatt her, ikke som polysilisium, men i stedet når den mikrokrystallinske silisiumform i en lignende tynnfilmsilisiumcelle. På grunn av at fronten ikke er nappet, og absorpsjonen av det fremre ITO og mikrokrystallinske silisiumlag i HIT-lignende batterier, er kortslutningsstrømmen bare 31,6mA / cm2, og effektiviteten er 17,3%. Forskerne har imidlertid særlig sammenlignet absorpsjonen av polysilisium og mikrokrystallinsk silisium på forsiden, og absorpsjonen av mikrokrystallinsk silisium med samme tykkelse er opptil dobbelt så liten som for amorf silicium. Derfor tror forskerne at gjennom den etterfølgende optimaliseringen forventes denne strukturen å bli en annen selektiv kontaktbatteri som kan konkurrere med HIT.

 

National Renewable Energy Laboratory (NREL)

 

NREL bruker også silisiumoksyd- og polysilisiumfilm, som først diffunderer p-typen emitteren på forsiden av silikonplaten av n-typen, og bruker deretter KOH til å planlegge baksiden, og deretter bruke en 700C termisk vekst eller salpetersyrekjemi å lage et silisiumoksidlag med en tykkelse på ca. 1,5 nm. . Et par titalls nanometer tykt høyt dopet amorft silisium (a-Si: H) blir så avsatt av PECVD. Etter annealing ved ca. 850 ° C krystalliseres det amorfe silisiumlag i polysilikon, og deretter underkastes 450 ° C nitrogen-hydrogen blandet atmosfære-annealing (FGA) for å forbedre overflatepassivasjon. Hele baksiden er metallisert.

 

NREL hevder at SiO2 og polysilisiumlag har en effekt på karakteren av passivasjonskontakter. Etter den amorfe silicium-omkrystallisasjonsprosessen ved 850 ° C kan kjemisk og termisk vekst av oksidlaget passiveres på lignende måte. Implisitt åpen kretsspenning (Implied Voc) kan nå 700mV eller mer, og Dark Saturation Current er lav. Ved 10 fA / cm2 er kontaktmotstanden ca. 20 m-cm2. Imidlertid mener NREL at mekanismen for god kvalitet av høyt dopede polysilikon / silisiumoksyd / silikonkontakter ikke er fullt ut forstått. God overflatepassivering kan skyldes den kjemiske passiveringseffekten av silisiumoksyd og feltpassivasjonseffekten av høyt dopet polysilikon. Ledningsevnen er da fra den defektassisterte tunneleringsmekanismen og mikroporene på oksydlaget.

 

I tillegg har forskningsinstitutter som Australian National University (ANU), Universitetet i California (UC) og Det sveitsiske føderale institutt for teknologi i Lausanne (EPFL) også gjennomført forskning på dette området for å utforske ulike passivasjonsmaterialer og strukturer.

 

I sammendraget inneholder fordelene ved den bakside-passiverte kontakt-solcellen (1) en utmerket passiviseringseffekt på baksiden, som fullstendig utrydder direkte kontakt mellom baksiden av metall og silisium, og øker spenningen i åpen krets, som anses å være den nåværende hovedforbindelsen tap av solcellen. Dette er uunngåelig med tradisjonelle aluminiumsback-felt og PERC-strukturer; (2) Det kreves ingen komplisert passivasjonslags åpningsprosess. Hvis passivasjonskontaktteknologien påføres på frontflaten, kan diffusjonsdoperingsprosessen også utelates for å hindre at diffusjonen påvirker bærerens levetid for silisiumplater av høy kvalitet, men det vil også møte problemet med positiv parasittabsorpsjon ligner det av HIT-cellene, så søken etter lysabsorpsjon er mindre. Passivasjonsfilmmaterialet er også et av de nåværende forskningspotensialene.

 

Outlook

 

Husk også at når selektive emittere bare kom fram, løsnet denne teknologien motsetningen mellom det faktum at sølvpastaen trenger lav-ohmiske motstandsregioner for å danne ohmiske kontakter, og kvadratmotstanden er for lav og kompositt overhøy. Selv om det kreves ytterligere prosesser for diffusjon i forskjellige regioner, og etterfølgende prosesser krever ytterligere justering, får de fortsatt høye forhåpninger og blir prøvd. Med forbedringen av pastaen kan frontsidens sølvpasta danne god kontakt med den høyere og høyere motstands silisium, og den ensartede emitterdiffusjonskonsentrasjonen blir redusert som en helhet, som ikke bare løser det selektive emitterproblemet, men unngår også komplisert problemer. Prosesser er derfor blitt raskt fremmet og vedtatt. Selektiv emitterteknologi er ikke så populær som den pleide å være.

 

Om baksiden vil oppleve en lignende vei, selv om PERC- og PERL-strukturen delvis løser problemet med baksidepassivasjon, blir det ikke lett å justere den tradisjonelle utskriftsproduksjonslinjen. I kontrast passivasjonskontakt teknologi, selv om det ikke trenger å åpne hullet for å gjøre strukturen på baksiden av batteriet dyrere, men de tradisjonelle krystallinske silisiumcelleprodusentene mangler industriell erfaring med tynnfilmavsetningen og krystallisering som kreves for passivering kontakt teknologi, betyr enkel struktur ikke nødvendigvis enkel produksjon. Kan baksiden passivasjon kontakt teknologi kommer bakfra, og den selektive kontakten batteri familien er enda mer ønskelig på grunn av tilsetning av dobbeltsidig passivasjon kontakt batterier. Vil denne teknologien ha mulighet til å konkurrere med HIT? La oss vente og se.

 

Spesielt bør det påpekes at selv om store tynnfilmfirmaer, som First Solar, har kjøpt Tetrasuns krystallinske silisiumceller og komponenter i de senere årene, har kombinert påvirkning av markedsbehov og kostnadsstrukturendringer gjort det. Er tynnfilm fotovoltaiske produsenter like i planene sine? Med akkumulering av talenter, teknologier og utstyr i amorf silisium tynnfilmavsetning og krystallisering, passivasjonskontaktteknologi eller andre selektive kontaktteknologier kan være et godt teknologisk inngangspunkt for tynnfilm-fotovoltaiske produsenter å kutte inn i det krystallinske silikonfeltet.