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光注入退火工艺对TOPCon太阳能电池电性能的影响
日期:2024-03-07
光伏TOPCon太阳能电池片作为高效的太阳能电池技术,具有更高的转换效率和更低的能源成本,受到了广泛的关注。生产环节技术的发展和规模化生产的推动,使TOPCon太阳能电池的成本逐渐降低,未来市场竞争优势明显。「美能光伏」紧跟用户和行业发展需求,提出高效TOPCon电池片研发解决方案,并研发出在线Poly膜厚测试仪,采用领先的微纳米薄膜光学测量技术,实现超广测量范围20nm-2000nm和0.5nm超高重复性精度,可对样品进行快速、自动的5点同步扫描。
光注入退火工艺原理
高效的太阳能电池要求在具有良好的界面钝化情况,尽可能实现一维纵向输运,使Voc和FF最大化。而钝化接触便是实现该功能的途径之一。钝化接触电池的poly-Si与Si基底界面间的氧化硅对钝化起着非常关键的作用,氧化硅通过化学钝化降低Si基底与poly-Si之间的界面态密度。在重掺poly-Si中,多数载流子浓度远高于少数载流子,降低电子空穴复合几率的同时,也增加了电导率形成多数载流子的选择性接触。在选择性接触区域,多数载流子传输导致电阻损失,同时少量少数载流子向金属接触区域迁移导致复合损失。前者对应接触电阻 ρc,而后者则对应界面复合电流 J0。
TOPCon太阳能电池结构
光注入退火炉的工艺流程:自动化上料(电池片)→升温区(红外灯管加热)→光照区(LED灯)→降温→自动化下料。光注入退火炉工艺步骤:第一步升温,通过升温激活氮化硅钝化膜中的H原子;第二步通过光照控制原子的价态,使其在P+发射极和N型基底与复合中心(缺陷)结合,形成非复合中心。最终实现良好钝化效果,达到提升Voc与FF的目的。
光注入(氢钝化)机理
光注入退火工艺对 N-TOPCon 电池电性能的影响
用相同效率档位的电池片,经过光注入退火工艺后,对比各个电性能参数变化情况。
光注入前后Voc和FF的变化
TOPCon电池经过光注入后Voc与FF提升比较明显,其他电参数均没有变化。因此,说明经过光注入后氢原子钝化了晶界与晶面的悬挂键,提升了PN结的质量,提高了Voc。进一步分析说明,发射极部分属硼掺杂区,表面沉积氮化硅膜后,发射区会同时存在硼和氢,氢原子在离硼约0.125nm处的球面上位能具有极小值,氢被束缚在这个球面上自由转动,形成动态硼-氢复合体。在完整的硅晶体中,单独的代位硼原子在价带上面引入一个未填满的受主能级,而单独的间隙氢原子则在导带下面引入一个新的施主能级。当硼和氢同时存在,氢原子处在球面能谷中的情况下,由于之间的相互作用,硼和氢在禁带中引入的能级分别转入价带和导带,电子填充到价带顶,硼不再起受主作用,即被钝化。
LED 光照处理时光照强度和峰值温度对转换效率的影响
用相同效率档位电池片,LED 光照时峰值温度分别设置为200℃ 、260℃、320℃。从图中可以看出,峰值温度设定为260℃时,效率提升幅度最大。其机理在于退火(200℃)有助于提高非晶硅的钝化,源于界面态密度的降低(Si 悬挂键),非晶硅薄膜的微结构改变不影响光致增益。
光照时温度设置为260℃,光照强度分别设置为10%、20%、30%、40%、50%、60%。从图中可以看出,LED光照强度逐渐增强,效率提升幅度不变。相同加热温度条件下,光照强度对效率提升无影响。即使弱光也会产生增益现象,因此效率增益是由于a-Si∶H/c-Si界面复合的降低引起的。
LED光照时不同峰值温度和光照强度增效对比
Poly层膜厚对转换效率的影响
采用双面对称结构进行测试对比,制作不同poly 厚度对称结构监测片,光注入退火工艺前后分别测试 i Voc,对比 TOPCon 电池背面钝化层厚度经过光注入退火工艺后钝化性能的变化规律。
不同poly厚度对称结构经光注入前后钝化性监测
从图中可以看出,当背面钝化层poly厚度小于150nm时,经过光注入退火工艺后钝化性能有损失现象;厚度大于等于150nm时,钝化性能保持不变。背面钝化层poly厚度增加,多晶硅层的寄生光吸收会增强,降低了光的利用效率。因此钝化层poly的厚度需要综合考虑寄生吸收与钝化性能两方面因素。
不同光注入退火工艺对较薄poly-Si钝化性能的影响
取厚度相同的poly-Si双面对称结构测试片,使用不同光注入退火工艺。验证不同光注入退火工艺对较薄 poly-Si 厚度电池片钝化性能的影响。从图中可以看出,调整光注入退火温度、光照强度对较薄 poly 钝化层的钝化性能无改善。
90nm厚度poly-Si对称结构不同光注入工艺前后钝化监测
在线Poly膜厚测试仪
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美能Poly5000在线膜厚测试仪是专为光伏工艺监控设计,可以对样品进行快速、自动的5点同步扫描,获得样品不同位置的膜厚分布信息,可根据客户样品大小定制测量尺寸。
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TOPCon太阳能电池采用先进的工艺和材料,以提高电池的转换效率。高效率是光伏行业的重要目标之一,降低成本是推动该技术在市场上竞争的关键因素之一。TOPCon电池技术仍处于发展阶段,不断有新的工艺和改进材料。「美能光伏」致力于与客户一起,提高TOPCon太阳能电池的性能和竞争力,通过技术进步和创新将持续推动光伏市场的发展。