太阳能电池原理与设计 课件 第3章 太阳能电池原理与设计

主讲：第三章

硅基太阳能电池原理与设计

CONTENTS硅基太阳能电池转换材料目录PART

01硅基太阳能电池材料性能与特点钝化发射极背面接触太阳能电池PART

03PART

04钝化发射极背面扩散结构太阳能电池PART

02CONTENTS隧穿氧化层钝化接触太阳能电池目录PART

05硅基异质结太阳能电池背结背接触太阳能电池PART

07PART

08硅基薄膜太阳能电池PART

06硅基太阳能电池转换材料Part.01硅基太阳能电池转换材料01晶体硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池薄膜太阳能电池非晶硅太阳能电池微晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池硅基太阳能电池分类硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池起源硅在点接触整流器中的应用研究早期晶体硅太阳能电池结构示意图硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅扩散掺杂工艺的开发在硅中掺杂一些不纯物后，使得硅对光的敏感度更加强烈在单晶硅片上通过扩散掺杂形成pn结，并在背面配有双电极结构开创了光伏发电的新纪元，也是太阳能电池发展史上的一个重要里程碑第一个现代单晶硅电池结构示意图硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池栅线电极的形成电极制备在硅片的上表面之上电池采用p型硅衬底来得到最大的抗辐射能力表面镀一层二氧化硅，作为减反射膜硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池铝背场技术被发掘背面铝处理的优势逐渐被发掘用背面场技术可以把效率提高5%～10%硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池减反射膜工艺改善调整膜的厚度、采用更高折射率的减反膜以及双层减反膜技术的使用电池开路电压提高电流输出提高填充因子的提高与之前结构和技术相比该种电池效率要提高30%左右电池正表面制绒的技术得以发展，使得电池性能再一次大幅度提升硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池正表面制绒技术的发展利用单晶硅晶面的各向异性特性，通过对不同晶向的选择性腐蚀光照射到金字塔倾斜的表面时，光是向下方反射的，从而至少可增加一次光波被电池吸收的机会电流输出提高光沿着不同倾斜的角度进入电池，增加的光吸收部分大约是表面未制绒电池所能吸收光的1.35倍硅基太阳能电池转换材料——晶体硅太阳能电池材料01晶体硅电池的表面钝化和电极区钝化革新采用热氧化生长的氧化硅作为表面钝化层，可以使得开路电压和短波响应这两方面增益最大化晶体硅太阳能电池经历了全铝背场、钝化+局部铝背场、指交叉背接触等技术，逐渐形成了铝背表面场晶体硅太阳能电池和基于该结构改进的钝化发射极背接触电池（PERC）、激光刻槽埋栅电池（BCSC）、异质结电池（HJT）、隧穿氧化物钝化接触电池（TOPCon）等新型高效电池硅基太阳能电池转换材料——硅基薄膜太阳能电池材料01非晶硅为直接带隙半导体，其光吸收范围较广泛，所需光吸收层厚度较小，总厚度大约为1μm提高光电转化效率、大面积生产试验、低温制备工艺光吸收系数大、生产成本低、弱光效应好非晶硅薄膜太阳能电池采用化学气相沉积法液相外延法（LPE）溅射沉积法成本低廉、光电转换效率较高，但大晶粒的高纯多晶硅薄膜的生产工艺比较复杂。多晶硅薄膜太阳能电池硅基薄膜太阳能电池材料高压沉积技术采用热丝化学气相沉积技术微晶硅薄膜太阳能电池光谱响应宽、基本无光致衰退效应，但是制备环节中的沉积速率较慢。微晶硅薄膜太阳能电池硅基太阳能电池材料性能与特点Part.02硅基太阳能电池材料性能与特点02硅材料半导体工业中最重要且应用最广泛的半导体材料，是微电子工业和光伏产业的基础材料，具有含量丰富、化学稳定性好、无污染等优点有多种晶体形式：单晶硅、多晶硅和非晶硅硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02直拉法:通过在单晶炉中加热熔化高纯多晶硅原料，同时添加一定量的高纯掺杂剂（如硼、磷等），再经过引晶、缩颈、放肩等径和收尾等晶体生长阶段，生长成直拉单晶硅区熔法:利用感应线圈加热多晶硅棒料，形成区域熔化，达到提纯和生长单晶的目的单晶硅铸造多晶硅：利用定向凝固的铸造技术，在方形或八边形石英坩埚内制备晶体硅材料铸造多晶硅技术对硅原料纯度的容忍度比直拉法制备单晶硅高底部诱导成核的高效多晶硅生长技术和底部引晶的铸造单晶硅技术多晶硅晶体硅太阳能电池原材料硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02晶体硅太阳能电池工作原理光生伏特效应：当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应常规晶体硅太阳能电池的结构示意图晶体硅太阳能电池的电路模型硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02晶体硅太阳能电池的关键工艺进展铝背场电池（Al-BSF）：工艺流程简单、技术成熟、成本低，但因其背面为金属全接触，使得其背面复合速率较高、铝背场层的反射率较低、长波响应差清洗：硅片去损伤层、抛光、制绒、背结刻蚀、发射极刻蚀、高效电池的O3及RCA清洗等制绒工艺：利用碱溶液对单晶硅各个晶面腐蚀速度的不同，在硅片表面形成类似“金字塔”状的绒面，这样不仅可以有效增强太阳能电池片对入射光的吸收，而且还可以提高光生电流密度

