摘要: 在所有的太陽(yáng)能電池技術(shù)中，硅基異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽(yáng)能電池最引人注目，因?yàn)槠渚哂懈叩霓D(zhuǎn)換效率、簡(jiǎn)單的工藝流程和低的溫度系數(shù)。在HJT太陽(yáng)能電池的制造過程中，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備（PECVD）沉積多層非晶硅層以鈍化硅片的表面，這在元器件的性能表現(xiàn)方面起到至關(guān)重要的作用。使用精曜科技的PECVD設(shè)備在160um厚的絨面常規(guī)n型CZ硅片表面沉積5nm厚的非晶硅鈍化層，我們得到了非常低的表面復(fù)合速率和740mV的潛在開路電壓(iVoc)值。另外，通過RPD設(shè)備沉積透明導(dǎo)電氧化層，可以同時(shí)得到優(yōu)越的光學(xué)特性和電學(xué)特性，提升了器件的電流密度（Jsc）和填充因子（FF），這主要?dú)w功于其具有較高的載子遷移率和較低的自由載子濃度（FCC）。結(jié)合PECVD技術(shù)良好的表面鈍化效果和RPD制備TCO的優(yōu)異表現(xiàn)，我們初步在六英寸電池片上得到了大于21%的轉(zhuǎn)換效率。
關(guān)鍵詞：硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，PECVD，RPD，TCO
1介紹
光伏技術(shù)在產(chǎn)生電能時(shí)可實(shí)現(xiàn)零CO2排放，因此被認(rèn)為是重要的可再生清潔能源，而光伏產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)是讓光伏發(fā)電成本與傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電成本相比具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。近幾年，由于硅片、電池片和組件的產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，光伏發(fā)電成本也出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的下降。因此，降低集成成本（BOS）在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)中的比例也變得更加重要，這意味著高效組件在降低系統(tǒng)成本的過程中將扮演著最重要的角色，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔峁┫嗤娏康那闆r下可以節(jié)約更多的BOS成本。屋頂應(yīng)用受有限的安裝面積所限制，因此高效電池在這方面更發(fā)揮舉足輕重的地位。在所有的太陽(yáng)能電池技術(shù)中，研究硅基異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽(yáng)能電池具有重要的意義，因?yàn)槠渚邆滢D(zhuǎn)換效率高(24.7%)[1], 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 制程溫度低(< 250℃), 工藝步驟少以及溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合背接觸技術(shù)，在商業(yè)化的硅片尺寸上，HJT太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了25.6%的記錄，這在硅基太陽(yáng)能電池技術(shù)中是最高的[2]。
與傳統(tǒng)的P型單晶/多晶太陽(yáng)能電池相比，n型單晶襯底的HJT太陽(yáng)能電池可以得到更高的轉(zhuǎn)換效率，而且只需要很少的工藝步驟。同時(shí)，HJT具有獨(dú)特的無PID（電勢(shì)誘導(dǎo)衰減）和無LID（光致衰退）效應(yīng)保證了光伏組件更可靠和更長(zhǎng)的使用壽命[3,4]。表1總結(jié)了HJT太陽(yáng)能電池和傳統(tǒng)光伏技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)。
2 HJT太陽(yáng)能電池的核心制造設(shè)備
2.1 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積
