利用太陽(yáng)能發(fā)電的太陽(yáng)電池中，晶硅電池的光伏市場(chǎng)占有率達(dá)到90%左右，而到目前為止，單晶硅太陽(yáng)電池又是晶硅電池中的領(lǐng)跑者，其效率一直處于單結(jié)太陽(yáng)電池效率的領(lǐng)先水平，目前最高效率已達(dá)到26.6%。
單晶硅是制備高效太陽(yáng)電池的理想選擇，具有晶體結(jié)構(gòu)完美、禁帶寬度合適、儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)。此外，N型單晶硅還具有純度高、雜質(zhì)少、晶界位錯(cuò)缺陷低、少子壽命高以及電阻率易控等優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)前研究的高效晶硅太陽(yáng)電池主要包括鈍化發(fā)射極背場(chǎng)點(diǎn)接觸(PERC)太陽(yáng)電池、鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散(PERL)太陽(yáng)電池、硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽(yáng)電池、背接觸硅異質(zhì)結(jié)(HBC)太陽(yáng)電池、交叉指式背接觸(IBC)太陽(yáng)電池、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽(yáng)電池及多晶硅氧化物選擇鈍化接觸(POLO)太陽(yáng)電池等，大面積制備上皆已達(dá)到了23%以上超高效率(如表1所示)。
表1 基于隧穿氧化物鈍化接觸的高效晶體硅太陽(yáng)電池的研究簡(jiǎn)況表
相較于多晶硅太陽(yáng)電池，單晶硅太陽(yáng)電池具有良好的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。而由于硅片制造工藝的不斷推陳出新，單晶硅太陽(yáng)電池的制造成本持續(xù)下降，效率也不斷提升。
據(jù)模擬計(jì)算，本征異質(zhì)結(jié)(HIT)太陽(yáng)電池的極限效率為27.5%，PERC太陽(yáng)電池的極限效率為24.5%，而基于TOPCon結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池具有更高的效率極限(28.2%-28.7%)，同時(shí)也最接近晶體硅太陽(yáng)電池理論極限效率(29.43%)。
通常認(rèn)為太陽(yáng)電池中電流產(chǎn)生的內(nèi)在動(dòng)力是由PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)分離光生載流子形成，因?yàn)楫?dāng)能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光照射在PN結(jié)表面時(shí)，會(huì)破壞原先由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)平衡，從而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)并在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離，所以會(huì)形成光生電流，而現(xiàn)在有些研究人員認(rèn)為只要破壞平衡的費(fèi)米能級(jí)，形成準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)梯度，就能產(chǎn)生電流。
不同類型載流子在吸收層兩側(cè)接觸區(qū)域的電導(dǎo)率是不同的，這使得分離開(kāi)的光生電子和空穴分別向不同的方向輸送，載流子的輸運(yùn)過(guò)程如圖1所示。
圖1 鈍化接觸太陽(yáng)電池中載流子的輸運(yùn)過(guò)程
吸收層中受光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴分別沿導(dǎo)帶和價(jià)帶傳輸。理想情況下，圖1中電子和空穴分別通過(guò)左側(cè)電子接觸和右側(cè)空穴接觸到達(dá)外電路。一般用復(fù)合電流密度(J0c)和接觸電阻率(ρc)兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量載流子選擇性鈍化接觸性能的好壞。ρc代表鈍化接觸對(duì)多子的輸出能力，即電子接觸區(qū)對(duì)電子(多子)電流的電阻損耗。而J0c用來(lái)表明鈍化接觸對(duì)少子的阻擋能力，是由部分少子空穴移到電子接觸區(qū)并與多子電子的復(fù)合產(chǎn)生的。