采用砂浆切割的多晶硅片制绒一般使用HNO3、HF的混合溶液，利用多晶硅片在切割过程中形成的损伤缺陷，在刻蚀过程中不断将缺陷放大，从而形成虫状绒面结构金刚线切割的硅片：反应离子刻蚀制绒（干法黑硅）和金属辅助催化化学刻蚀（湿法黑硅）激光制绒硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02晶体硅太阳能电池的关键工艺进展扩散工艺：通过扩散方式在硅衬底表面制备一层均匀的掺杂层钝化技术：氢化氮化硅（SiNx:H）薄膜：降低表面缺陷态密度

电池正面

厚度较薄氮化硅（SiNx）薄膜：热氧化

等离子体增强化学气相沉积法

多孔硅、TiO2纳米线、ZnO薄膜、Si纳米线硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02晶体硅太阳能电池的关键工艺进展介质膜开膜工艺

在背面局部开膜实现良好的电接触后，再利用背面整面钝化来降低背表面复合速率

方法：激光开膜、腐蚀液开膜以及腐蚀浆料开膜金属化工艺:丝网印刷法、激光转印、移印、喷墨、电镀、喷雾等方法

丝网印刷技术：使用的背面的铝浆需要具有良好的局部电接触性能，对钝化膜有一定的渗透以保证足够的拉力，但又不能破坏或烧穿背面钝化膜硅基太阳能电池材料性能与特点——晶体硅太阳能电池材料性能与特点02晶体硅太阳能电池效率损失途径光学损失能量小于电池吸收层禁带宽度的光子不能激发产生电子－空穴对。能量大于电池吸收层禁带宽度的光子被吸收，产生的电子－空穴对分别被激发到带和价带的高能态多余的能量以声子形式释放，高能态的电子－空穴又回落到导带底和价带顶，导致能量的损失。电学损失光生载流子在pn结内分离和输运时，会发生复合损失。半导体材料与金属电极接触处的非欧姆接触引起电压降损失。光生载流子输运过程中由于材料缺陷、界面缺陷等导致的复合损失。硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅薄膜材料的制备方法化学气相沉积法

在反应室中将含有硅的气体分解，然后分解出来的硅原子或含硅的基团沉积在衬底上直流等离子体辉光放电法射频等离子体辉光放电法甚高频等离子体辉光放电法微波等离子体化学气相沉积法热丝化学气相沉积法光诱导化学气相沉积法硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅基薄膜材料的电学特性与没有氢化的非晶硅（a-Si）相比，氢化非晶硅（a-Si:H）具有较低的带隙态密度加入磷元素得到n-型掺杂，加入硼元素就得到p-型掺杂在非晶硅中，磷和硼的替位式掺杂效率很低结构无序掺杂会在带隙中部引入缺陷态硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅基薄膜材料的光学特性光吸收本征吸收：由电子吸收能量大于光学带隙的光子从价带跃迁到导带而引起的吸收带尾吸收：电子从价带扩展态到导带尾态或从价带尾态到导带扩展态的跃迁次带吸收：电子从价带到带隙态或从带隙态到导带的跃迁光电导在光照下非晶硅的电导会明显增加，增加的电导就是光电导非晶硅光电导的大小不仅取决于光吸收和激发情况，还与材料中复合和陷阱有关硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅基薄膜材料的光学特性光致发光和激发谱红外吸收和拉曼散射硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅基薄膜材料的光致变化光致变化效应

用辉光放电法制备的a-Si:H薄膜经光照后，其暗电导率和光电导率随时间而逐渐减小，并趋向于饱和，但经150℃以上温度退火处理1～3h后，光暗电导又可恢复到原来的状态。非晶硅的无序网络结构和氢的运动是导致非晶硅的光致亚稳变化的主要原因。硅基太阳能电池材料性能与特点——非晶硅薄膜太阳能电池材料性能与特点02非晶硅薄膜太阳能电池中的陷光效应陷光效应

