低成本工业生产效率20% n型Si MWT太阳能电池的开发

电池加工方法

为了使未来生产成本尽可能低，n型MWT工艺（也是ECN与英利太阳能共同开发的）用于n-PasHa电池的工业化工艺十分类似。激光加工用来形成通孔，正面金属网格经通孔环绕穿通硅片。与n-PasHa电池类似，该电池结构由硼发射极、磷背表面场（BSF）和适合薄硅片的开放背面金属化组成。高掺杂硼发射极的钝化工艺采用工业设备，在工业发射极上提供极佳的钝化质量。金属接触用工业丝网印刷工艺淀积，与用在工业n-PasHa工艺中的丝网印刷工艺比较，没有关于对准的进一步要求。在共烧期间穿过钝化层形成电接触。正面和背面金属网格图形是基于与ECN单元电池概念结合的酷似H形网格设计，开发用于减少扩大到较大硅片时MWT电池中的串联电阻。我们选择这一设计是因为它非常适合用于比较n-MWT和n-PasHa电池时之间的损失。由于我们的n-MWT电池组件互连没有串焊接工艺，与常规的n-PasHa电池比较，正面汇流条能大大变细。结果，减少了与金属化有关的总阴影损失，导致明显的电流增益。但是，汇流条的电阻相应要大一些，这对电池的总串联电阻有影响。通过汇流条几何形状的优化设计，有可能平衡阴影与电阻损失，与n-PasHa电池比较，增加n-MWT电池的功率输出。（见第3节）。

n-MWT电池的背面金属化也具有开放结构，这增强背面反射，提高长波长范围的内量子效率。所以，与由全铝背表面场组成的电池结构比较，提高了电流和电压。而且，在组件级，采用双面组件，开放背面金属化能增加电能年产量。依照此工艺流程制造的电池正面和背面见图1。

n型MWT对n型n-PasHa太阳能电池——直接性能比较

实验情况和结果

n型MWT和n型PasHa太阳能电池从200μm厚，相邻的n型Cz硅片制备（239cm2，电阻率约5Ωcm）。n-PasHa电池用我们的高效生产工艺加工。n-MWT电池依据上述的工艺加工。二组并行地在ECN中试线上加工，有同样的绒化（碱性刻蚀形成的随机锥状体）、发射极和BSF剖面、钝化、SiN抗反射层（ARC）、用于发射极和BSF接触及烧结的金属浆料。专门用于n-MWT加工的附加步骤（如激光钻孔或金属通孔浆料印刷）也在ECN中试线上进行。

用二种测量方法进行n-MWT对n-PasHa电池的I/V测量。第一种测量方法用闪光光源，因此在电池中引起电容性瞬态效应（capacitive transient effect），导致FF估计过低。对此二类电池，这种测量设置包含一个与组件互连过程相当的方法。n-PasHa电池以与串焊互连方法类似的途径接触，用多行接触正面和背面汇流条的多电压和电流探针。n-MWT电池以与背箔互连方法类似的途径接触，仅用一个电流和电压探针接触位于电池背面上的每一发射极或基极收集焊盘。H形互连串焊中的损失和MWT互连箔中的损失（箔中的损失比串焊中的损失低得多）不包含在此测量中。这意味着组件级效率差异将比较大（有利于MWT）。

第二种测量方法用连续光源（AAA级太阳模拟器），它不会引起任何电容性瞬态效应。而且，安装电池的夹具有温度控制，采用这种I/V测量系统时，可很好地确定它们的反射率。另一方面，这种情况下n-PasHa电池的接触方法不代表组件互连过程，因为背面网格通过测量夹具的导电表面接触在其整个面积上。因此，此测量系统对n-PasHa电池的FF（稍微）估计过高。由于n-MWT测量夹具在二种测量设置中是同一的，用第二种测量系统时，n-MWT电池的接触方法仍可代表组件互连方法。