在生產(chǎn)制造HJT太陽(yáng)能電池的過程中，PECVD扮演著最重要的角色。其不僅決定著對(duì)產(chǎn)品性能起至關(guān)重要作用的鈍化效果，同時(shí)也占據(jù)了最大的設(shè)備成本。非晶硅鈍化層由精曜(蘇州)新能源科技有限公司（Archers）所設(shè)計(jì)的線性群集式ALC-PECVD系統(tǒng)所完成，此系統(tǒng)具有平行板電極結(jié)構(gòu)并采用13.56MHz射頻電源。入光面沉積本征鈍化層（i）并在上面堆疊摻硼的（P）層，背面同樣沉積本征鈍化層（i）并堆疊摻磷的（n）層。鈍化效果通過鍍?cè)诳涛g方向?yàn)?lt;100>的絨面CZ硅片上來評(píng)估，硅片尺寸為156×156mm，并使用Sinton WCT-120進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，也采用未制絨的FZ硅片和橢偏儀來評(píng)估非晶硅層的性質(zhì)。鍍?cè)诮q面上膜層厚度按照常規(guī)的方式由幾何因子1.7來區(qū)分決定[5]。
表面鈍化通過在制絨的CZ硅片上下表面沉積5nm厚的非晶硅本征層來完成。圖1.顯示了在瞬態(tài)模式下測(cè)得的iVoc值和少子壽命值（MCLT）。首先，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了很好的鈍化效果，在六英寸160um厚的整面制絨CZ硅片上得到了741mV 的iVoc值和2.6ms的少數(shù)載子壽命值。精曜科技的線性群集式ALC-PECVD設(shè)備采用的CVD托盤尺寸是1,150mm×1,450mm，如圖2.所示，在整面的托盤上放置平面基板，鍍8nm厚的膜層均勻性可以達(dá)到3.3%，整個(gè)托盤面積上的膜厚均勻性對(duì)于高產(chǎn)能的批量生產(chǎn)至關(guān)重要，而且在連續(xù)5個(gè)運(yùn)行批次中仍可重復(fù)得到值為4.2%良好的膜厚均勻性。
2.2 反應(yīng)等離子沉積(RPD)
入光面的TCO層對(duì)異質(zhì)結(jié)電池起到至關(guān)重要作用，它不僅需要具有良好的電導(dǎo)率以更好地輸出電池功率同時(shí)還需要具有良好的抗反射率及較低的吸收率以利于更多的光投射到下方的半導(dǎo)體層。在蝕刻方向?yàn)?lt;100>的硅片上，具有金字塔形貌的最佳TCO抗反射層膜厚為~70nm，另外,a-Si層的存在限制TCO層的沉積溫度，在TCO膜的沉積過程中可以通過選擇氧氣的流量來調(diào)控載流子的濃度，以得到穿透率與電導(dǎo)率的最佳平衡值。但想要同時(shí)改善電導(dǎo)率和透光率就需要靠增加載流子的遷移率來實(shí)現(xiàn)，但在現(xiàn)有的條件參數(shù)下較難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高效率的HJT電池，歐洲的HETSI項(xiàng)目記錄了前TCO層載流子濃度達(dá)到極限值(n<2×1020cm-3)和電阻率達(dá)到極限值(<5×10-4 Ohm-cm)時(shí),載流子遷移率至少為60cm2/Vs[6]。采用直流（DC）磁控濺射法制備的InOx 層在(<250℃)的溫度下退火得到的TCO膜性質(zhì)與上述標(biāo)準(zhǔn)相比還有較大的差距，如表2所示。
RPD方法不但可得到很高的載流子遷移率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的離子成份[7]來促使膜層在沉積過程中進(jìn)一步晶化。事實(shí)上，在室溫沉積和不需要退火的條件下，可以得到沿著單一方向均勻生長(zhǎng)的有效結(jié)晶膜層[8]，從表2可以發(fā)現(xiàn)其更高的遷移率。氧化銦做為TCO層對(duì)長(zhǎng)波的吸收可以通過Drude模型很好的展現(xiàn)[9]。通過這個(gè)模型，圖3.顯示了在通過調(diào)節(jié)載流子濃度并固定電阻率的情況下載流子遷移率的增加對(duì)吸收率的作用。降低載流子的濃度對(duì)于光線的收集有多重的益處，因?yàn)檎凵渎实母淖兺貙捔丝狗瓷涞膸挕Ｗ詈螅捎赗PD沉積InOx的過程中通過熱蒸發(fā)傳遞給原子的能量遠(yuǎn)小于磁控濺射工藝過程中電壓加速傳遞的動(dòng)量，因此避免了非晶硅界面層受到損傷。
圖3:固定電阻率情況下增加載流子濃度對(duì)TCO膜在波長(zhǎng)1100nm處的吸收作用的影響。在遷移率為30cm2/Vs 起始點(diǎn)處的值是由典型的鍍?cè)诓Ａ想娮杪蕿?×10-4Ohm-cm的100nm的ITO膜得到，其它的一系列值由Drude模型計(jì)算出來。
2.3 器件結(jié)果
如圖4所示，由精曜科技的ALC-PECVD鍍非晶硅層，RPD鍍TCO層和絲網(wǎng)印刷電極所制備的電池的最佳初始值為開路電壓（Voc）713mV和轉(zhuǎn)換效率20.4%。得益于RPD制備得到TCO膜的較低的自由載子吸收率，我們可以得到高達(dá)37.3mA/cm2的Jsc結(jié)果?；谖覀兊挠?jì)算，同時(shí)優(yōu)化絲網(wǎng)印刷工藝可以在保持高的FF的情況下得到超過38mA/cm2的短路電流。
圖4:全尺寸的硅基異質(zhì)結(jié)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的I-V曲線（室內(nèi)測(cè)試）。