利用绒面层将光陷于硅基薄膜太阳能电池中的效应

为了降低光从该太阳能电池中逃逸出来的概率，通常把衬底做成绒面，使到达该衬底的光发生散射。当被反射和散射的光的角度大于全反射角时，反射光不能从硅基薄膜太阳能电池中“逃逸”出来。钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池Part.03钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池结构与原理03PERC太阳能电池结构钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池结构与原理03常规铝背场电池和PERC电池结构对比钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池结构与原理03PERC太阳能电池关键特性高效率低光致衰减良好的弱光响应高开路电压良好的温度特性双面发电能力双面P-PERC电池结构钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03PERC太阳能电池制备技术制绒去除表面油污，以及硅片切片环节有机沾污，降低不良品出现消除金属离子，减少复合去除硅片线切割过程产生的机械损伤层，减少复合中心形成起伏不平的绒面扩散

采用三氯氧磷（POCl3）液态源扩散方法，在硅片表面形成N型层，形成太阳能电池片的核心单元——PN结钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03PERC太阳能电池制备技术选择性发射极（SE）工艺在金属栅线（电极）与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂降低扩散层复合提高光线的短波响应减少前金属电极与硅的接触电阻刻蚀和背抛光刻蚀是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程刻蚀过程需要精确控制，以确保只去除PSG层而不影响硅片的其他部分钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03PERC太阳能电池制备技术热氧化在高温下使硅片表面与氧气反应形成二氧化硅层的过程抗PID钝化在电池的表面形成一层保护膜减少表面缺陷和表面载流子（电子和空穴）的复合

钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03PERC太阳能电池制备技术背面激光开膜（LCO）利用激光消融背面介质层，形成局域背场接触，收集电流背钝化层为绝缘层，需要激光开槽形成电极通路，因此铝硅接触只能在开槽部分形成丝网印刷把金属导体浆料按照所设计的图形通过刮条挤压丝网弹性形变后漏印在已扩散好的硅片正面和背面，然后在适当的气氛下通过高温烧结，使浆料中的有机溶剂挥发，金属颗粒与硅片表面形成牢固的硅合金，与硅片形成良好的欧姆接触钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03PERC太阳能电池制备技术烧结

通过红外线加热，提升到一定温度，使正背面的浆料在高温中，当印刷的浆料和硅加热到共晶温度时，硅原子以一定比例融入到熔融的合金电极材料中，使电极和硅片本身形成欧姆接触，从而提高电池片的开路电压和填充因子，烧结过程中有利于PECVD工艺引入的氢原子向体内扩散，可以起到良好的体钝化作用电注入

通过施加特定的电压或电流，使电池在特定的电场条件下进行一段时间的处理钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池结构与原理03PERC太阳能电池工艺流程图钝化发射极背面接触（PERC）太阳能电池——PERC太阳能电池制备技术03高效PERC太阳能电池的设计背面钝化层激光开槽技术抗反射涂层电池结构优化材料选择工艺控制

钝化发射极背面扩散结构太阳能电池Part.04钝化发射极背面扩散结构太阳能电池04结合了钝化发射极和背面局部扩散的特点在硅片的背面采用局部扩散技术来形成高效背表面场采用正面钝化层来减少表面复合PERL太阳能电池整个背面都经过扩散处理与PERL相比，PERT电池的制造过程可能更为简单PERT太阳能电池钝化发射极背面扩散结构太阳能电池——钝化发射极背面扩散太阳能电池结构与原理04PERL太阳能电池结构与原理钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称上表面的倒金字塔结构

形成有效的陷光结构背部则在点接触的基础上进行浓硼扩散

降低局部接触电阻PERL太阳能电池结构示意图钝化发射极背面扩散结构太阳能电池——钝化发射极背面扩散太阳能电池结构与原理04PERT太阳能电池结构与原理电池结构采用N型硅片增加了沿电池整个背表面的扩散轻硼层

低电阻路径

以最小的电阻损耗横向穿过该扩散层PERT太阳能电池结构示意图钝化发射极背面扩散结构太阳能电池——钝化发射极背面扩散太阳能电池制备技术04“倒金字塔”结构具有优越的光捕获性能、较低的比表面积、易于形成钝化层等优点采用光刻、激光加工以及金属辅助化学腐蚀等工艺制造