为了提高n-PasHa电池和n-MWT电池间有关电流和电压比较的精度，这二类电池根据用第二种测量系统的得到的数据进行评估。这些I/V数据在表1给出。ESTI（European Solar Test Installation）标定的电池用作参照电池。结合参照电池、标定方法和光谱失配校正的不确定性，测得的短路电流相对精度为±2%。为合理比较，评估了由于背面网格整个面积接触引起的对n-PasHa电池FF的过高估计。比较二种测量方法间n-MWT和n-PasHa的FF偏差，并用模型化的支持，预计这种FF过高估计的绝对值约为0.2%。

n-MWT电池上测得的平均电流密度（Jsc）接近40mA/cm2，胜过在n-PasHa电池上测得的Jsc约1.1 mA/cm2（即相对增益2.8%）。此外，与n-PasHa电池比较，n-MWT电池的平均开路电压（Voc）增益为6mV（相对增益≈1%）。另一方面，根据此I/V测量，n-MWT电池的串连电阻（Rseries）比n-PasHa电池的Rseries高1.3mΩ。相应地，n-MWT电池的平均填充因子（FF）绝对值比n-PasHa电池的FF低2%。即使到目前为止FF仍然是受限的，与H形电池比较，背接触电池上测得的最终效率增益有0.25%。

下节将分析讨论对MWT电池测得的附加Rseries和FF损失，使用因早先说明的理由以0.2%校正的n-PasHa电池的FF值。结果，与n-PasHa电池比较，下节给出的n-MWT Rseries和FF损失分析参考Rseries绝对值高1.2 mΩ和FF绝对值低1.8%。注意，应用此FF校正后，MWT电池的效率增益较之n-PasHa电池成为绝对值0.3%。

结果的分析和讨论

对n-MWT电池观察到的填充因子的分析是基于金属通孔产生的附加串联电阻以及正面金属化网格设计差异的评估，金属通孔是用来把正面发射极网格取出的电荷带至背面。引起串联电阻和FF损失的因素总结在表2中。

每一金属通孔的电阻大小用四探针测量技术确定。n-MWT电池全部金属通孔引起的总串联电阻损失约为0.2mΩ。对n-MWT电池全部串联电阻损失的这一贡献与FF绝对值损失0.3%是对应的。

引起n-MWT电池上测得FF较低的第二个因素是正面汇流条较窄产生的较高电阻。图2是相对于H形n-PasHa的串联电阻、金属覆盖引起的损失及产生的总功率损失与MWT汇流条宽度的关系。MWT正面汇流条宽度减少时，串联电阻的损失很快被电流增益补偿。根据这些趋势，选择n-MWT正面汇流条宽度使功率损失最小，固定在n-PasHa电池正面汇流条宽度的30%。这样优化后，串联电阻损失估计在0.6 mΩ，产生的FF绝对损失0.9%。 
除了n-MWT正面薄汇流条引起的Rseries外，在正面网指图形中还有额外的Rseries损失。尽管丝网内设计了同样的标称开口，n-MWT电池上印刷的正面指形宽度比n-PasHa电池上印刷的正面网指宽度窄10μm，很可能是由于在印刷过程中浆料流变性能有小的改变。虽然二类电池的指数是一样的，n-MWT电池上印刷的较窄指形增加了线电阻损失和接触电阻损失。根据分析模型，这些Rseries损失估计为0.2 mΩ，对应FF绝对损失0.3%左右。

最后，n-MWT电池上测得的短路电流增加将导致功率损失因而FF损失增加。电流增加2.8%将导致约0.1%的FF绝对损失。

从这些模拟结果可知，与n-PasHa电池比较，n-MWT电池中存在观察到的1.8%FF附加损失中的约1.6%能很好地得到评估及解释了。余下的0.2%FF绝对损失在损失分析中还不清楚其原因，不过，这一不符合很小，可能与测量及模拟的不确定性有关。

减少n-MWT电池串联电阻提升效率的解决方案

如本文上节所述，n-MWT电池中串联电阻一半以上的贡献是由于正面汇流条的电阻损失。如图2所示，n-MWT正面汇流条宽度相对于n-PasHa正面汇流条减少30%使电阻损失相对于n-PasHa增加35%，导致n-MWT电池的FF绝对值损失0.9%。

减少这FF损失的第一个选项是，通过改进其设计和金属浆料的导电率来减少MWT电池正面汇流条的方块电阻。这二个参数必须一起调整，因为优化的汇流条设计也与金属浆料导电率有关。汇流条设计优化也将影响阴影效应（与金属覆盖有联系）和Voc损失（与金属接触相关的复合有联系）。图3说明n-MWT电池的相对功率损失与正面汇流条相对方块电阻减少及得到的电池效率的函数关系。从这一计算可知，汇流条方块电阻实际相对减少50%使总损失减少约4%相对值，导致效率绝对增益0.1%。 

通过增加通孔数量，即增加对正面金属网格的接触数量，能将MWT电池的FF损失减少大部分。