光伏TOPCon太陽能電池片作為高效的太陽能電池技術,具有更高的轉換效率和更低的能源成本,受到了廣泛的關注。生產環節技術的發展和規模化生產的推動,使TOPCon太陽能電池的成本逐漸降低,未來市場競爭優勢明顯。「美能光伏」緊跟用戶和行業發展需求,提出高效TOPCon電池片研發解決方案,并研發出在線Poly膜厚測試儀,采用領先的微納米薄膜光學測量技術,實現超廣測量范圍20nm-2000nm和0.5nm超高重復性精度,可對樣品進行快速、自動的5點同步掃描。
光注入退火工藝原理
高效的太陽能電池要求在具有良好的界面鈍化情況,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。在重摻poly-Si中,多數載流子濃度遠高于少數載流子,降低電子空穴復合幾率的同時,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,多數載流子傳輸導致電阻損失,同時少量少數載流子向金屬接觸區域遷移導致復合損失。前者對應接觸電阻 ρc,而后者則對應界面復合電流 J0。
TOPCon太陽能電池結構
光注入退火爐的工藝流程:自動化上料(電池片)→升溫區(紅外燈管加熱)→光照區(LED燈)→降溫→自動化下料。光注入退火爐工藝步驟:第一步升溫,通過升溫激活氮化硅鈍化膜中的H原子;第二步通過光照控制原子的價態,使其在P+發射極和N型基底與復合中心(缺陷)結合,形成非復合中心。最終實現良好鈍化效果,達到提升Voc與FF的目的。
光注入(氫鈍化)機理
光注入退火工藝對TOPCon電池電性能的影響
用相同效率檔位的電池片,經過光注入退火工藝后,對比各個電性能參數變化情況。
光注入前后Voc和FF的變化
TOPCon電池經過光注入后Voc與FF提升比較明顯,其他電參數均沒有變化。因此,說明經過光注入后氫原子鈍化了晶界與晶面的懸掛鍵,提升了PN結的質量,提高了Voc。進一步分析說明,發射極部分屬硼摻雜區,表面沉積氮化硅膜后,發射區會同時存在硼和氫,氫原子在離硼約0.125nm處的球面上位能具有極小值,氫被束縛在這個球面上自由轉動,形成動態硼-氫復合體。在完整的硅晶體中,單獨的代位硼原子在價帶上面引入一個未填滿的受主能級,而單獨的間隙氫原子則在導帶下面引入一個新的施主能級。當硼和氫同時存在,氫原子處在球面能谷中的情況下,由于之間的相互作用,硼和氫在禁帶中引入的能級分別轉入價帶和導帶,電子填充到價帶頂,硼不再起受主作用,即被鈍化。
LED光照處理時光照強度和峰值溫度對轉換效率的影響
用相同效率檔位電池片,LED 光照時峰值溫度分別設置為200℃ 、260℃、320℃。從圖中可以看出,峰值溫度設定為260℃時,效率提升幅度最大。其機理在于退火(200℃)有助于提高非晶硅的鈍化,源于界面態密度的降低(Si 懸掛鍵),非晶硅薄膜的微結構改變不影響光致增益。
光照時溫度設置為260℃,光照強度分別設置為10%、20%、30%、40%、50%、60%。從圖中可以看出,LED光照強度逐漸增強,效率提升幅度不變。相同加熱溫度條件下,光照強度對效率提升無影響。即使弱光也會產生增益現象,因此效率增益是由于a-Si∶H/c-Si界面復合的降低引起的。
LED光照時不同峰值溫度和光照強度增效對比
POLY層膜厚對轉換效率的影響
采用雙面對稱結構進行測試對比,制作不同poly 厚度對稱結構監測片,光注入退火工藝前后分別測試 i Voc,對比 TOPCon 電池背面鈍化層厚度經過光注入退火工藝后鈍化性能的變化規律。
不同poly厚度對稱結構經光注入前后鈍化性監測
從圖中可以看出,當背面鈍化層poly厚度小于150nm時,經過光注入退火工藝后鈍化性能有損失現象;厚度大于等于150nm時,鈍化性能保持不變。背面鈍化層poly厚度增加,多晶硅層的寄生光吸收會增強,降低了光的利用效率。因此鈍化層poly的厚度需要綜合考慮寄生吸收與鈍化性能兩方面因素。
不同光注入退火工藝對較薄POLY-Si鈍化性能的影響
取厚度相同的poly-Si雙面對稱結構測試片,使用不同光注入退火工藝。驗證不同光注入退火工藝對較薄 poly-Si 厚度電池片鈍化性能的影響。從圖中可以看出,調整光注入退火溫度、光照強度對較薄 poly 鈍化層的鈍化性能無改善。
90nm厚度poly-Si對稱結構不同光注入工藝前后鈍化監測
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