金属辅助化学腐蚀是一种制备硅表面微/纳米结构的简单湿法化学腐蚀方法，该方法将单晶硅片直接放入HF酸、H2O2和贵金属金属盐溶液组成的混合液中进行腐蚀，待腐蚀产生多孔硅后再放入碱溶液中进行各向异性刻蚀。背面扩散PERL太阳能电池的背面采用BBr3等扩散剂在接触孔处进行硼局部扩散技术形成P+区域，减少背电极的接触电阻，增加硼背面场，提高短路电流钝化发射极背面扩散太阳能电池具有高效率的原因钝化发射极背面扩散结构太阳能电池——钝化发射极背面扩散太阳能电池制备技术04正表面钝化

正表面采用SiO2或其他材料作为钝化层

减少表面复合，降低表面态密度，从而提高开路电压和填充因子分区扩散

采用在栅指电极下进行浓磷扩散以减少接触电阻，受光区域进行淡磷扩散以减小横向电阻功耗和达到短波响应好的要求双面钝化

采用双面钝化技术，以降低反向饱和电流密度，改善光谱响应钝化发射极背面扩散太阳能电池具有高效率的原因钝化发射极背面扩散结构太阳能电池——钝化发射极背面扩散太阳能电池制备技术04钝化发射极背面扩散太阳能电池的工艺流程隧穿氧化层钝化接触太阳能电池Part.05隧穿氧化层钝化接触太阳能电池05隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池最显著的特征：其高质量的超薄氧化硅和重掺杂多晶硅的叠层结构，不仅实现了对全背表面的高效钝化和选择性地收集载流子，而且具有制备工艺简单、使用N型硅片无光致衰减问题和与传统高温烧结技术相兼容隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池结构与原理05TOPCon太阳能电池结构与原理通过在电池背面制备由隧穿氧化硅层和重掺杂硅薄膜层组成的叠层来形成具有载流子选择性收集钝化接触结构

TOPCon电池能带图电子隧穿的概率大幅增加，接触电阻率也随之大幅降低TOPCon太阳能电池结构示意图隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池结构与原理05TOPCon太阳能电池结构与原理在TOPCon太阳能电池制备背面制备一层1~2nm的隧穿氧化层

再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的界面钝化

无需开孔便可分离和输运载流子，实现载流子选择性钝化接触，消除了像PERC电池通过背面局部开槽来降低金属电极与Si接触处的复合

隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池结构与原理05TOPCon太阳能电池结构与原理量子隧穿效应：电子等微观粒子在势垒高度大于粒子能量的条件下仍可以概率性地穿过势垒到达另一侧

针孔理论：当氧化层超过2nm后，载流子隧穿的概率会大大降低。此时载流子主要通过针孔来传输，当氧化层中针孔数量过小时，会使得载流子传输受限。而针孔数量过多，则表明氧化层缺陷过多，从而导致氧化层的化学钝化效果降低，在此运输机制下，对氧化硅的质量要求非常高隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池常见的隧穿氧化层制备方法硝酸氧化硅片法（NAOS）

一种在低温条件下利用浓硝酸氧化硅来制造Si/SiOx结构的方法

非常低的界面缺陷态密度和优异的钝化效果

过氧化氢法

与硝酸氧化法一样是一种湿法氧化，不同的是将氧化物换成了同样具有强氧化性的过氧化氢隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池常见的隧穿氧化层制备方法臭氧氧化法

通过臭氧发生器产生臭氧，由于臭氧易解离为游离氧的特点，可使硅片表面氧化为SiO2，制备出厚度

<2nm的SiOx层

热氧化法

将硅片放置在干净的石英管中，以一定的流速通入高纯氧气，反应管用电阻丝加热炉加热到一定温度，在高温下硅片表面发生氧化反应

制备的氧化硅厚度具有可调性隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池常见的隧穿氧化层制备方法等离子体辅助氧化法

使用笑气作为主要气源，在PECVD中等离子体电子的能量驱动下，笑气会发生电离或分解作用，进而产生的游离氧作用在硅片表面，发生氧化反应

阳极氧化方法

超薄氧化硅层的形成通过场诱导阳极氧化过程，其中阳极氧化电流通过晶片被引导，使得可以生长非常均匀的氧化物隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池常见的隧穿氧化层制备方法硝酸氧化硅片法（NAOS）

一种在低温条件下利用浓硝酸氧化硅来制造Si/SiOx结构的方法

非常低的界面缺陷态密度和优异的钝化效果

过氧化氢法

与硝酸氧化法一样是一种湿法氧化，不同的是将氧化物换成了同样具有强氧化性的过氧化氢隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池掺杂层的制备化学气相沉积（CVD）：低压化学气相沉积（LPCVD）和PECVD法物理气相沉积（PVD）：溅射法

隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池的制备工艺硼扩散

在一定的浓度、温度、压力及时间下，硼源（BBr3或BCl3）在管式炉中汽化后，经过一系列化学反应在硅片表面进行沉积，获得合适的掺杂浓度、结深及方阻LPCVD制备多晶硅膜结合传统的全扩散工艺使用LPCVD制备SiO2膜在600～700℃的温度制备本征非晶硅膜对背表面进行单面扩散

对正表面绕镀过去的多晶硅进行腐蚀

对背表面的磷硅玻璃进行移除

进行常规的双面镀膜与双面丝印制备电极隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池的制备工艺LPCVD制备多晶硅膜结合扩硼及离子注入磷工艺

使用离子注入技术代替了扩磷工艺

设备使成本增加，但其绕镀现象较轻PECVD制备多晶硅膜并原位掺杂工艺

可以在同一台PECVD设备一次性完成制备SiOx膜并沉积掺磷非晶硅膜，然后进行退火晶化处理

沉积温度低，并且具有单面沉积的特性，简化了许多工艺流程隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池的制备工艺磷扩散

在氧气的存在下，POCl3在高温下分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5）生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子PECVD制备多晶硅膜并原位掺杂工艺。

形成重掺杂的多晶硅和钝化接触结构正面氧化铝钝化

利用气态Al(CH3)3与水汽（H2O）反应，生成Al(OH)3，附着在硅片表面，同时产生甲烷气体

提高硅片表面的钝化及吸杂效果，降低背表面复合速率，增加二次反射隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池的制备工艺正背面镀膜

利用辉光放电使硅片升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在硅片表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜

为了减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon电池的3种不同的工业化工艺流程图隧穿氧化层钝化接触太阳能电池——TOPCon太阳能电池制备技术05TOPCon太阳能电池发展方向有效抑制多晶硅易爆膜、降低材料寄生吸收

兼顾高效的钝化和电学传输性能

需要继续探究新的环保节能的制备氧化层方式TOPCon电池的全区域钝化也能很好地与钙钛矿电池结合成叠层电池硅基异质结太阳能电池Part.06硅基异质结太阳能电池0602结合了晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池技术的高效率太阳能电池03基于n型硅片而制备的新型电池硅基异质结太阳能电池（SHJ）04具有电池效率高、温度系数低、不存在光致衰减（LID）和电位诱发衰减（PID）效应等优势01异质结本征非晶硅层（i-α-Si:H）具有优良的钝化效果硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池结构与原理06SHJ太阳能电池结构与原理同质结：在同一种硅材料上通过掺杂的方法，形成两种不同带电类型p-n结

异质结：

在两种不同的材料通过掺杂的方法形成p-n结

SHJ太阳能电池结构示意图对称结构的n型双面结构电阻率范围一般为0.3-2.1

Ω·m厚度一般在90-150μm

之间硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池结构与原理06SHJ太阳能电池结构与原理非晶硅/晶体硅异质结制备进行碱制绒和清洗双面沉积厚度在约10nm左右高质量的本征硅（i-α-Si:H）层正面沉积厚度约为10nm左右的p型非晶硅（p-α-Si:H）层背面沉积厚度约为10nm左右的n型非晶硅（n-α-Si:H）层硅片的正面形成了p-α-Si:H/i-α-Si:H/n-c-Si的p-n型异质结结构，背面形成了n-c-Si/i-α-Si:H/n-α-Si:H背表面场结构硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池结构与原理06SHJ太阳能电池结构与原理SHJ太阳能电池高效的原因使用高少子寿命的N型硅片作为基底独特的晶体硅n-c-Si和非晶硅i-α-Si:H/（p）n-α-Si:H的异质结结构低温下沉积，不会对硅片造成损伤，其体少数载流子寿命也不会降低沉积的不掺杂的薄层本征非晶硅i-α-Si:H薄膜（内含有大量的原子氢）能够钝化硅片表面大量的悬挂键，减少复合中心的作用采用的硅片厚度比较薄，这样配合较好的陷光效果，使得光生载流子经过扩散达到硅片的表面而被电极收集到双面掺杂制结的电池，可以封装成双玻组件，充分利用背面的反射光，使电池双面发电，比常规单面电池获得更多的发电量硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术SHJ太阳能电池工艺流程硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术SHJ太阳能电池清洗RCA标准清洗法SPM：H2SO4/H2O2120～150℃