經(jīng)過PECVD與RPD的制程優(yōu)化，精曜公司目前在六英寸全尺寸CZ硅晶片已可達(dá)到21.5%的轉(zhuǎn)換效率，并將元件開路電壓(Voc)提升至730mV。相關(guān)結(jié)果將會(huì)在近期整理發(fā)表。
3 結(jié)論
我們討論了制備高轉(zhuǎn)換效率的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵真空工藝設(shè)備。就這一點(diǎn)來說，精曜科技的ALC-PECVD平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鍍膜鈍化效果和膜厚均勻性。只需要鍍5nm厚的本征非晶硅層就可以在絨面的硅片上起到很好的鈍化效果并且得到741mV的iVoc，而且在尺寸為1,150mm×1,450mm托盤上制備的膜層厚度不均勻性低于3.3%，以及在5個(gè)連續(xù)運(yùn)行批次內(nèi)厚度不均勻性仍可保持在4.2%以內(nèi)。結(jié)合精曜科技的ALC-PECVD工藝和RPD鍍高載流子遷移率的TCO膜層以及絲網(wǎng)印刷電極，可以在六英寸全尺寸HJT電池上初步得到超過21%的轉(zhuǎn)換效率。
參考文獻(xiàn)
[1] S. Tohoda et al., in 23th PVSEC, Taiwan, 28-31 October, 2013
[2]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
[3]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2013/01/en130115-2/en130115-2.html
[4] T. Ishiguro et al., in Photovoltaic Module Reliability Workshop, U.S., 26-27 February, 2013
[5] S. De Wolf et al., Green 2, 7, 2012
[6] P.-J. Ribeyron et al., in 26th EuPVSEC, 2011
[7] D.M. Mattox, Handbook of PVD Processing, p. 406, 1998
[8] Z. Lu et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 46, 2013
[9] H. Fujiwara et al., Phys. Rev. B 71, 075109, 2005
[10] Z.C. Holman et al., IEEE J. Photovoltaics 2, 1, 2012
[11] E. Kbayashi et al., 27th EuPVSEC, 2012
關(guān)鍵詞：硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，PECVD，RPD，TCO
1介紹
光伏技術(shù)在產(chǎn)生電能時(shí)可實(shí)現(xiàn)零CO2排放，因此被認(rèn)為是重要的可再生清潔能源，而光伏產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)是讓光伏發(fā)電成本與傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電成本相比具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。近幾年，由于硅片、電池片和組件的產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，光伏發(fā)電成本也出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的下降。因此，降低集成成本（BOS）在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)中的比例也變得更加重要，這意味著高效組件在降低系統(tǒng)成本的過程中將扮演著最重要的角色，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔峁┫嗤娏康那闆r下可以節(jié)約更多的BOS成本。屋頂應(yīng)用受有限的安裝面積所限制，因此高效電池在這方面更發(fā)揮舉足輕重的地位。在所有的太陽(yáng)能電池技術(shù)中，研究硅基異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽(yáng)能電池具有重要的意義，因?yàn)槠渚邆滢D(zhuǎn)換效率高(24.7%)[1], 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 制程溫度低(< 250℃), 工藝步驟少以及溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合背接觸技術(shù)，在商業(yè)化的硅片尺寸上，HJT太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了25.6%的記錄，這在硅基太陽(yáng)能電池技術(shù)中是最高的[2]。
