N 型电池类型与晶体制备方法的研究进展_孙李媛

DOI：10.16056/j.1005-7676.2016.02.0052）能源研究与管理2016（

窑19窑N型电池类型与晶体制备方法的研究进展

孙李媛1，刘海2，刘林艳2，罗成龙1，任舒平3（1.江西省科学院能源研究所，南昌330096；2.江西赛维LDK太阳能有限公司，江西新余338032；3.江西省科学院，南昌330096）摘要：基于N型电池的机遇与技术工艺路线、成本的调查，了解现有主要N型电池厂家的现状，分析N型单晶硅的现有与潜在需求；根据2009—2014年间关于N型单晶硅片的制作经验，分析N型单晶硅材料的品质、制造技术与成本之间的关系；分析N型硅片与电池的发展方向。关键词：N型电池；前发射极；背发射极；N型单晶中图分类号：TK519文献标志码：A

文章编号：1005－7676（2016）02－0019－04SUNLiyuan1,LIUHai2,LIULinyan2,LUOChenglong1,RENShuping3（1.InstituteofEnergyofJiangxiAcademyofScience,Nanchang330096,China;2.JiangxiLDKSolarEnergyCo.,Ltd.,Xinyu338032,Jiangxi,China;3.JiangxiAcademyofSciences,Nanchang330096,China）

BasedonthesurveyofNtypesolarcell'sopportunities,technologicalprocessandcost,understandingthestatusoftheexistingmainntypecellmanufacturers,theexistingandpotentialdemandofNtypesinglecrystalsiliconwereanalyzed.AccordingtotheproductionexperienceofNtypesiliconwaferfrom2009to2014,thematerialqualityofNtypesinglecrystalsilicon,andtherelationshipbetweentechnologyandcostwereanalyzed.Thedevelopmentdirectionofn-typewafersandcellswasalsoanalyzed.Ntypesolarcell;frontsideemitter;backsideemitter;Ntypesinglecrystal11.1

N型电池N型电池的优势

众所周知，相比于现在被普及应用的掺硼P型

的影响。这主要是因为N型的少数载流子为空穴，大多数杂质原子金属对空穴的俘获截面小于P型少子电子。2）N型晶体硅可以尽可能的减少硼的浓度，从而可以避免B-O复合体的形成。不仅可以提高硅材料的少子寿命，同时在电池中不会出现光致衰减。3）N型晶硅电池被认为有更好的弱光效应。4）相同浓度的掺杂，N型硅材料有更高的导电率。5）N型电池更趋向于应用更薄的硅片，这与硅片的

晶体硅，N型晶体硅是一种更优秀的电池衬底材

料[1]。被公认的优势主要体现在以下几方面：1）N型晶体硅材料有更高的少数载流子寿命，且可以承受更高浓度的金属杂质或缺陷等复合中心

收稿日期：2016-01-18基金项目：国家自然科学基金项目（51366004，51408278）；江西省自然科学基金面向项目（20132BAB206002）作者简介：孙李媛（1983—），女，湖南郴州人，助理研究员，硕士，毕业于中南大学，凝聚态物理专业，主要研究方向：能源低碳、太阳能。窑20窑2）能源研究与管理2016（

综合论述

发展趋势是相同的。

事实上1954年在贝尔实验室被发明的第1片太阳能电池片，就是以N型硅为衬底制作的。尽管如此，但直到20世纪80年代，主要电池片的研究与发展都是基于P型硅衬底的。其原因是，当时太阳能电池的主要工业应用是在卫星或宇宙飞船上，太空中的强宇宙射线对N型电池片造成衰减。地面上的电池应用显然不存在宇宙射线的辐射，因此N型电池越来越受青睐，根据InternationalTechnologyRoadmapforPhotovoltaics预测，到2015年时N型硅单晶电池将占据30%的硅单晶电池的比例。最近报道的Panasonic公司的大面积HIT电池以24.7%的效率打破了世界记录。1.2N型电池的技术路线分析1.2.1N型电池分类