去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除HF（DHF）：HF（DHF）20～25℃

去除硅片表面的自然氧化膜

硅片表面的硅几乎不被腐蚀APM（SC-1）：NH4OH/H2O2/H2O30～80℃

在NH4OH腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜HPM（SC-2）：HCl/H2O2/H2O65～85℃

用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术SHJ太阳能电池清洗臭氧清洗

臭氧去离子水（DIO3）不仅可以更高效地去除有机杂质和金属杂质，同时减少化学品的消耗，而且不会产生含氮废水

臭氧清洗的异质结电池转化效率比RCA清洗的最高可高出绝对值0.45%硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术非晶硅薄膜沉积技术等离子增强沉积（PECVD）

在低压环境下利用射频等离子体激发气体分子，促进化学反应和薄膜生长

在较低的温度和压力条件下，实现高质量薄膜的沉积

具有优良电学性能、良好衬底附着性和极佳台阶覆盖性的薄膜热丝化学气相沉积

利用高温金属丝的催化作用使硅烷、硼烷等气体分解沉积至硅片表面从而获得非晶硅薄膜

薄膜沉积的速率相对较高，薄膜更为有序

气体利用率高、沉积对硅片本身损伤较小

热丝寿命较短导致更换成本高、热丝温度控制精度不高、热丝温度影响硅片温度硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术TCO膜沉积技术TCO主要材料

通常要对薄膜进行掺杂提高光电性能In2O3基薄膜锡掺杂氧化铟是最常用的TCO材料

ZnO基薄膜成本更低，具有较高的化学稳定性和热稳定性硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术TCO膜沉积技术TCO膜沉积技术磁控溅射（PVD）

在电磁场的作用下，被加速的气体高能粒子（Ar+）轰击镀膜靶材，靶材表面的原子获得能量逸出表面后沉积到衬底表面生成氧化物薄膜反应等离子沉积（RPD）

在镀膜设备中，Ar气体通过等离子体枪产生等离子体，通过磁场引导Ar等离子体轰击靶材，靶材温度升高后升华产生气体再沉积到衬底上形成氧化物薄膜硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池制备技术06SHJ太阳能电池制备技术电极金属化电极金属化即金属电极制作：通过在电池两侧固化金属电极，使电极与电池片形成紧密高效的欧姆接触，以将电池内部的电流引出丝网印刷

必须使用低温银浆

不应超过200℃

电性能相对较差

焊接拉力偏低

黏度特性导致电极印刷速度相对偏慢

电镀

制作种子层、曝光显影、电镀、去膜/去种子层等多道工序

优势：具备材料价廉、导电性好等

不足：在生产偏复杂、生产成本偏高智能电线（Smart-wire）

使用薄膜和网栅线构筑电池串

优势：结合力高、不易脱删

不足：工艺复杂、薄膜耗材成本高、光学遮挡硅基异质结太阳能电池——SHJ太阳能电池发展方向06SHJ太阳能电池发展方向提高转换效率改善硅片质量与绒面陷光结构采用新型空穴接触层叠层太阳能电池技术

钙钛矿/SHJ叠层太阳能电池TCO-free技术

开发不使用透明导电氧化物界面缺陷和钝化机制的优化

通过深入研究和精确控制c-Si/a-Si:H界面结构，可以减少界面缺陷，提高钝化质量稳定性和可靠性提升成本效益分析和降低与其他技术的结合背结背接触太阳能电池Part.07背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池结构与原理07IBC太阳能电池结构与原理

背接触太阳能电池的发射极和基极均位于电池的背表面，相应的金属化电极也是位于电池的背表面优点：电池的前表面没有金属化电极，对入射光为“零”遮挡金属化电极全放在电池的背表面，可以设计足够粗的电极，够减小电极本身的串联电阻该电池组件封装将更加简单，可以实现完全自动化的共面相连该电池组件的封装密度将大大增加，增加组件单位面积上的发电量，而且背接触电池组件的外观优美，更利于光伏建筑一体化的实现背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池结构与原理07IBC太阳能电池结构与原理正面无金属电极设计正负电极均设置在电池背光面前表面场为N+前场背表面为采用扩散方式形成的叉指状排列的P+发射极和N+背表面场前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化膜前表面常镀上减反射层金属接触部分全都在背面的正负电极接触区域，呈叉指状排列

IBC太阳能电池结构示意图背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池制备技术07IBC太阳能电池制备技术

IBC电池工艺流程图背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池制备技术07IBC太阳能电池制备技术改良后的IBC太阳能电池工艺流程图背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池制备技术07IBC太阳能电池制备技术制绒和清洗

