多晶硅鈍化接觸n型晶硅太陽電池研究中獲進展

發布時間：2020-03-30 11:54 原文鏈接：多晶硅鈍化接觸n型晶硅太陽電池研究中獲進展

　　多晶硅鈍化接觸技術（通常稱TOPCon，也稱為POLO、PERPoly、monoPolyTM、iTOPConTM、PERTOPTM）被廣泛認為是最有希望的繼PERC電池之后的下一代高效晶硅電池技術之一，是晶硅太陽電池技術領域的研究重點。中國科學院寧波材料技術與工程研究所太陽能及光電子器件研究團隊在研究員葉繼春和閆寶杰的帶領下，在曾俞衡、廖明墩等團隊成員的共同努力下，于2015年底起開始布局研究TOPCon技術。團隊核心人員累計有30年以上的產業界經歷，注重基礎研究與產業應用需求的緊密結合，旨在為該技術的產業化應用提供理論和實踐支撐。近來，寧波材料所團隊在高性能鈍化接觸技術開發、高效全電池集成、關鍵材料開發、驗證性設備開發等方面均取得顯著進步。

　　在高性能鈍化接觸技術開發方面，寧波材料所綜合運用高質量界面氧化硅、致密多晶硅薄膜、優化摻雜分布曲線、高效氫鈍化等技術，獲得優異的鈍化接觸指標（采用單面飽和電流密度J0,s和隱含開路電壓iVoc進行表征，J0,s越低越好、iVoc越高越好）。最優n型技術的關鍵鈍化指標為最低J0,s=0.8fA/cm2、最高iVoc=749mV（Sol. Energy, 2019, 194, 18）；最優p型技術的關鍵鈍化指標為最低J0,s=6.0fA/cm2、最高iVoc=722mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487），在國際上處于先進水平。圖1（a，b）顯示了世界各主要研究機構在關鍵鈍化指標（J0,s）上的進展。

　　在高效電池開發方面，寧波材料所堅持實驗室自主研發，經過多年努力，于2020年1月開發出效率為24.27%的n型TOPCon電池（南開大學獨立測試）。圖2（a）顯示了世界各主要研究機構在該類電池的最高效率進展。值得一提的是，該最高效率電池集成了新型材料，而常規對照電池的最高效率僅為24.02%，如圖2（b）所示。經統計，運用了新材料的電池的平均效率比常規電池的高出了0.32%abs（論文準備中）。寧波材料所將這種新型鈍化接觸電池注冊為PERTOPTM電池（Passivated Emitter and Rear Tunnel Oxide Passivation）。

　　在關鍵材料開發方面，寧波材料所也做了大量的研究工作。針對界面氧化硅層，寧波材料所通過各種途徑，實驗評估了各種氧化硅制備方法，包括硝酸氧化、紫外臭氧氧化、臭氧水氧化、混合酸氧化、熱氧化、等離子體輔助氧化、原子層沉積、等離子體沉積、磁控濺射氧化等。研究表明，不同方法獲得的氧化硅在厚度和組分上有所差異，不過只要經過合理的后繼工藝配合，采用上述氧化硅材料獲得的n型TOPCon結構的飽和電流密度均可低于12fA/cm2，部分可低于2fA/cm2，可滿足工業生產的需求。值得一提的是，寧波材料所針對PECVD工藝路線亟需的原位氧化硅制備技術，開發了等離子體輔助原位氧化法，利用該氧化硅材料獲得了優異的鈍化和接觸性能，在n型硅片的最優指標為J0,s=2.0fA/cm2、iVoc=747mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 208, 110389），在p型硅片的最優指標為J0,s=3.0fA/cm2、iVoc=742mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2019, 200, 109926）；通過優化氧化硅制備技術，獲得具有優異鈍化的p型TOPCon結構，在n型硅片的最優指標為J0,s=6.0fA/cm2、iVoc=722mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487），這也是迄今為止采用PECVD路線所獲得的最優指標之一。在多晶硅制備方面，寧波材料所同樣利用多種途徑，實驗評估過PECVD、LPCVD、Sputtering、和E-Beam等技術路線。基于對不同技術路線優缺點的了解，寧波材料所選擇主攻PECVD技術路線，在基于PECVD摻雜非晶硅的成膜條件、摻雜調控、晶化控制、脫膜抑制、方阻調整等方面均積累了豐富的經驗，制備出優異性能的TOPCon結構。

　　綜上所述，寧波材料所圍繞TOPCon技術的基礎科學問題及產業化應用展開系統研究，部分關鍵指標和電池效率取得顯著進步；截至2020年3月，已在行業主流期刊Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Sol. Energy, Sol. RRL等發表期刊論文14篇；申請國家發明ZL多項，初步形成獨立自主的知識產權；聯合中科院專業機構完成《2019年TOPCon太陽能電池ZL分析報告》一份；目前正在與合作單位聯合開發的基于PECVD技術路線的量產型設備，旨在解決行業缺乏核心裝備的問題。

　　該研究得到國家重點研發計劃（2018YFB1500403）、國家自然科學基金（61874177、61974178）、浙江省自然科學基金（LY19F040002）等的資助。