现行市场和工业研究平台上的N型硅电池工艺与技术很多[1-3]，从结构上上可以归类为以下3种[4]。1）硼前发射极与普通栅线的结构。忽略细节差异，该工艺大体上与普通P型电池工序相通，只是发射极扩散成P+从而形成P型发射极。如图1所示，N型电池市场上的英利PANDA与三洋HIT电池均属于此列，只是扩散、钝化等工艺不同。

p型钝化介质膜

p型金属电极

硼扩散p+发射极

n型基体

n++背表面场

n型金属电极n型钝化介质膜

图1

硼前发射极电池结构示意图

2）背发射极与普通栅线的结构。利用铝背场与N型基体构成PN结内电场，形成电池结构。如图2所示，大致上可以理解为与现行P型电池工艺相同。

n型钝化介质膜n型金属电极

n++n型基体

前表面场

铝合金p+发射极p型钝化介质膜

铝

铝

（a）不带背表面钝化介质膜

（b）带背表面钝化介质膜

图2

背面发射极与普通栅线结构的电池示意图

3）背发射极与全背电极的结构。如图3所示，

IBC电池的背表面由硼扩散p++区域和磷扩散n++区域交错分布，表面覆盖SiO2钝化介质膜，p型和n型金属电极透过SiO2介质膜上的孔槽与硅基体接触。如Sunpower公司的IBC电池可以归为该类型。

正面

减反膜制绒SiO2钝化n+前表面场扩散SiO2接线孔

n型基底n+扩散层p+扩散层SiO金属栅线2钝化（n）

金属栅线

（p）背面

间距

图3

背发射极与背电极的电池结构示意图

1.2.2不同N型电池结构优势与局限性分析与对比

结构上分析主要对比2点：1）前发射极与背发射极的对比；2）全背接触与普通H形状栅线接触电极的对比。

1.2.2.1前发射极与背发射极的对比

当发射极在背面时，电池正面被光激发的载流子需要穿越一个硅片的厚度才能达到PN结区，因此被发射极的电池需要应用更高少子寿命的硅晶体做衬底。

中山大学的杨灼坚等用PC1D软件模拟了厚度200滋m、体电阻率3赘·cm的硅片为衬底的电池见图4），结果表明，除表面复合速度（钝化工艺）以及方阻（扩散工艺）等对效率影响明显之外，背发射极的电池对衬底材料的体少子寿命更为敏感。当少子寿命从1000滋s减少到100滋s时，电池绝对效率降低了4%（前发射极降低仅为1.5%）。值得注意的是，如果硅片厚度降低，对背发射极的结构的电池是有好处的，而这与硅片更薄的发展趋势相合。

1.2.2.2全背接触与普通H形状栅线接触电极对比

从结构上分析，全背接触电极的电池正面没有电极覆盖，可以最大面积的吸收太阳光提高短路电流，也可以实现更好的钝化与陷光效果；此外，由于电极在背面，不带来遮光的影响，可以降低金属电极的串联电阻。如Sunpower公司的IBC电池，最高效率达到了24.2%。

因为背部可以设计为栅线结构从而可以吸收阳光，H形状的普通栅线电极的一个优势是可以设计成双面电池。如英利的Panda电池与Sanyo公司的HIT电池，最新报道Panasonic公司的HIT电池效率达到了24.8%。

（综合论述

=1000滋s，SH=45赘/阴b=1000滋s，SH=60赘/阴b=1000滋s，SH=120赘/阴b=100滋s，SH=120赘/阴

b2）能源研究与管理2016（

窑21窑不过这2种接触式的优劣并非那么绝对，如采

用MWT技术的类似于普通栅线电池即有背接触电极的优势，而Sunpower公司最新研究generation3的IBC电池也有部分双面电池的效果（如图5和图6所示）。

1.2.3市场上的主要N型电池与技术介绍

21.020.0市场上的N型电池片供应商主要有Sunpower（IBC）、Sanyo（HIT）以及Yingli（PANDA）这3家，分别代表了已经商业化的3种电池技术：集成背接触被发射极、前发射的极异质结、热扩散的前发射极N型电池技术。

如前所述，Sunpower公司的IBC电池技术优势在于其正表面可以更好的吸收阳光并更好的被钝化。报导的GENⅢ电池（图6）对比GENⅡ（图3），有更高的效率和更低的成本。不同之处主要有：优化了前表面场的扩散与钝化效果；加大了背面电极间距，从而使间隙处可以吸收阳光，部分地实现了双面电池的效果；优化扩散增加了背面发射极的复合等。从而提高了开路电压（达730mV），使电池平均效率提高到23.6%，最高达24.2%。该报导也指出，GenⅢ电池效率与硅片少子寿命关系极为密切，当衬底少子降低到2ms以下时，电池效率降低至23%以下。