对P型单晶硅基底进行化学清洗和碱抛光，去除硅基底表面的机械损伤层和污染物，且使硅基底正背表面形貌较为平坦双面沉积氧化硅和非晶硅膜层

抛光后的基底正背面沉积氧化硅层和非晶硅层

背面磷扩散、退火

对背面非晶硅层进行磷掺杂处理，后高温退火处理，非晶硅转化为多晶硅

背面激光刻蚀

利用纳秒级或皮秒激光对背面进行图案化处理

背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池制备技术07IBC太阳能电池制备技术去除正侧面PSG

采用氢氟酸去除在基底正面以及侧面形成的磷硅玻璃层碱制绒

利用氢氧化钾溶液使基底正面和背面局部区域构造为金字塔绒面结构

双面沉积AlOx膜层

以原子层沉积方式在基底正背面沉积一层致密的氧化铝薄膜

背面沉积减反射膜层

以PECVD的方式在基底背面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜背结背接触太阳能电池——IBC太阳能电池制备技术07IBC太阳能电池制备技术正面沉积减反射膜层

以PECVD的方式在基底正面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜

背面激光开膜

利用纳秒级或皮秒级激光对背面减反射层和钝化膜叠层进行开膜处理丝网印刷正负电极

N区印刷负电极Ag浆，P区印刷正电极Al浆烧结

正电极Al浆和负电极Ag浆共烧结，形成良好的欧姆接触背结背接触太阳能电池——高效IBC太阳能电池发展方向07高效IBC太阳能电池发展方向在成本与效率之间的平衡在现有生产线基础上进行局部改进

栅线电极金属化技术、选择性发射电极（SE）技术、先进陷光技术、组件电学与光学优化以及无铝边框双玻组件技术等丝网印刷正负电极开发新型载流子选择性钝化接触技术及其低成本的产业化技术SHJ电池、TOPCon电池及其与叉指背接触（IBC）技术结合的新型结构电池、产业化核心设备以及关键辅助材料的研发利用IBC结构前表面无金属栅线

绒面陷光结构充分地利用了入射光，背部与SHJ和TOPCon技术全钝化接触优势相结合硅基薄膜太阳能电池Part.08硅基薄膜太阳能电池——硅基薄膜太阳能材料08硅基薄膜太阳能材料非晶硅基薄膜材料的结构丧失了严格的周期性和长程序只存在最近邻和次近邻的短程序氢化会使非晶硅的结构发生变化在非晶硅的短程序与晶体硅的长程序之间，存在一个过渡的尺寸区间，被称为中程序

a-Si:H正常网络结构和几种主要的结构缺陷硅基薄膜太阳能电池——硅基薄膜太阳能材料08硅基薄膜太阳能材料微晶硅及纳米硅薄膜材料微晶硅

在通过辉光放电分解硅烷以制备非晶硅的过程中，通过适当提高硅烷的氢稀释度和等离子体功率，制备出了一种具有更高电导率的薄膜，这种薄膜在电子衍射谱中呈现出独特的环状结晶形态由数纳米至数十纳米大小的硅晶粒自镶嵌于氢化非晶硅基质中构成更高的电导率和掺杂效率

更低的电导激活能和光吸收系数具有较窄的能隙和出色的光照稳定性硅基薄膜太阳能电池——硅基薄膜太阳能材料08硅基薄膜太阳能材料微晶硅及纳米硅薄膜材料特点和优势光学带隙宽广拥有高电导率

性质稳定结构分析常用的手段

X射线衍射衍（XRD）光谱拉曼（Raman）散射光谱红外（IR）吸收光谱各种超精细电镜技术微晶硅的两相结构示意图硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理硅基薄膜电池采用了p-i-n结构，其中p层和n层分别是通过硼掺杂和磷掺杂形成的，而i层则是未掺杂的本征材料在无光照的热平衡状态下，p-i-n三层结构中费米能级相同，导带和价在本证层中从p层向n层倾斜形成内建势

为了提高开路电压，通常采用非晶碳化硅合金（a-SiC:H）或微晶硅（μc-Si:H）作为p层材料硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理p-i-n单结非晶硅薄膜太阳能电池

