低成本工业生产效率20% n型Si MWT太阳能电池的开发

作者：N. Guillevin、B.J.B. Heurtault、B.B Van Aken、I.J. Bennett、M.J. Jansen、L. Berkeveld、L.J. Geerligs、A.W. Weeber，ECN Solar Energy；Hu zhiyan、Li gaofei、Zhao wenchao、Wang jianming、Wang ziqian、Chen yingle、Shen yanlong、Chen jianhui、Yu bo、Tian shuquan、Xiong jingfeng，Yingli Solar

大部分太阳能电池的生产目前是基于晶硅片，采用非常成熟的双面接触（H形网格）技术。但是，为了将硅PV成功地大规模引入市场，必须提高与其它能源的竞争力。因此，高效且易于规模生产（最好与较少使用资源和改善环境足迹相结合）将是使硅PV成为能对可再生能源兴起做出贡献的低成本（成本/Wp）技术的主要推动力。

特别是近十年来，背接触太阳能电池的概念（如交指式背接触（IBC）、发射极环绕穿通（EWT）和金属环绕穿通（MWT））已被考虑，并开发在工业中应用，。与传统的H形电池不同，背接触电池设计能减少（或没有）正面上的阴影损失，使电池的短路电流和总效率增加。而且，背接触电池技术在组件级也有成本和效率的好处。本文第一节将对这些进行评论。与背接触电池技术重大进展的同时，用n型Si衬底和低成本加工的太阳能电池工艺开发及研究近5年也非常活跃。n型硅太阳能电池（此表述广泛用于指具有n型基底的太阳能电池）是传统的p型硅太阳能电池替代品，有可能实现低成本和高效率的目标，只要对现在的硅片和电池生产工艺做不大的修改即可。

使用n型材料比使用p型材料有一些优点，这也将在本文第一节中谈到。目前，通过ECN、英利太阳能和Amtech Tempress的合作，高效工业化n型H形技术已可应用，并由英利太阳能投入生产，商标名称是“Panda”电池（“熊猫”电池）。本文将n型H形在正面和背面有接触网格的非缠绕电池定名为“n-PasHa”（代表n型电池、所有侧面上钝化、有H形网格）。为了进一步提高电池与组件效率和降低成本，我们已经把n型掺杂晶硅的长处与我们的背接触MWT太阳能电池技术结合起来，与英利太阳能合作开发高效n型MWT晶硅太阳能电池（n-MWT）。

本文在简要地说明n型晶硅材料和ECN的MWT电池及组件技术的优点后，将说明设计用于高效n-MWT太阳能电池的简单工艺得到的结果，以及用相邻的硅片直接比较单晶n-PasHa电池与单晶n-MWT技术。分析的重点放在与n-PasHa电池比较的n-MWT的相对增益（由于Voc，Jsc）和损耗（由于串联电阻），了解如何使n-MWT电池的电池效率增加最大。我们也说明了n-MWT组件的结果。特别关注相对于用串焊n-PasHa电池的组件中损失的电池到组件填充因子损失的差异。与常规设计的串焊比较，FF损失与MWT背箔上铜电路中的电阻损失有关。我们也在文中分析了n-MWT组件的损失和效率及成本改善的路径。

ECN适应n型晶硅材料的MWT概念

ECN的MWT技术与n型材料结合的优点

MWT技术较之标准的H形电池技术有以下优点。首先，由于减少了正面金属覆盖而有上面已经提到的电流增益。此外，更重要的是，因为电池是完全背接触，组件内的集成更容易。基于导电粘合剂连接（用于我们的MWT技术）的电池上引起的机械应力小得多，因而减少了破裂。结果，较薄和较大的电池能够互连而没有良率损失。此外，能大大增加封装密度，这有助于得到较高的组件效率。增大到较大电池时，正面金属网格受益于为减少填充因子损失设计的小单元电池图形(见图1)。而且，能易于优化电池互连，使串联电阻损耗低，显著减少从电池到组件的效率损失，这是因为，与常规正面到背面的串焊互连有关的约束（即串焊线宽度的阴影损失和电池上的应力）没有了。对于p型单晶硅，与用串焊机制造的常规H形组件比较，能获得2%的FF相对增益及1%的Jsc相对增益。

除了因MWT布局提高效率外，用电性能改进的硅基材料也能提高效率。太阳能电池硅片最重要的特性之一是少数载流子扩散长度，它直接取决于少数载流子复合寿命，对电池效率有很大影响。所以，少数载流子扩散长度和寿命最好是尽可能高。这方面， n型硅片是很好的候选材料，因为去气和钝化后它们一般比p型硅片的寿命高（或高得多）。与掺硼p型材料不同，n型材料中没有硼-氧复合物。因此，它不会受由于照射或一般来说由于少数载流子注入形成的与硼-氧有关的亚稳态缺陷引起寿命下降的困扰。还有，业已证实n型硅对常见过渡金属杂质（如从石英和碳生产的硅中存在的那些金属杂质）有较高的容忍度。由于这一特点，n型材料才能对低质量原料有较高容忍度。实际上，n型Cz材料中很容易获得几毫秒的寿命，这使其成为选作用于高效电池（如背接触电池、或要求更长少数载流子扩散长度的背结背接触电池）的基础材料。ECN、英利太阳能和Amtech（以及子公司Tempress）一年前引入ECN开发用于n-型硅片的高效产业化电池工艺，采用常规非背接触H形电池结构生产（n-PasHa电池）。除了从高基极扩散长度受益外，这种电池设计还有其他一些优点，特别是与标准p型电池比较，背面光学和电学性质均有显著提高。到目前为止，在试生产中最佳电池效率为19.49%（由Fraunhofer ISE独立验证），已报道生产中的电池效率为19.89%。

多年来，Sanyo与Sunpower公司已用n型材料生产高效太阳能电池及组件。二家公司应用先进技术，使用高质量单晶基底材料。SunPower正在制造全背接触电池（叉指背接触，IBC），Sanyo则正在制造所谓的HIT（具有薄本征层的异质结）电池。MWT技术提供了一些优于这些高效电池结构的地方。例如，上述二种电池结构除了电池加工复杂外，还要求质量非常高的硅材料和表面钝化，而且IBC电池要求背面上金属触点的高对准精度。相比之下，MWT电池工艺技术仍然接近于常规电池加工，MWT电池背面接触图形简单就允许丝网印刷对准误差大。而且，电池结构包含正面发射极，因此对材料质量变化不太敏感。

如上所述，我们的MWT电池和组件综合技术（初始设计用于p型硅材料）已得到证明，显示比常规非背接触H形电池和组件有明显效率增益。把这二种成功技术融合，可以得到比n-PasHa或p型MWT更高的电池效率和组件功率输出。所以，我们设计了新颖的低成本产业化工艺制造极高效率的n型背接触组件。