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钝化接触太阳能电池

编辑: 李阳 来源: pv-tech 发表时间: 2015-07-06 已浏览 字号:

  既然SiNx已经在电池正面证明有诸多好处,那能否在背面继续使用这一材料呢。答案是否定的,上面已经提到,SiNx钝化的机制之一在于利用其正电荷减少正面n型区的少子浓度,可是到了p型的背面,其正电荷将有可能在背面诱导形成一层n型反转层(inversion layer),这会造成背面的旁路损失,影响电流,降低电压和填充因子。

  那么问题来了,钝化背面究竟哪家强呢?在欧洲几家研究机构的努力下,一种对光伏研究人员并不陌生的材料的又一次走到台前,那就是氧化铝(AlOx)。其不但像SiNx一样可以钝化表面缺陷,还拥有与SiNx相反的负电荷,正是因为这一点,在p型硅背面使用AlOx钝化层,不但不会形成反转层造成漏电,反而会增加p型硅中多子浓度,降低少子浓度,从而降低表面复合速率。不过AlOx的使用也需要伴随这工艺的改进和设备的进步,例如解决高速沉积AlOx的问题,氧化铝本身的不稳定性以及良品率较低等问题。

  钝化接触,第三次进化

  PERC以及PERL结构的电池已经拥有相对完善的表面钝化结构,不过将背面的接触范围限制在开孔区域,除了增加了工艺的复杂度外,开孔的过程采用不同的工艺还会对周围的硅材料造成不同程度的损伤,这也额外的增加了金属接触区域的复合。由于开孔限制了载流子的传输路径,使之偏离垂直于接触面的最短路径并拥堵在开口处,增大了填充因子的损失。有没有一种办法即能降低表面复合,又无需开孔呢。这就需要提到近几年呼声高涨的钝化接触(Passivated Contact)技术。

  假设美高梅官方网站能找到这样一种材料或结构,其满足(1)拥有良好的表面钝化效果;(2)分离准费米能级;(3)可以高效传输一种载流子。那么就可以把这一结构用于电池的表面,形成即满足钝化要求,又无需开孔即可传输电流的钝化接触。

  德国弗劳恩霍夫太阳能研究所已经开发出一项名为TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact,隧穿氧化层钝化接触)的技术。研究人员首先在电池背面用化学方法制备一层超薄氧化硅,然后再沉积一层掺杂硅薄层,二者共同形成了钝化接触结构,这两层材料为硅片的背面提供了良好的表面钝化,而由于氧化层很薄,硅薄层有掺杂,多子可以穿透这两成钝化层,而少子则被阻挡,如果在其上再沉积金属,就可以得到无需开孔的钝化接触。这一技术的详细信息美高梅官方网站将在下文中讨论。

  不过这样的钝化接触只能用在电池背面吗,如果用在正面会怎样?

  没有扩散PN结的太阳能电池

  其实这并非一个新鲜的问题,虽然钝化接触电池这一说法近两年才出现,但其所描述的结构确实不折不扣的早已为科学家们所研究。这种通过外加材料和结构弯曲能带,而非电池吸取层本身掺杂,来实现对载流子选择性通过的表面接触设计,美高梅官方网站称为选择性接触(Selective Contact)电池,而这一设计与美高梅官方网站传统认识中的通过扩散得到PN结的电池有根本的不同。

  虽然美高梅官方网站现在常见的电池有高温扩散得到的PN结,而PN结的内建电场被认为是分离光生载流子并让太阳能电池发电的动力。而其实太阳能电池并不一定必须要有明确的PN结。上世纪70年代,Martin Green教授就提出了无需扩散PN结的金属--绝缘层--半导体(MIS)结构太阳能电池。1985年,Eli Yablonovitch教授就提出理想的太阳能电池应该是“采用两个异质结来设计”,即将吸取材料置于两个宽带隙材料之间。而SunPower的创始人之一Richard Swanson博士也在10年前预测接近理论效率的晶硅太阳能电池应“在硅和金属之间,放置一层宽带隙材料构成异质结”。这些结构都指向选择性接触电池。

  假设中间是吸取材料,左右两侧分别是空穴电极和电子电极,而电极与吸取材料之间则是选择性传输层,左侧为空穴传输层,右侧为电子传输层。由于选择性接触材料自身带隙、逸出功和费米能级的影响,吸取材料能带被迫弯曲,这使得只有与选择性传输层对应的载流子才能流向并穿透界面,同时排斥另一种载流子,进而降低了表面载流子浓度,从而带来了良好的表面钝化效果。

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