硅聚光太阳电池金属栅线的优化.docx

硅聚光太阳电池金属栅线的优化娄世殊，韩培德，梁鹏，邢宇鹏，胡少旭， 朱慧时，王帅，张渊博（中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室，北京，100083）摘 要：本文主要研究了影响硼离子注入发射极单晶硅聚光太阳能电池效率的主 要因素研究结果表明，通过优化前表面金属栅线，10 倍太阳聚光照射下，栅线 间距为 330 微米的太阳能电池的效率可以提升大约 10%关键词：硅聚光太阳电池；金属栅线1 引言光伏发电作为太阳能利用中最具 发展前景的技术已经被广泛应用，然而 光伏发电成本较高等原因使得其在整 个能源结构中所占的比例很低所以如 何降低光伏发电成本成为世界各国争 相竞争研究的重要课题[1]在探索降低 光伏发电成本方法的道路中，聚光光伏 发电技术由于其对太阳电池本身的利 用率显著提高，从而引起的极大关注， 成为研究热点并已经建立了多处规模 化的示范性项目聚光太阳电池是聚光光伏系统的 核心部分，提高聚光电池的效率是聚光 电池的研究重点聚光电池主要有聚光 硅太阳电池和砷化镓太阳电池[2]对于 聚光硅太阳电池按照结构可分为平面 结聚光硅电池和垂直结聚光硅电池三 五族多结太阳电池的材料昂贵而且制 作工艺相对复杂，并且它还需要一种有毒的罕见稀土金属（砷）。

对于聚光硅 太阳电池来说，由于工艺可以与微电子 工艺相融合，而且工艺简单造价低廉 所以有很多研究机构非常积极的投身 于聚光硅太阳电池的研究中本工作，我们制备了平面结聚光硅 太阳能电池，并且分析研究了前表面金 属栅线对这些器件性能效率的影响2 影响硅聚光太阳能电池效率的主要因素在温度恒定的情况下，太阳电池的 理想效率随聚光率的增加而增加，这是 因为短路电流随光强线性增加，开路电 压随光强呈对数增加，而填充因子随开 路电压增加而增加实现上述效率增加 的主要困难在于，高电流密度下串联电 阻损耗的影响显得更加重要了在太阳 光聚焦照射的情况下，串联电阻对太阳 能电池的影响显著增加对于聚光电 池，填充因子对串联电阻的变化很敏N+fD diffusionN(P)-Si(starting再采用 PEVCD 在正面沉积厚度约为 60感，串联电阻的微小升高将造成填充因 子的大幅度下降从而导致电池效率的 下降所以对于聚光电池串联电阻的优 化显得尤为重要串联电阻的来源主要 有：制造电池的半导体材料的体电阻、 电极及互联金属的电阻以及电极和半 导体之间的接触电阻为使一个太阳电 池的电阻尽可能的小，建议采取下列措 施[3]：（1）为降低体电阻和接触电阻损 耗，采用具有背表面场的低阻衬底；（2） 使正常扩散层的顶层薄层电阻尽可能 小；（3）采用细栅线图形的上电极，以 减小横向电流引起的损耗；（4）采用厚 的金属接触层，以减少在栅线和主线上 的电阻损耗。

在本文中，我们设计并优 化了硅聚光太阳能电池前表面栅线，给 出了一个最优的栅线间距以减小串联 电阻损失同时，对于 10 倍太阳光照 射下的串联电阻对电池效率的影响进 行了研究3 聚光硅太阳能电池的制备基于 PESC[4]的电池结构，并结合 本实验室的工艺条件优势，我们制备了 发射极为硼离子注入、背面场为磷离子 扩散的单晶硅聚光太阳电池图 1 为电 池结构示意图图 1 聚光硅太阳电池的结构示意图我们采用两英寸的 N 型双面抛光单晶硅衬底，电阻率为 0.5~3 欧姆厘米， 厚度为 400 微米电池的正面采用 5%的氢氧化钾溶液在 70 摄氏度的条件下腐蚀 20 分钟形成倒金字塔陷光结构，金字塔的周期为 10 微米在衬底的背 面以扩散的形式形成磷背场，扩散条件为 865 摄氏度， 20 分S钟i，0最2(后t测he得r的ma方lly grown 块电阻为 40在衬底的正面采用硼离子 注入形成 P+发射极，硼的注入剂量为 1*e15，能量为 40KeV然后进行硼离子 退火，硼离子的退火条件为 560 摄氏度，氮气退火 90 分钟；升高到 1000 摄氏度，氧气退火 30 分钟硼离子退火的同时可以在衬底的前表面形成约 30 纳米厚 的氧化层，从而起到表P’面(钝B化ps的I《作用Im。

pIanIal【on)纳米的氮化硅薄膜，使电池前表面形成 氧化硅/氮化硅双层钝化减反膜栅线电 极采用光刻法形成，即第一步光刻在氧化硅、氮化硅膜上开出宽 5 微米的电极 接触槽，再正面蒸发钛钯银金属（30wafe，1 纳米、30 纳米、300 纳米），通过后期 的丙酮剥离使正面栅线电极最终形成 背面采用电阻热蒸发的办法淀积一层 厚度约为 1 微米的铝背电极随后采用快速热退火在 400 摄氏度条件下退火 3 分钟，使正电极和背电极均形成良好的 欧姆接触最后，通过电镀银的方法将 栅线电极加厚到 5 微米，以降低栅线电 极电阻图 2 为单晶硅片上制备的聚光 硅太阳电池排布图，从上到下，前表面 的栅线个数依次为 7、30、12V．r、]52S4S3图 ]252电·池4排52布示意图如图 2 所示，在两英寸的硅片上共 有 7 个 1cm*1cm 的聚光硅太阳电池 它们除了栅线的根数不同外，其它制作工艺完全一样我们可以依此来排除其 它干扰而分析前表面栅线对器件性能 的影响4 结果与讨论我们在标准的 AM1.5G 太阳光谱 下分别测量了不同金属栅线间距的太 阳电池在一个太阳和 10 个太阳照射下 的效率。