相比IBC需要局部重掺局部氧化的极精细的工序，HIT电池工艺更简易一些。除此之外，其优势

）工艺可以有效减少主要有：低温的（扩散与钝化对硅片材料性能的影响；异质结的琢-Si可以很好的

102104R19.018.0010102104F106/(cm·s-1)108前表面复合速率

（a）前发射极结构电池

bbbbb=1000滋s，SH=45赘/阴，R=105cm/s=1000滋s，SH=60赘/阴，R=105cm/s=1000滋s，SH=60赘/阴，R=103cm/s=1000滋s，SH=120赘/阴，R=103cm/s=100滋s，SH=120赘/阴，R=103cm/s22.021.020.019.018.017.0100106/(cm·s-1)108背表面复合速率

图4

钝化电池表面；而且其前后表面场可以用相同的工

艺（更改气体）制造；其特殊的栅线结构还可以制作为双面电池；此外HIT电池还有更好的高温特性。有报道指出Panasonic的双面HIT电池效率高

（b）背发射极结构电池

发射极结构电池的PC1D软件模拟

WP1：高方阻发射极+接线点

WP2：背面发射极接线点

WP3：背表面预处理与钝化

图5

WP4：背面基底接线点

MWT电池结构示意图

正面场钝化

优化扩散，SiN膜

n型Si改进的发射复合层

接线点

优化扩散

穿透绝缘层的小接触点

背底镜面制绒“沟”背面介电层优异的陷光性能为双面光吸收而改进的制绒沟钝化，光学优化

图6

第3代IBC电池示意图

窑22窑2）能源研究与管理2016（

综合论述

达24.7%。

Panda电池的最大优势在于其工艺与普通P型电池相似，因此制造成本都较低。采用了硼前发射极（管式扩散），磷背场，双面丝印栅线电极，SiO/SiN：H堆叠以及氧化铝的硼发射极钝化，优化的P型发射区的金属化等技术。Panda电池的另一个优势是其设备可以在现有P型电池线上进行改造，在目前的市场行情下，在投资成本上会有不小的优势。Panda的发展方向是与MWT技术相结合，有报导[6]指出MWT技术提高了Panda电池0.35%的绝对效率。目前的效率已经做到20%，其2013年的目标是21%。

N型多晶同样受到一些研究者的重视，尤其是在应用UMG与较低纯度硅材料的晶硅电池方面。个人认为，与此密切相关的研究热点可能还有补偿硅材料与电池效率的关系、超薄硅片的N型电池优势等方面。

综合目前的N型电池制造技术与未来发展趋

见表势，将CZ法N型单晶制造技术分类为3种（1）：1）普通CZ制造方式，与普通P型单晶想同的制造方法；2）改进的CZ制造法，通过掺杂补偿控

制电阻率分布以及热场改动控制金属杂质扩散；3）连续直拉法CCZ，连续加料的单晶制造工艺。

3结论2N型单晶制备因为N型少子对金属杂质的更高容忍力，铸锭

表1

1）N型晶体硅电池的优势明显，市场预测在最近会有强势增长，特别是N型单晶。

公司/研究机构国内绝大多数单晶厂家

适用的电池技术

HITPandaIBCHITPandaIBCHITPanda为相关技术分析与制造工艺对比

生产优劣工艺稳定，成本较高

制造方法普通CZ技术优劣

技术成熟；但晶体头尾电阻率差异

大与边沿少子寿命降低明显

浙江技术难度不大；可以相对控制尾部浙大反掺控电阻率的专利技术；

英利、电阻率，提高可利用晶体的比率；成本较低，工艺与技术晶盛水冷套技术，应用厂家有：

改进的CZ控制杂质扩散，提高晶体边部的少管控有较高难度隆基、中环；石英护套技术，应用厂家：

子寿命晟纳吉、有能等CCZ成本低，设备与研发

技术难度高；理论上可以非常均匀

处于实验室或试生产

的控制晶体的电阻率与少子寿命；

线水平，技术与工艺

此外，可以降低晶体中的氧浓度

管控难度高

MEMC公司旗下的Solaicx公司（与

；sunpower公司合作开发低成本电池）

GT公司旗下的Confluence公司等

2）市场上的N型晶硅电池主要有Sunpower公司的BIC、Sanyo公司为代表的HIT、英利公司的Panda。BIC电池依旧有着产线整体高效的优势，HIT电池创造了最高效率的记录，Panda电池却有着更好的成本优势。考虑到技术与设备改造的优势，猜测国内将以ECN与英利公司结合开发的Panda电池类似技术为主，产线逐渐由P型转为N型。3）CCZ是制造N型单晶硅的发展方向，其研究需要高水平的设备开发能力与晶体生长知识。

4）N型多晶硅与电池的制造，同样有待研究。参考文献

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辉.n型晶体硅太阳电池最新研究进展的分析

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