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宁波材料所开发出效率达24.3%的多晶硅钝化接触n型晶硅太阳电池
作者:,日期:2020-03-27

  多晶硅钝化接触技术(通常称TOPCon,也称为POLO、PERPoly、monoPolyTM、iTOPConTM、PERTOPTM)被广泛认为是最有希望的继PERC电池之后的下一代高效晶硅电池技术之一,是晶硅太阳电池技术领域的研究重点。截至2020年3月,全世界就该技术共发表近190余篇期刊和会议论文,德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)、德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)、澳大利亚国立大学(ANU)、中科院宁波材料所(NIMTE-CAS)、天合光能及中山大学(Trina & SYSU)、荷兰代尔夫特理工大学(TUD)、新加坡太阳能研究所(SERIS)、美国乔治亚理工大学(Georgia Tech)、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)、荷兰能源研究中心(ECN)、美国国家可再生能源实验室(NREL)、中科院微电子所(IM-CAS)等是该技术的主要研究单位。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所太阳能及光电子器件研究团队在叶继春研究员和闫宝杰研究员的带领下,在曾俞衡博士、廖明墩工程师等团队成员的共同努力下,于2015年底起开始布局研究TOPCon技术,是国内最早开展相关研究的科研机构之一。团队核心人员累计有30年以上的产业界经历,注重基础研究与产业应用需求的紧密结合,旨在为该技术的产业化应用提供理论和实践支撑。近来,宁波材料所团队在高性能钝化接触技术开发、高效全电池集成、关键材料开发、验证性设备开发等方面均取得显著进步。

  在高性能钝化接触技术开发方面,宁波材料所综合运用高质量界面氧化硅、致密多晶硅薄膜、优化掺杂分布曲线、高效氢钝化等技术,获得优异的钝化接触指标(采用单面饱和电流密度J0,s和隐含开路电压iVoc进行表征,J0,s越低越好、iVoc越高越好)。最优n型技术的关键钝化指标为最低J0,s=0.8fA/cm2、最高iVoc=749mV(Sol. Energy, 2019, 194, 18);最优p型技术的关键钝化指标为最低J0,s=6.0fA/cm2、最高iVoc=722mV(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487),在国际上处于先进水平。图1(a,b)显示了世界各主要研究机构在关键钝化指标(J0,s)上的进展。

  在高效电池开发方面,宁波材料所坚持实验室自主研发,经过多年不懈努力,于2020年1月开发出效率为24.27%的n型TOPCon电池(南开大学独立测试),在国内科研院所中处于领先地位。图2(a)显示了世界各主要研究机构在该类电池的最高效率进展。值得一提的是,该最高效率电池集成了新型材料,而常规对照电池的最高效率仅为24.02%,如图2(b)所示。经统计,运用了新材料的电池的平均效率比常规电池的高出了0.32%abs(论文准备中)。宁波材料所将这种新型钝化接触电池注册为PERTOPTM电池(Passivated Emitter and Rear Tunnel Oxide Passivation)。

  在关键材料开发方面,宁波材料所也做了大量的研究工作。针对界面氧化硅层,宁波材料所通过各种途径,实验评估了各种氧化硅制备方法,包括硝酸氧化、紫外臭氧氧化、臭氧水氧化、混合酸氧化、热氧化、等离子体辅助氧化、原子层沉积、等离子体沉积、磁控溅射氧化等。研究表明,不同方法获得的氧化硅在厚度和组分上有所差异,不过只要经过合理的后继工艺配合,采用上述氧化硅材料获得的n型TOPCon结构的饱和电流密度均可低于12fA/cm2,部分可低于2fA/cm2,可满足工业生产的需求。值得一提的是,宁波材料所针对PECVD工艺路线亟需的原位氧化硅制备技术,开发了等离子体辅助原位氧化法,利用该氧化硅材料获得了优异的钝化和接触性能,在n型硅片的最优指标为J0,s=2.0fA/cm2、iVoc=747mV(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 208, 110389),在p型硅片的最优指标为J0,s=3.0fA/cm2、iVoc=742mV(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2019, 200, 109926);通过优化氧化硅制备技术,获得具有优异钝化的p型TOPCon结构,在n型硅片的最优指标为J0,s=6.0fA/cm2、iVoc=722mV(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487),这也是迄今为止采用PECVD路线所获得的最优指标之一。在多晶硅制备方面,宁波材料所同样利用多种途径,实验评估过PECVD、LPCVD、Sputtering、和E-Beam等技术路线。基于对不同技术路线优缺点的了解,宁波材料所选择主攻PECVD技术路线,在基于PECVD掺杂非晶硅的成膜条件、掺杂调控、晶化控制、脱膜抑制、方阻调整等方面均积累了丰富的经验,制备出优异性能的TOPCon结构。

  综上所述,宁波材料所围绕TOPCon技术的基础科学问题及产业化应用展开系统研究,部分关键指标和电池效率取得显著进步;截至2020年3月,已在行业主流期刊Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Sol. Energy, Sol. RRL等发表期刊论文14篇,论文数居世界各机构前列;申请国家发明专利多项,初步形成独立自主的知识产权;联合中科院专业机构完成“2019年TOPCon太阳能电池专利分析报告”一份;目前正在与合作单位联合开发的基于PECVD技术路线的量产型设备,旨在解决行业缺乏核心装备这一痛点问题,设备一旦验证成功,将是国内极少数先于外国设备商开发的具有完全独立知识产权的光伏用量产核心设备。宁波材料所在TOPCon技术的各项研究上均取得显著进展,是国内代表性科研机构之一。

  本工作该系列成果得到了国家重点研发计划(2018YFB1500403)、国家自然科学基金(61874177、61974178)、浙江省自然科学基金(LY19F040002)等项目的资助。

  图1 全世界主要科研机构在(a)n型TOPCon技术和(b)p型TOPCon技术所达到的J0,s

  图2 (a)全世界主要科研机构在n型TOPCon电池效率的进展,(b)宁波材料所的最高效率n型PERTOPTM电池和对照电池的光致J-V曲线

  (新能源所 曾俞衡)

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