基于选择性发射极和背钝化技术的高效太阳电池的研究

发布时间：2018-03-11 06:03

本文选题：晶体硅太阳电池　切入点：选择性发射极　出处：《江南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着能源问题的日益突出,太阳能作为一种可再生的清洁能源,越来越受到人们的关注,太阳电池的应用前景也越来越广泛。无论是在生产还是实用中,晶体硅太阳电池一直是太阳电池领域的主力军。但是,国内民用太阳电池的普及率依然很低,因此降低生产成本和提高效率一直是太阳电池制造公司的努力方向。本论文以选择性发射极和背钝化背掺杂(PERL)结构的晶体硅太阳电池作为研究对象,重点研究了PERL太阳电池的正面选择性发射极的制备方法、背表面处理方法、扩散和氧化之前硅片表面清洗方法的改进、AlO_x/SiN_x叠层膜的钝化效果的改善、背面局部硼掺杂及金属化、PERL结构与铸造单晶衬底的匹配与衰减情况等。本论文首先研究正面选择性发射极的掺杂激光。分别选用1064 nm的红外调Q激光和532 nm的连续激光对电池进行磷掺杂,考虑掺杂后样品的方块电阻、少子寿命后,确定合适的激光器。在平衡磷掺杂浓度和激光损伤之间的关系后,确定最适宜的激光功率值。并且研究发现选择性发射极电池具备匹配高方块电阻的能力。最后优化了正面栅线间距。在得到最佳正面选择性发射极的制备方案之后,通过改变背面形貌、改善热扩散/氧化前的高效清洗可以非常显著地改善PERL太阳电池的电性能。本论文中分别用碱抛光和酸抛光两种方法对电池背面进行处理。碱抛光处理部分具体研究了两种背面SiN_x钝化膜的厚度。综合考虑背钝化效果、对掺杂激光反射的效应、背面反射率和IQE(Internal Quantum Efficiency)以及背面Al金属附着力的因素后,确定了SiN_x钝化膜的厚度。随后尝试用酸抛光实现硅片背面平坦化,确定酸抛光的减薄量。高效清洗部分讨论了RCA和SPM两种清洗方法。在对比了两种清洗方法的清洗效果、稳定性、可重复性和物料成本、人力时间成本后,确定SPM为PERL高效电池的清洗方法。之后继续后道背钝化的研究。背钝化部分主要优化并评估AlO_x/SiN_x叠层膜对PERL电池的钝化效果。首先用Matlab结合光学导纳特征矩阵法,拟合出最高背反射率对应的AlO_x/SiN_x叠层膜厚值。然后进行AlO_x/SiN_x叠层膜制备初期调整,包括评估热退火及退火方法、钝化层的沉积顺序对硅片少子寿命的影响。结果发现背面AlO_x—背面SiN_x—正面SiN_x‖的钝化层沉积顺序配合链式炉退火可最大程度上利用场效应钝化和化学钝化。最后经过大量实验对AlO_x/SiN_x叠层钝化膜厚度的模拟结果进行了验证。AlO_x过厚的话,薄膜表面会出现气泡,而气泡会降低背钝化、背反射效果,所以AlO_x不能过厚。在平衡SiN_x的氢钝化作用和对AlO_x场效应钝化的削弱作用后,确定其厚度。除了PERL电池的背钝化以外,本论文对器件的背面硼掺杂做了大量的研究工作,包括背面激光掺杂硼、激光损伤修复、背金属接触以及N2氛围低温热退火对PERL电池的影响,并开发PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法制备掺硼非晶介质硼源的方法。背面激光掺杂硼部分,试验了两种激光器,测试硼掺杂浓度和深度之后选定了355 nm准连续紫外高频锁模激光器。然后通过实验分析激光掺杂后的少子寿命(τeff)、ECV(Electrochemical Capacitance-voltage)掺杂曲线、SEM(Scanning Electronic Microscopy)激光剖面图,确定激光扫描速率和功率。为了修复激光损伤,首先用碱溶液腐蚀激光辐照处。结果表明,碱溶液腐蚀会过度,激光掺杂进硅片的硼原子会被腐蚀掉,此方法不可行。而后又尝试使用FGA(Forming Gas Annealing)对掺杂后的硅片进行热处理。这一方法利用氢钝化效应,可有效恢复硅片的少子寿命、修复激光损伤。背金属接触部分主要研究了三种烧结温度。考虑到对太阳光的背反射效果、形成的背场类型(B-BSF或Al-BSF)以及金-半接触效果,确定了使用旋涂法制备激光掺杂源的电池的烧结温度。PERL电池制备完成后,经过一个特定的热退火过程,效率可得到一定的提升。这一过程的作用机理是:被氢钝化的硼原子呈电中性状态,导电能力下降;低温热退火可激活硼原子,电活性硼原子含量的上升有助于降低饱和电流密度和串联电阻,提升电池效率。另外,为了增强工艺的集成性、减少工艺步骤并实现低温烧结,对PECVD法制备掺硼非晶介质硼源作了研究。实验首先对比了用乙硼烷和三甲基硼为硼源制备出的SiO_2(B)的ECV掺杂曲线,选定乙硼烷为掺杂硼源。然后,分别研究了不同厚度SiO_2(B)电池的掺杂特性、背面光特性以及电性能,确定介质厚度。接下来讨论了不同折射率的SiN_x(B)对PERL电池的影响。最后,a-Si(B)部分具体研究了五种不同的烧结条件。结果表明,使用a-Si(B)作为激光掺杂的硼源载体,可在保证电池效率的同时实现低温烧结。最后,本论文还进行了将硼掺杂PERL结构的太阳电池匹配在铸造单晶衬底上的研究,然后评估其对光致衰减的抗性。首先优化了一些重要的制备参数,包括发射极方块电阻、背面SiN_x厚度、背面激光图形和背面Al电极烧结温度。然后对制备好的电池进行特定氛围下的低温热退火。退火后BOi对被转化成电活性的硼原子,电池的效率得到了小范围的提升。最后用氙灯连续照射电池进行光致衰减研究,发现铸造单晶PERL电池效率衰减远小于单晶PERL电池效率的衰减。这是因为铸造单晶硅衬底中的间隙氧含量比单晶硅衬底的间隙氧含量低接近一个数量级。这一稳定性的优势使得铸造单晶PERL电池适用于大规模生产。本论文的重点在于解决PERL电池背面的问题,即背抛光、背钝化、背掺杂、背金属化问题;适应产业化的问题,即正面光导电镀、高效清洗、PECVD沉积硼源法的问题;重掺硼PERL电池衰减的问题等。论文侧重于对实验现象进行分析,希望通过这些研究能够对PERL太阳电池有更深刻的理解,对今后的研究工作能够提供某些指导性的建议。
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【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】