與傳統(tǒng)的P型單晶/多晶太陽(yáng)能電池相比，n型單晶襯底的HJT太陽(yáng)能電池可以得到更高的轉(zhuǎn)換效率，而且只需要很少的工藝步驟。同時(shí)，HJT具有獨(dú)特的無PID（電勢(shì)誘導(dǎo)衰減）和無LID（光致衰退）效應(yīng)保證了光伏組件更可靠和更長(zhǎng)的使用壽命[3,4]。表1總結(jié)了HJT太陽(yáng)能電池和傳統(tǒng)光伏技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)。
2 HJT太陽(yáng)能電池的核心制造設(shè)備
2.1 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積
在生產(chǎn)制造HJT太陽(yáng)能電池的過程中，PECVD扮演著最重要的角色。其不僅決定著對(duì)產(chǎn)品性能起至關(guān)重要作用的鈍化效果，同時(shí)也占據(jù)了最大的設(shè)備成本。非晶硅鈍化層由精曜(蘇州)新能源科技有限公司（Archers）所設(shè)計(jì)的線性群集式ALC-PECVD系統(tǒng)所完成，此系統(tǒng)具有平行板電極結(jié)構(gòu)并采用13.56MHz射頻電源。入光面沉積本征鈍化層（i）并在上面堆疊摻硼的（P）層，背面同樣沉積本征鈍化層（i）并堆疊摻磷的（n）層。鈍化效果通過鍍?cè)诳涛g方向?yàn)?lt;100>的絨面CZ硅片上來評(píng)估，硅片尺寸為156×156mm，并使用Sinton WCT-120進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，也采用未制絨的FZ硅片和橢偏儀來評(píng)估非晶硅層的性質(zhì)。鍍?cè)诮q面上膜層厚度按照常規(guī)的方式由幾何因子1.7來區(qū)分決定[5]。
表面鈍化通過在制絨的CZ硅片上下表面沉積5nm厚的非晶硅本征層來完成。圖1.顯示了在瞬態(tài)模式下測(cè)得的iVoc值和少子壽命值（MCLT）。首先，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了很好的鈍化效果，在六英寸160um厚的整面制絨CZ硅片上得到了741mV 的iVoc值和2.6ms的少數(shù)載子壽命值。精曜科技的線性群集式ALC-PECVD設(shè)備采用的CVD托盤尺寸是1,150mm×1,450mm，如圖2.所示，在整面的托盤上放置平面基板，鍍8nm厚的膜層均勻性可以達(dá)到3.3%，整個(gè)托盤面積上的膜厚均勻性對(duì)于高產(chǎn)能的批量生產(chǎn)至關(guān)重要，而且在連續(xù)5個(gè)運(yùn)行批次中仍可重復(fù)得到值為4.2%良好的膜厚均勻性。
圖1:(左) 潛在開路電壓(iVoc) vs. 輻照密度。在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度下可得到741mV的iVoc; 右）少子壽命 vs. 少數(shù)載流子濃度。少數(shù)載子濃度（MCD）為2E15時(shí)的少子壽命為2.6ms。
圖2:鍍8nm厚的膜層在整面CVD托盤內(nèi)的均勻性可達(dá)3.3%
圖2:鍍8nm厚的膜層在整面CVD托盤內(nèi)的均勻性可達(dá)3.3%
2.2 反應(yīng)等離子沉積(RPD)
入光面的TCO層對(duì)異質(zhì)結(jié)電池起到至關(guān)重要作用，它不僅需要具有良好的電導(dǎo)率以更好地輸出電池功率同時(shí)還需要具有良好的抗反射率及較低的吸收率以利于更多的光投射到下方的半導(dǎo)體層。在蝕刻方向?yàn)?lt;100>的硅片上，具有金字塔形貌的最佳TCO抗反射層膜厚為~70nm，另外,a-Si層的存在限制TCO層的沉積溫度，在TCO膜的沉積過程中可以通過選擇氧氣的流量來調(diào)控載流子的濃度，以得到穿透率與電導(dǎo)率的最佳平衡值。但想要同時(shí)改善電導(dǎo)率和透光率就需要靠增加載流子的遷移率來實(shí)現(xiàn)，但在現(xiàn)有的條件參數(shù)下較難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高效率的HJT電池，歐洲的HETSI項(xiàng)目記錄了前TCO層載流子濃度達(dá)到極限值(n<2×1020cm-3)和電阻率達(dá)到極限值(<5×10-4 Ohm-cm)時(shí),載流子遷移率至少為60cm2/Vs[6]。采用直流（DC）磁控濺射法制備的InOx 層在(<250℃)的溫度下退火得到的TCO膜性質(zhì)與上述標(biāo)準(zhǔn)相比還有較大的差距，如表2所示。