TOPCon電池中載流子的輸運(yùn)過(guò)程
TOPCon電池基于載流子選擇性收集鈍化接觸結(jié)構(gòu)，通過(guò)在電池背面制備由隧穿氧化硅層和重?fù)诫s硅薄膜層組成的疊層來(lái)形成。由于超薄氧化硅和重?fù)诫s硅薄膜良好的鈍化效果使得硅片表面能帶產(chǎn)生彎曲(如圖2所示)從而形成場(chǎng)鈍化效果，電子隧穿的幾率大幅增加，ρc也隨之大幅降低。
由于優(yōu)異的載流子選擇性鈍化接觸性能，使得用TOPCon技術(shù)制備的晶硅電池效率已達(dá)到26%以上。
對(duì)于超薄隧穿氧化層，目前學(xué)術(shù)界存在兩種載流子傳輸理論。第一種是量子隧穿效應(yīng)。第二種是針孔理論。
TOPCon太陽(yáng)電池常見(jiàn)的隧穿氧化層制備方法
圖3展示了實(shí)驗(yàn)室利用臭氧氧化法制備氧化硅的原理。
圖 3??汞蒸氣燈的示意圖和反應(yīng)機(jī)理
其優(yōu)點(diǎn)為制備效果好、可用于大規(guī)模生產(chǎn)，但存在維護(hù)運(yùn)行成本高的問(wèn)題。
不同氧化層制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。
表?2??氧化層制備方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
圖 4??三種氧化法制備的TOPCon對(duì)稱鈍化結(jié)構(gòu)在不同的氧化時(shí)間和退火溫度后的iVoc
6種不同制備隧穿氧化層的方法：WCO-HCl (80 ℃的稀鹽酸溶液氧化)，WCO-NAOS(沸騰的硝酸溶液氧化)，PO(300℃，PECVD中N2與O2混合氣體的等離子體氧化)，TPO(高真空RF系統(tǒng)，中性原子氧等離子體氧化)，TO(850℃熱氧化)，RTO(950 ℃中氬氣與氧氣混合，快速熱氧化)。
如圖5所示，通過(guò)XPS擬合得到化學(xué)計(jì)量比，可以觀察到除了熱氧化(TO)，其余5種方法都對(duì)低價(jià)氧化硅(Si+，Si2+，Si3+)的形成有著很好的抑制作用。
圖 5??不同氧化法得到氧化層的XPS光譜 (a) SiOx/Si界面的Si 2p光譜及擬合厚度; (b)不同氧化技術(shù)得到的SiOx層的化學(xué)計(jì)量比
TOPCon太陽(yáng)電池?fù)诫s層的制備
對(duì)于摻雜硅層，一般有三種制備方法。其中有兩種屬于化學(xué)氣相沉積(cCVD)方法：低壓化學(xué)氣相沉積(lLPCVD)法和PECVD法。而還有一種濺射法是屬于物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)方法。不同摻雜層制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。
?表3?摻雜層制備方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
用LPCVD和POCl3擴(kuò)散法制備的poly-Si接觸太陽(yáng)電池，最高效率為21.5%。此外，離子注入法在i-poly-Si層上形成n+摻雜的多晶硅接觸太陽(yáng)電池，其效率最高，達(dá)到21.2%。
使用PECVD制備的N型TOPCon電池效率達(dá)到了25.7%，同年制備的P型TOPCon電池效率達(dá)到了24.3%。
通過(guò)對(duì)離子注入方法制備的多晶硅與傳統(tǒng)n+c-Si進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，可發(fā)現(xiàn)使用離子注入的方法制備多晶硅會(huì)帶來(lái)很高的復(fù)合，這種復(fù)合是由多晶硅和BBr3擴(kuò)散的c-Si發(fā)射極之間的p+n+結(jié)引起的，從而使最終的電池效率達(dá)到23.35%。
圖 6??研究的電池結(jié)構(gòu) (a)具有N+多晶硅BSF的N- RISE BJBC電池; (b)具有常規(guī)c-Si BSF的參考N-RISE BJBC電池
使用濺射法制備了P型TOPCon電池，最終效率做到23%。
后續(xù)的晶化處理可以使摻雜硅層晶化率提高，提高器件的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)可以減少摻雜硅層對(duì)光子的吸收，提高器件的量子效率。
采用快速熱退火(RTA)制備的TOPCon電池效率達(dá)到了23.04%，其主要優(yōu)點(diǎn)是將整個(gè)結(jié)晶時(shí)間縮短到約15 min，比傳統(tǒng)的 > 60 min的管式爐退火時(shí)間短，。
