perc太阳电池及产业化

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1、PERC太阳电池及产业化PERC电池技术背景PERC(passivated-emitterandrearcell)电池早在1989年就被Blakers[1]等人提出，在此结构基础上，新南威尔士大学赵建华博士[2]经过一些列改进优化，于1999年获得了转换效率达24.7%的太阳能电池，因此创造了晶硅电池最高效率世界纪录。PERC电池结构如图1所示[3]，其电池的特点是：（1）电池的正反两面都沉积钝化膜；（2）背场的铝浆则直接覆盖在背面钝化膜上与硅基体形成局部接触。根据PERC电池的结构特点，电池需要双面钝化和背面局部接触，从而大幅降低表面复合，提高电池转化效率。双面钝化则要求

2、电池两面都需镀介质膜，背面局部接触则需要背面开膜，因此PERC电池工艺流程为：（1）碱制绒（2）POCl3扩散（3）湿法背面刻蚀（4）双面钝化薄膜（5）背面介质薄膜开孔（6）金属化。PERC电池产业化技术关键PERC电池在上世纪八十年代末和九十年代初就已经成为晶体硅太阳电池的代表，以24.7%的世界纪录领跑晶硅电池效率记录。但产业化的进程直到本世纪2010年才有质的进展，间隔整整20年。2010年产业化PERC电池的显著进展取决于以下三个方面：工艺，设备以及相关材料。工艺方面的关键在于背面钝化以及背面局部接触技术的实现。背面钝化技术，涉及到钝化膜的选择。新南威尔士大学赵建华

3、博士在1999发表的文章报道了采用SiO2薄膜钝化制备的P型PERC电池，同一年该校的A.G.Aberle[4]也报道了SiO2作为P型PERC电池背钝化薄膜的缺点：弱光下氧化硅的钝化效果会急剧变差，那么产业化P型PERC电池该选择氧化铝还是氧化硅呢？为此我们做了对比研究。首先对比Al2O3和SiOx作为背面钝化薄膜的性能，图2给出了采用SunsVoc表征测试的PFF和Jo2，显然氧化铝叠层膜的PERC电池和常规铝背场电池的PFF以及Jo2均相当，但是氧化硅叠层膜的PERC电池表现稍逊一筹。我们做了进一步的测试，采用Semilab公司的PV2000测试了氧化铝叠层膜和氧化硅

4、叠层膜的固定电荷（fixedcharge），结果显示氧化硅叠层膜固定电荷为正电荷，电荷密度为1×1011charges/cm2，而氧化铝叠层膜固定电荷为负电荷，电荷密度为-1×1012charges/cm2。氧化铝含有高密度的固定负电荷形成的电场可以有效减少表面的电子浓度，从而对p型表面有极好的场钝化效应减少复合，解释了为什么氧化硅叠层膜PERC电池的Jo2要比氧化铝PERC电池的Jo2高，从而导致PFF上，氧化铝钝化的PERC电池更有优势[5]。我们也测试对比了强弱光下氧化铝叠层膜PERC电池和氧化硅层膜PERC电池的IQE性能（如图4），图4显示在1个太阳的光强下，氧化

5、铝叠层膜PERC电池和氧化硅叠层膜PERC电池在长波的IQE均优于常规铝背场电池，但是0.1个太阳光强下氧化硅PERC电池的长波IQE下降显著，表明背面钝化薄膜氧化硅叠层膜在弱光下的钝化性能急剧下降，这和1999年新南威尔士大学的发现是一致的。另一方面氧化铝叠层膜PERC电池和常规铝背场电池在弱光下依然表现出和强光相同的IQE性能。这些数据充分说明了氧化铝叠层膜更适合作为量产PERC电池的背面钝化膜。另一关键工艺则是背面局部接触的实现，目前主要采用的方式有背面钝化膜的局部激光开孔和腐蚀浆料开孔，开孔后在背面钝化膜上印刷铝浆，铝浆通过上述开孔与硅材料实现局部接触。我们同样对比

6、了两种薄膜开孔方式——激光开孔和腐蚀浆料开孔的特点。图5和图6分别给出了腐蚀浆料开孔和纳秒激光开孔的显微镜图像，从图像中我们可以清楚地看到两种方式都可以将氧化铝叠层膜完全打开，不会留下残留物。表1给出了两种开孔方式做成的PERC电池的电性能数据，结果显示这两种开孔方式获得的PERC电池性能相当。至于量产选用哪种开孔方式，则取决于运行成本及产能的需求。满足PERC电池需要的新材料的推出，也是推动PERC产业化显著进展的一大功臣。尤其是浆料公司开发出适合于硅衬底局域接触的太阳能电池用铝浆，使得PERC电池的阵地由实验室走向产业化。使用传统铝浆，在局域接触条件下高温烧结时，基体硅

7、材料易溶于铝，使得铝和基体材料接触界面形成空洞而断路，增大了铝硅的局域接触电阻（如图7所示）。美国杜邦公司通过浆料成分的改进，结合合适的烧结工艺，开孔处可以形成连续的局域铝背场，并且孔洞填充充实，没有空洞，图8显示。钝化和激光量产设备的出现也是PERC实现产业化不可或缺的因素。钝化量产设备分为两派：一派以德国Centrotherm为代表，采用PECVD生长的氧化硅/氮化硅叠层膜作为背面钝化膜，另一派以德国R&R公司为代表生产的氧化铝镀膜设备，并且开发出二合一的氧化铝叠层膜设备。而对于氧化铝镀膜设备根据其生长原理不同