随着社会的发展，人类对能源的需求与日俱增。传统的化石能源日益枯竭，同时过度和不当开发还会造成环境问题。大力发展可再生能源是解决能源危机，实现人类可持续发展的有力保障之一。

近十年来，太阳能光伏发电因其技术成熟及各国政府补贴政策导向等原因，成为发展最快的新能源产业之一。组成太阳能光伏发电的重要组成器件-晶体硅太阳电池，则是光伏电池市场的主导性产品。

当前，市场上晶体硅太阳电池大多以p型的单、多晶常规铝背表面场电池为主，因为制备工艺相对简单、成本低廉。但是由于p型硅材料的光致衰减问题一直没有得到根本解决、其电池的光电转换效率也难于做到22%以上等，这些都必将成为其进一步发展的障碍。

(资料图片)

而与p型硅相对的n型硅材料，由于高的少子寿命和对一般金属（如铁等）有较高的容忍性，成为高效晶体硅太阳电池的必选材料。近年来，n型高效晶硅太阳电池受到了业界极大地关注。HIT（Hetero-junction with Instrinsic Thin-layer）电池、IBC（Interdigitated Back Contact）电池均是量产效率在22%以上高效晶硅太阳电池。但是，相对于常规的p型单、多晶电池来说，其制备工艺比较复杂、成本也比较高昂，一直难以推广。

本文集中研究了几种n型高效低成本晶体硅太阳电池技术，包括制备方法、光电性能分析以及论述了其大规模产业化的可行性等。本论文工作主要包括以下几部分：

首先，我们提出了用薄层（~5 nm）Al2O3及（~75 nm）SiNx:H的复合膜层钝化B掺杂p+发射极表面的方法。带有大量负电荷的Al2O3主要起场效应钝化的作用，而化学钝化则主要由SiNx:H覆盖层提供。

我们通过BBr3传统热扩散形成p+前发射极及P离子注入形成n+背表面场（这种方法能够简单且稳定地实现前、背表面掺杂，而非传统复杂的双面扩散或者共扩散技术），再利用丝网印刷技术形成金属化接触，最终获得了光电转换效率为20.89%（开路电压Voc=0.652 V,短路电流密度Jsc=40.44 mA/cm2,填充因子FF=79.25%）的大面积（238.95 cm2）n型双面晶硅太阳电池。

我们使用共烧结技术将不同的金属化浆料与前表面p+发射极和n+背表面场同时形成金属化接触，由于是薄层Al2O3，则没有必要采取对前表面钝化减反射膜进行激光或腐蚀浆料开膜的工艺。通过PC1D软件模拟，采用轻掺杂且方块电阻为100-110 Ω/□的发射极时，我们进一步得到21.3%以上转换效率的n型双面晶硅太阳电池。

这里的薄层Al2O3和SiNx:H的复合膜层结构，以及在n-Pasha电池结构基础上简化的工艺流程，不仅能够有效钝化p+发射极，而且也能够与当前的工业化工艺完全兼容。

其次，我们运用了选择性发射极（SE，Selective Emitter）技术和隧道氧化钝化接触（TOPCon，Tunnel Oxide Passivated Contact）技术来进一步提高该类n型晶硅太阳电池的转换效率。我们用BBr3热扩散在硅片前表面形成BSG，然后用激光扫描的方式对硅片前表面进行局域掺杂，掺杂区域与后续丝网印刷图形相对应。而背表面则在去掉前面BBr3扩散后的BSG后进行抛光处理，这样保证了超薄氧化层（SiO2~1.5 nm）的有效生长。

考虑到该氧化层的致密性要求，超薄SiO2可采取HNO3氧化法和高温热氧化法。在背表面生成超薄SiO2后，沉积适当厚度掺P的多晶硅（poly-Si），之后的高温退火（考虑了三温度两时间：890，910，930 ℃和10，20 min）激活使poly-Si转变成非晶硅，这样就形成了背面的TOPCon结构。该TOPCon结构不仅能够钝化硅片表面，还能有选择性地吸收载流子（电子能通过，空穴却不能）。

最终，我们将两种工艺整合在n-PERT（Passivated Emitter, Rear Totally-diffused）双面晶硅太阳电池中，通过双面的钝化减反射膜的沉积及丝网印刷和高温烧结，获得了21.16%的转换效率和较好的电性能参数（开路电压Voc=0.665 V，短路电流密度Jsc=40.40 mA/cm2，填充因子FF=78.75%）。

最后，我们使用了一种简化的方法形成和整合背结背接触（BJBC，Back-Junction Back-Contact）硅太阳电池的三种不同的掺杂区域，即基于一步高温处理（也称为共扩散）形成n+前表面场和p+发射极，及在激光图形化后用P离子注入和退火氧化形成n+背表面场，而且n+背表面场和p+发射极相互毗邻的区域之间存在高度差（即没有必要实施gap工艺）。