對(duì)于低摻雜多晶硅，通過(guò)提升退火溫度和增加退火時(shí)間，使iVoc達(dá)到最大值734 mV。而對(duì)于重?fù)诫s多晶硅，因?yàn)樵谳^高退火溫度情況下磷在擴(kuò)散過(guò)程中的俄歇復(fù)合速率增加，使iVoc下降，通過(guò)調(diào)節(jié)退火溫度，最終獲得21.1%的太陽(yáng)電池效率。
02ploy-Si，ploy-SiCx和ploy-SiOx摻雜層的對(duì)比
當(dāng)前TOPCon電池基本使用ploy-Si作為摻雜層，先由CVD的方法沉積一層a-Si:H再經(jīng)過(guò)退火處理使a-Si:H轉(zhuǎn)變?yōu)閜loy-Si，從而使得結(jié)晶度得到了極大的提升，并使得摻雜激活，有效摻雜效率提升，同時(shí)導(dǎo)電性也得到極大提升。
通過(guò)調(diào)節(jié)CH4和SiH4之間氣體流量比R和退火溫度，發(fā)現(xiàn)ploy-SiCx的光學(xué)帶隙隨著R的增大而增大，但結(jié)晶率有所下降，不過(guò)這可以通過(guò)高溫退火來(lái)得到改善。
如圖7所示，最后對(duì)頂部/背部TOPCon太陽(yáng)電池具有ploy-SiOx與ploy-Si相比，在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)EQE明顯改善，效率提高了0.9%，達(dá)到20.17%。
圖7 (a)具有poly-Si后接觸和poly-SiCx前接觸的TOPCon太陽(yáng)電池光照下的電流-電壓(Ⅳ)曲線; (b)具有不同窗口層的太陽(yáng)電池的外部量子效率(EQE)
而用PECVD技術(shù)，通過(guò)在材料沉積過(guò)程中改變O含量來(lái)控制ploy-SiOx材料的結(jié)晶度及其吸收系數(shù)，同時(shí)還能增大SiOx的光學(xué)帶隙，使其對(duì)長(zhǎng)波段的光透過(guò)率更好，最終應(yīng)用到IBC電池上的效率達(dá)到19.7%。
深發(fā)射極的屏蔽能力與刻蝕深度的關(guān)系不大。這使得當(dāng)J0con ≤ 1000 fA/cm2時(shí)金屬化層能夠深入發(fā)射極，獲得低接觸電阻和高FF和VOC。
并探究了發(fā)射極深度與iVoc與VOC的差異的關(guān)系，隨著深度的增大，發(fā)射極可以更有效地屏蔽少數(shù)載流子到達(dá)金屬觸點(diǎn)，在降低VOC損耗方面起著關(guān)鍵作用。最終通過(guò)優(yōu)化發(fā)射極和金屬模式使硒電池的平均絕對(duì)效率提高了0.24%，最高效率為20.7%。
Al2O3的主要優(yōu)點(diǎn)來(lái)自其作為化學(xué)鈍化SiOx缺陷的氫源的作用，并且Al2O3層對(duì)聚Si/SiOx的氫化作用優(yōu)于氣體退火。用Al2O3處理可以得到更高的開(kāi)路電壓(即VOC)從而得到良好的鈍化表面，未來(lái)幾代高效大體積c-Si模塊可能會(huì)利用這一技術(shù)。而在用Al2O3:H鈍化TOPCon電池表面也獲得了良好的效果。
隧穿氧化物鈍化接觸的高效晶體硅太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展
TOPCon電池，如圖8所示，其采用了N型FZ硅片，正面采用普通金字塔制絨、硼擴(kuò)散、ALD法制備氧化鋁加PECVD法制備氮化硅鈍化疊層起到鈍化和減反射效果，背面為T(mén)OPCon結(jié)構(gòu)，最終電池Voc達(dá)到690.4 mV，F(xiàn)F也達(dá)到81.9%。為
圖8 隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖
了進(jìn)一步提高效率，通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，最終獲得的Voc達(dá)到700 mV，F(xiàn)F為82%，效率達(dá)到23.7%。
對(duì)比在相同工藝條件下，TOPCon結(jié)構(gòu)中載流子的一維傳輸特性相比于PERC電池中載流子三維傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。并通過(guò)將背電極用Ag電極代替了Ti電極，改善了由于Ti電極較強(qiáng)的光寄生吸收而導(dǎo)致的短路電流密度(sJSC)下降，最終TOPCon太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.4%。