透明导电膜（TCO）：一是允许光线穿透进入电池，二是作为收集电流的电极，即顶电极。在透明导电膜上，依次沉积p层、i层和n层，其中p层通常采用非晶碳化硅合金（a-SiC:H）引入一个缓变碳过渡层，这能有效减少界面态，从而提升填充因子沉积本征非晶硅层，随后在沉积n层在其上沉积背电极：铝和银硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理n-i-p单结非晶硅薄膜太阳能电池在不透明的衬底（如不锈钢和塑料衬底）上，先沉积背反射膜（银/氧化锌（Ag/ZnO）和铝/氧化锌（Ag/ZnO））背反射膜上依次沉积n型，i型和p型非晶硅或微晶硅材料后，在p层上沉积透明导电膜（常用氧化铟锡（ITO））特点：n层可以是非晶硅或微晶硅；n层的沉积参数范围比较宽；微晶硅可以作p层局限性：顶电极上增加金属栅电极，会使减少电池的有效光照面积；ITO材料的较薄，难以形成理想的粗糙绒面结构，限制了其在光散射方面的性能硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理单结非晶锗硅合金薄膜太阳能电池非晶锗硅（a-SiGe:H）合金作为一种本征窄带隙材料成为首选通过调控合金中锗与硅的比例，可以有效地调节材料的禁带宽度材料的禁带宽度随着锗含量的增加而降低，从而提升了该电池对长波长光的响应能力，这通常表现为短路电流的增加，但同时也会导致开路电压降低。硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理单结非晶和微晶混合相薄膜太阳能电池纳米晶：当氢稀释达到一个特定的水平时，材料的结构会从无序的非晶态转变为包含有序排列的纳米级小晶粒纳米晶性质奇特，少量含有纳米晶的材料称为混合相材料，相应的太阳能电池则被称为混合相电池混合相电池的开路电压通常介于非晶硅电池和微晶硅电池之间，会随着材料中纳米晶含量的增减而发生明显变化。硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理单结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理单结微晶硅薄膜太阳能电池采用和非晶硅类似的p-i-n或n-i-p结构，来提高电池对光生载流子的有效收集用增加的本征层厚度的方式，来提高电池的短路电流相对非晶硅电池而言，其对杂质更加敏感一般情况下微晶硅电池的光诱导稳定性较好含有较大比例非晶成分的微晶硅电池，在强光照条件下会产生光衰硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理多结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理多结电池结构最先应用在高效Ⅲ-V族化合物半导体太阳能电池中采用双结或多结的电池结构被用于以非晶硅、非晶锗硅合金和微晶硅为吸收材料的太阳能电池中在长时间光照条件下，非晶硅及非晶锗硅会产生光诱导缺陷在多结电池中每结的厚度都可以相对较薄，有利于提高内建场硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理多结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理先以双结电池为例，多结电池的工作原理双结电池结构是由两个n-i-p结串联而成。在理想情况下整体器件的光电压等于两个子电池光电压之和，而光电流等于两个子电池光电流中较小的一个。而整体器件的填充因子由两个子电池的填充因子和两个子电池光电流的差值来决定。在两个电池的连接处是顶电池的n层和底电池的p层相连，这是一个反向pn结，光电流是以隧道复合的方式流过的。顶电池的n层中的电子通过隧道效应进入底电池p层中与其中的空穴复合，或者是底电池p层中的空穴通过隧道效应进入顶电池的n层中与那里的电子复合硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理多结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理a-Si:H/a-Si:H双结太阳能电池最简单的多结电池顶电池的本征层需要较宽禁带宽度，所以顶电池的本征层在较低的衬底温度下沉积底电池的本征层需要较小禁带宽度，所以底电池的本征层在较高的衬底温度下沉积非晶硅的禁带宽度的可调整的范围很小为了使其底电池有足够的电流，底电池的本征层要比顶电池的本征层厚得多硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理多结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理a-Si:H/a-SiGe:H双结太阳能电池短路电流是限制a-Si:H/a-Si:H双结电池转换效率的主要参数通过调节等离子体中硅烷（或乙硅烷）和锗烷的比率可以调节材料中的锗硅比来调节材料的禁带宽度对于a-Si:H/a-SiGe;H双结电池的底电池，其最佳锗硅比在15%～20%。相应的禁带宽度在1.6eV左右硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理多结硅基薄膜太阳能电池的结构及工作原理a-Si:H/μc-Si:H双结太阳能电池微晶硅电池（μc-Si:H）在长波响应和稳定性方面比非晶锗硅要好为了与底电池的电流相匹配，顶电池的电流要达到13～15mA/cm2，要获得这么高的电流对于本征层的厚度控制要求很高顶电池的填充因子会下降，导致双结电池的转换效率降低。影响双结电池的稳定性硅基薄膜太阳能电池——非晶硅基薄膜太阳能电池结构及工作原理08非晶硅基薄