RPD方法不但可得到很高的載流子遷移率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的離子成份[7]來促使膜層在沉積過程中進(jìn)一步晶化。事實(shí)上，在室溫沉積和不需要退火的條件下，可以得到沿著單一方向均勻生長(zhǎng)的有效結(jié)晶膜層[8]，從表2可以發(fā)現(xiàn)其更高的遷移率。氧化銦做為TCO層對(duì)長(zhǎng)波的吸收可以通過Drude模型很好的展現(xiàn)[9]。通過這個(gè)模型，圖3.顯示了在通過調(diào)節(jié)載流子濃度并固定電阻率的情況下載流子遷移率的增加對(duì)吸收率的作用。降低載流子的濃度對(duì)于光線的收集有多重的益處，因?yàn)檎凵渎实母淖兺貙捔丝狗瓷涞膸挕Ｗ詈螅捎赗PD沉積InOx的過程中通過熱蒸發(fā)傳遞給原子的能量遠(yuǎn)小于磁控濺射工藝過程中電壓加速傳遞的動(dòng)量，因此避免了非晶硅界面層受到損傷。
圖3:固定電阻率情況下增加載流子濃度對(duì)TCO膜在波長(zhǎng)1100nm處的吸收作用的影響。在遷移率為30cm2/Vs 起始點(diǎn)處的值是由典型的鍍?cè)诓Ａ想娮杪蕿?×10-4Ohm-cm的100nm的ITO膜得到，其它的一系列值由Drude模型計(jì)算出來。
2.3 器件結(jié)果
如圖4所示，由精曜科技的ALC-PECVD鍍非晶硅層，RPD鍍TCO層和絲網(wǎng)印刷電極所制備的電池的最佳初始值為開路電壓（Voc）713mV和轉(zhuǎn)換效率20.4%。得益于RPD制備得到TCO膜的較低的自由載子吸收率，我們可以得到高達(dá)37.3mA/cm2的Jsc結(jié)果?；谖覀兊挠?jì)算，同時(shí)優(yōu)化絲網(wǎng)印刷工藝可以在保持高的FF的情況下得到超過38mA/cm2的短路電流。
圖4:全尺寸的硅基異質(zhì)結(jié)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的I-V曲線（室內(nèi)測(cè)試）。
經(jīng)過PECVD與RPD的制程優(yōu)化，精曜公司目前在六英寸全尺寸CZ硅晶片已可達(dá)到21.5%的轉(zhuǎn)換效率，并將元件開路電壓(Voc)提升至730mV。相關(guān)結(jié)果將會(huì)在近期整理發(fā)表。
3 結(jié)論
我們討論了制備高轉(zhuǎn)換效率的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵真空工藝設(shè)備。就這一點(diǎn)來說，精曜科技的ALC-PECVD平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鍍膜鈍化效果和膜厚均勻性。只需要鍍5nm厚的本征非晶硅層就可以在絨面的硅片上起到很好的鈍化效果并且得到741mV的iVoc，而且在尺寸為1,150mm×1,450mm托盤上制備的膜層厚度不均勻性低于3.3%，以及在5個(gè)連續(xù)運(yùn)行批次內(nèi)厚度不均勻性仍可保持在4.2%以內(nèi)。結(jié)合精曜科技的ALC-PECVD工藝和RPD鍍高載流子遷移率的TCO膜層以及絲網(wǎng)印刷電極，可以在六英寸全尺寸HJT電池上初步得到超過21%的轉(zhuǎn)換效率。
參考文獻(xiàn)
[1] S. Tohoda et al., in 23th PVSEC, Taiwan, 28-31 October, 2013
[2]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
[3]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2013/01/en130115-2/en130115-2.html
[4] T. Ishiguro et al., in Photovoltaic Module Reliability Workshop, U.S., 26-27 February, 2013
[5] S. De Wolf et al., Green 2, 7, 2012
[6] P.-J. Ribeyron et al., in 26th EuPVSEC, 2011
[7] D.M. Mattox, Handbook of PVD Processing, p. 406, 1998
[8] Z. Lu et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 46, 2013
[9] H. Fujiwara et al., Phys. Rev. B 71, 075109, 2005
[10] Z.C. Holman et al., IEEE J. Photovoltaics 2, 1, 2012
[11] E. Kbayashi et al., 27th EuPVSEC, 2012