2017年，在中國(guó)第17屆全國(guó)光伏大會(huì)上，英利公司宣布他們?cè)谛茇?PANDA)電池的基礎(chǔ)上引進(jìn)了TOPCon結(jié)構(gòu)，如圖9所示，并對(duì)氧化層和摻雜層進(jìn)行了工藝優(yōu)化，使得PANDA-TOPCon太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率在156 cm × 156 cm的大面積N型硅片上達(dá)到了21.6% 。
圖9 PANDA-TOPCon結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖
中國(guó)中來(lái)光電股份公司則將TOPCon結(jié)構(gòu)與N型雙面電池相結(jié)合，并在2018年上半年宣布將其N型雙面TOPCon太陽(yáng)電池的平均轉(zhuǎn)換效率提升至22.5%，最高效率達(dá)到23.05%，雙面率達(dá)到80.65%。
同時(shí)與TOPCon結(jié)構(gòu)相似的POLO太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)如圖10所示，他們都是氧化層與多晶硅的結(jié)合，且生長(zhǎng)氧化層的方法基本相同，不同在于POLO電池在兩面都生長(zhǎng)氧化層，并分別生長(zhǎng)p+，n+多晶硅，且在使用離子注入形成p+，n+多晶硅時(shí)會(huì)形成p+，n+c-Si。
圖10 POLO電池的基本結(jié)構(gòu)圖
在N型POLO(和P型POLO)樣品上，使用選擇性激光燒蝕(LASA)工藝，當(dāng)激光接觸開(kāi)口面積分?jǐn)?shù)為12.3%(8.7%)時(shí)，J0c密度為2 fA/cm2(6 fA/cm2)和iVoc為733 mV(727 mV)。該燒蝕工藝在叉指背接觸式太陽(yáng)電池中的應(yīng)用，可獲得26.1%的功率轉(zhuǎn)換效率，而這是P型晶體硅太陽(yáng)電池的世界紀(jì)錄效率。
利用數(shù)值模擬的方法研究了P型和N型多晶硅鈍化接觸在P型TOPCon太陽(yáng)電池上的應(yīng)用。利用自由能損失分析(FELA)對(duì)相應(yīng)的能量損失路徑進(jìn)行了分類。明確了N型多晶硅鈍化接觸的后結(jié)太陽(yáng)電池由于表面鈍化效果更好，正面金屬化陰影較少，產(chǎn)生的內(nèi)部功率更大，但效率潛力受到最先進(jìn)的P型直拉硅(Cz)晶片的低壽命限制。
因此，當(dāng)P型Cz硅的壽命小于350 μs時(shí)，作為背場(chǎng)的P型多晶硅鈍化接觸更為有利，長(zhǎng)期來(lái)看，P型硅片的壽命可能成為高效率多晶硅鈍化接觸太陽(yáng)電池的瓶頸。最后通過(guò)對(duì)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、P型硅片的壽命和電阻率，以及多晶硅鈍化的鈍化質(zhì)量和接觸電阻的研究，模擬設(shè)計(jì)出，P型多晶硅和N型多晶硅作為背場(chǎng)的后結(jié)鈍化接觸的P型TOPCon太陽(yáng)電池將分別獲得約24.43%和24.90%的優(yōu)良效率。
TOPCon太陽(yáng)電池有著優(yōu)良的鈍化特性以及與產(chǎn)業(yè)鏈的良好兼容特性，具有巨大的潛力。對(duì)于重?fù)诫s多晶硅層，現(xiàn)有的LPCVD、PECVD技術(shù)具有工藝復(fù)雜、污染環(huán)境、成本高等問(wèn)題，而最新研究的濺射法制備的TOPCon電池效率又遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方式，所以我們要繼續(xù)探究新的環(huán)保節(jié)能的制備方式。
氧化層的制備也有多種方式，需要通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、效率成果等進(jìn)行比較使用，對(duì)于使用PECVD等離子體制備方法，現(xiàn)在只有使用N2O，未來(lái)可以使用多種含氧氣體進(jìn)行研究。
未來(lái)TOPCon電池在大面積的工業(yè)生產(chǎn)上也會(huì)得到更好的應(yīng)用，將逐漸取代當(dāng)前的PERC電池；在效率方面也將逐步接近硅基太陽(yáng)電池理論極限。此外，TOPCon電池的全區(qū)域鈍化也能很好地與鈣鈦礦電池結(jié)合成疊層電池，成為未來(lái)太陽(yáng)電池效率提升的重要途徑。
來(lái)源：基于隧穿氧化物鈍化接觸的高效晶體硅太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀與展望
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