一个标准太阳下的光强是 1000W/cm2测试结果如表 1、表 2 所 示R，n‘‘]·n194]5 3·n 5 S表 1 太阳电池参数（一倍太阳光照射下测量）表 2 太阳电池参数（十倍太阳光照射下测量）]4Sn54]21S231从两个表格的数据我们可以得到， 在 1 个太阳下和 10 个太阳下的最优栅线个数分别为 7 个和 30 个在 10 个太 阳下，太阳电池的效率随着栅线个数的 变化比 1 个太阳下要敏感很多如果在100 个太阳下测量，这种现象将会更加显著因此，在 1 个太阳下，最优栅线的变化范围要比 10 个或者更多个太阳 照射下的范围大很多我们注意到，在 1 个太阳下，短路电流密度和开路电压 随着栅线间距的增加而变化很小，同时 填充因子也变化不大然而，短路电流密度和开路电压随着聚光倍数的增加 比例分别成线性和对数的增长在 10 个太阳的照射下，不同栅线间距太阳电 池的填充因子都下降了但是在聚光 下，不同栅线间距电池的填充因子变化 幅度有显著地区别如表 2 所示，金属栅线个数为 7 的填充因子下降最明显，从 1 个太阳下的 75%下降到 10 个太阳 下的 60%对于 30 个栅线的太阳电池， 填充因子下降的最少，变化不到 1%。

在表 1 中，尽管串联电阻随着栅线间距 的增加而增加，但在一个太阳下变化不 大上面这些实验结果都可以用下面的 公式来解释，它包含了短路电流密度、 开路电压、填充因子和串联电阻之间的 关系[5]式中，n 是太阳电池 P-N 结的理想 因子，FF0 是理想填充因子，Rs 是串联 电阻通常，串联电阻和开路电压都随 着栅线间距的增加而增加依据公式 1、 1~1、5，可以得出填充因子是对栅线间 距不敏感的这和表 1 的实验结果很好 的吻合另外，我们利用对比两条不同光照条件下 I-V 曲线的方法来计算在 1个太阳和 10 个太阳下的串联电阻[6]正如表 2 所示，在 10 个太阳下，串联电 阻也会随着栅线间距的增加而增加然 而，同样的栅线间距 1 个太阳下的串联电阻要比 10 个太阳下的大通常短路 电路密度和开路电压分别随着聚光倍 率成线性和对数的增长因此，并联电 阻值在 10 个太阳下要比 1 个太阳下小好多这就使得串联电阻在 10 个太阳 下随着栅线间距增加快速增加且填充 因子在 10 个太阳下随着间距增加下降 迅速[7]因此，10 个太阳下，通过优化 栅线个数为 30，可以使得太阳电池的效 率增加接近 10%。

对于栅线个数为 12 的电池，效率变化很小；而对于栅线个 数为 7 的电池，效率会比一个太阳下的 降低 16%左右5 总结我们制备了硼离子注入前表面发 射极、磷离子扩散背面场的聚光硅太阳 电池并且研究了栅线间距对于电池效 率的影响研究表明，在一倍太阳光照 下，大的栅线间距有助于高的太阳电池 效率然而在十倍光照下，太阳电池的 效率随着金属栅线个数的增加而增加， 这是由于串联电阻损失小造成的实验 结果与理论分析有很好的一致性参考文献[1]J. Luther, A. Luque, and A. W. Butt,“Concentrationphotovoltaics for highest effieciencies andcost reduction,”25th European PhotovoltaicSolar EnergyConference[C], Barcelona, 2005.[2]T. Markvart, and L. Castaner,“Practical handbookofphotovoltaics fundamentals and applications,” UK: Elsevier Advanced Technology, 2003, (418) 455. [3] M. A. Green, “Solar cells operating principles,technology andsystem applications,” N J Inc. Englewood Cliffs, 1982.[4] M. A. Green, A. W. Blakers, J. Shi, E.M. Keller, and S. R. Wenham, “19.1% efficient silicon solar cell,” Applied Physics Letters, 44(12):1163-1164, 1984 [5]M. A. Green, “Solar cells, operating principles, technology and sys-temapplications,” Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1982[6]D. Pysch, A. Mette, S. W. Glunz,“A review and comparison of different methods to determine the Rs of solar cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91(18): 1698[7]Y. Xing, et al. “Optimization of the emitter region and the metal finger of a concentrator silicon solar cell,” Journal of Semiconductors,2013, Vol. 34, No. 5资助项目：本项研究得到了国家自然科 学基金委基金资助（61275040、 60976046、61021003），也得到了国家 科技部 973 项目的资助（2012CB934200）。