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超级干货 | 双面单晶电池技术及工艺探索!

文章出处: 人气:发表时间:2017-12-8 10:07:35

摘要:就双面单晶硅光伏法电池较单面P型电池的优点进行简单分析,以P型单晶硅双面电池为例,探索双面单晶硅光伏电池技术及工艺,并从硼扩散、边结绝缘刻蚀、硼扩散面界面钝化三个最为关键的生产工艺和技术展开研究,希望可给中国在太阳能电池领域一些参考和启迪。

引言

就晶硅电池而言,因为在地球上储备的硅材料含量十分丰富,加上整个晶硅电池产业的支撑设备体系及制程技术十分完善,同时在产业化的推广上也十分成熟,因此是目前在太阳能光伏市场中最主流的产品,在市场中的占比例达到80%左右,而从未来发展趋势进行观察,可以断言在未来的5a~10a内晶硅电池还将会继续在太阳能电池市场中占据主导地位。基于此,为实现最大化地降低太阳能的使用成本,国内外的诸多机构均对晶硅电池的生产技术展开了充分研究,双面单晶硅电池技术脱颖而出。因为双面单晶硅电池在正反两面都可以受光,因此在太阳能的利用效率上较传统的单面P型电池具有诸多方面的优点。在此背景下,文章以双面单晶硅光伏电池技术及工艺为中心,分三部分展开分析探讨。

双面单晶电池较单面P型电池的优点

双面单晶硅光伏电池较单面P型电池,其优点主要表现在三个方面:

a)、双面单晶硅光伏法电池太阳能吸收方式是利用背面的发射光及周围环境的漫反射光进行发电。因此较传统的单面P型电池所能够获得电池输出功率要高很多,同时也拥有一个更高的功率/重量比,此外双面单晶硅光伏法电池在垂直安装时在发电量上受到的方向限制也更少;

b)、在双面单晶硅光伏法电池的组成上并没有硅-铝合金面,可以说对近红外的辐射光是几乎透明状态,因此也可以断定在双面单晶硅光伏法电池的运作过程中,其运行的温度也会低于传统的单面电池;

c)、双面单晶硅光伏法电池在背面的金属覆盖面积上相比于传统单面P型电池减小很多,因此对于因为硅和金属的热膨胀系数导致的不同热处理翘曲也会有效降低,进而利于对双面单晶硅光伏法电池的后续组建连接封装,同时也可以使用更轻薄的硅片。

基于P型单晶硅双面电池的研究实验

文章以P型单晶硅双面电池为实验对象,对其电池技术和工艺进行实验探究。图1所示为P型单晶硅双面电池的结构示意图,实验的全过程是基于对现有太阳能电池的实际生产线设备模仿而实现的。在具体实验流程上为:硼扩散-边结绝缘刻蚀-硼扩散面界面钝化。

实验结果与分析

3.1、硼扩散

在P型单晶硅双面电池的制作环节中,硼扩散是最核心的步骤,图2为硼扩散的装置。实验所采用的硼扩散源是目前在太阳电池生产工业中主要使用的BBr3(三溴化硼)的液态源,其扩散装置为水平式的扩散炉。

原理为在高温的环境下将硅片扩散炉中通入O2、N2及BBr3的混合物,进而在高温的影响下,BBr3会先和O2生成B2O3,进而B2O3会和Si原子生成B和SiO2,进而就达到了B原子向P型单晶硅双面电池的硅片内部的扩散效果。但是根据实验发现,硼扩散温度往往是处于900℃~1100℃之间,而在此温度期间内B2O3处于液态,此时如果是磷扩散其反应产物在800℃时P2O5就已经是气态了,所以磷扩散会比硼扩散更为均匀。因此在P型单晶硅双面电池的硼扩散环节还有进一步的改善空间。

3.2、边结绝缘刻蚀

对于P型单晶硅双面电池而言,其在经过了磷扩散处理之后,在P型单晶硅双面电池的正面及边缘处都形成一个扩散层,而该扩散层在正面存在十分必要,而在边缘存在则需要去掉,因此进行P型单晶硅双面电池的边结绝缘刻蚀对于降低P型单晶硅双面电池的漏电量是P型单晶硅双面电池的生产环节中一个十分重要的环节。一般而言,目前P型单晶硅双面电池在边结绝缘刻蚀上采用湿法刻蚀工艺,其首先使用混合酸对P型单晶硅双面电池的侧边和背面进行刻蚀,然后再取出正面的磷硅玻璃。但是对于P型单晶硅双面电池而言,因为其在使用中是处于双面受光的环境,因此对P型单晶硅双面电池的背面进行刻蚀时,也需要适当增加背面的保护膜,因此需要多增加一道工艺,在实际生产中多采用等离子体的刻蚀方式进行刻蚀,但是等离子刻蚀中会出现刻蚀过度或刻蚀不够的问题,进而就会造成P型单晶硅双面电池的性能降低。

文章对P型单晶硅双面电池的等离子体刻蚀工艺进行研究。图3是P型单晶硅双面电池的等离子体刻蚀不足的示意图,图4是最后P型单晶硅双面电池并联电阻和刻蚀时间的之间的关系图。从图中可以清楚地看到P型单晶硅双面电池的并联电阻会随着刻蚀时间不增增加出现先涨后降的趋势,同时P型单晶硅双面电池边缘的扩散层也会越来越小,可以看出随着刻蚀时间不断增加,P型单晶硅双面电池的电池漏电量会逐渐降低,而P型单晶硅双面电池的并联电阻会越来越大,但是也必须认知到,在刻蚀时间不断增加时,也会对P型单晶硅双面电池的正面造成影响,因此通过对比研究实验,本文提出15min~25min的P型单晶硅双面电池边缘绝缘的等离子体刻蚀最佳时间。

3.3、硼扩散面界面钝化

对P型单晶硅双面电池而言,其在背面是使用硼扩散对传统P型单晶硅单面电池的铝背进行代替,进而获得更高的P型单晶硅双面电池正面和反面的转化效率,而在实际生产环节中则需对P型单晶硅双面电池的硼扩散面进行钝化工作,进而实现电池背面光生载流子复合的减少,提升P型单晶硅双面电池的短路电流和开路电压,整体提升电池的效率。而在目前的生产中多使用SiO2和Si3N4的双层膜作为P型单晶硅双面电池的背面钝化层,使用Si3N4的薄膜作为P型单晶硅双面电池正面的钝化层。本研究基于P型单晶硅双面电池的特性,在对硼扩散后形成的硼硅玻璃层给予适度的氧化处理,进而形成了具有SiO2的硼硅玻璃,然后进行钝化处理。本研究经过实验得到了无氧化钝化设备及氧化钝化设备制造P型单晶硅双面电池的平均效率和最好效率对照情况。

结语

基于晶硅电池的成熟工艺及Si在地球的高储存量,未来很多年在太阳能电池领域内晶硅电池还会继续占据主导地位。首先对P型单晶硅双面电池较传统P型单晶硅单面电池的优势进行分析,进而设计P型单晶硅双面电池制造主要技术和工艺的流程实验,并在实验中提出P型单晶硅双面电池制备工艺技术的进一步优化参考点,旨在为中国P型单晶硅双面电池制备领域提供一些参考和启迪,促进中国P型单晶硅双面电池产生整体发展。

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