同时，我们还比较了在不同的推结时间（1.5，2.0和2.5 h）和30分钟退火温度（870，900，930，960和990 oC），获得了BJBC硅太阳电池前驱体的平均Implied Voc为0.695 V。我们使用了传统的SiNx:H减反射膜钝化前、背表面及丝网印刷和共烧结技术使不同的金属化浆料同时与硅基底形成金属化接触。转换效率最高的一片BJBC晶硅太阳电池的转换效率经SERIS证实为22.20%（Voc=0.660 V，Jsc=42.82 mA/cm2及FF=78.56%）。

最后，我们使用同样的工业化工艺过程获得了大面积（6×6 cm2）BJBC晶硅太阳电池自测21.43%的转化效率。该简化的电池结构在低成本制造BJBC晶硅太阳电池工业化中有着几大优势，能够与现有生产线的设备和工艺兼容。

总结：

本文介绍了两种n型高效晶硅太阳电池（PERT及BJBC电池）的结构、特性、制备方法等，同时论证了这些电池工业化生产的可行性。论文的主要研究内容包括以下三方面：

1.实现了一种简化的n型双面晶硅太阳电池的制备方法，并且在电池的发射极采取了薄层（~4 nm）Al2O3及（~75 nm）SiNx:H的复合膜层钝化，明显提升了电池的电性能。电池的关键制备工艺包括：在硅片进行制绒后，前表面采取BBr3扩散形成p+发射极，然后去除硼硅玻璃（BSG），造成了背表面的准抛光结构，紧接着在背表面进行了P离子注入，进行共同退火和氧化工艺后正、背面分别形成所需要的表面浓度及掺杂结型；为了寻找最佳钝化性能的Al2O3厚度，我们测试了几种不同厚度Al2O3（0，2，3，4和5 nm）及固定厚度SiNx:H（~75 nm）复合膜层钝化发射极后，电池前驱体（丝网印刷金属化前）的Implied Voc及少子寿命τeff值。

结果表明，该复合膜层钝化后Implied Voc及少子寿命τeff的值有明显提升，2 nm和4 nm相对较好，4 nm最好；在找到较好的复合钝化膜条件后，通过优化峰值烧结温度（895，900，905，910，915及920 oC，30 sec）及丝网印刷（二次精准印刷，细栅线的宽度分别为48，50，52和55 μm），最终找到了在4 nm-Al2O3/75 nm-SiNx:H，910 oC /30 sec及50 μm条件下，得到电池的电性能的平均值最高（开路电压Voc~0.651 V,短路电流密度Jsc~40.57 mA/cm2,填充因子FF~78.36%及转换效率Eff~20.66%）。最高转换效率为正面20.89%、背面18.45%。

最后，我们用软件模拟计算了不同电阻率（1.5-5.5 Ω*cm）硅片及不同的发射极表面掺杂浓度时的电池转换效率，最终得出硅片电阻率为1.5 Ω*cm，表面掺杂浓度为5.159×1019 cm-3及方块电阻为103.9 Ω/□时，电池的转换效率可以达到21.32%。

2.提出了一种在n-PERT结构电池中运用了选择性发射极（SE）技术和隧道氧化钝化接触（TOPCon）技术来进一步提高该类n型晶硅太阳电池的转换效率。这种高效晶硅太阳电池主要包括以下关键工艺：前表面在传统的BBr3热扩散形成BSG后直接采取激光掺杂的方式，对硅片表面进行局域掺杂，掺杂区域与后续丝网印刷图形相对应。

激光掺杂时要考虑激光的能量及对掺杂区的结型和结深的要求，满足了正面金属接触区重掺杂、非金属接触区轻掺杂的要求，从而达到了既减小了金属化栅线接触电阻及硅片接触区的损失，又避免了前表面重掺杂引起的俄歇复合的效果。而背表面则在去掉前面硼扩散后的BSG后进行抛光处理，这样保证了超薄氧化层（SiO2~1.5 nm）的有效生长。

考虑到该氧化层的致密性要求，超薄SiO2可采取HNO3氧化法和高温热氧化法。在背表面生成超薄SiO2后，沉积适当厚度掺P的多晶硅（poly-Si），之后的高温退火（考虑了三温度两时间：890，910，930 ℃和10，20 min）激活使poly-Si转变成非晶硅，起到更好钝化作用，这样就形成了背面的TOPCon结构。

该TOPCon结构不仅能够钝化硅片表面，还能有选择性地吸收载流子（放行电子，却封锁空穴）。最终，我们将两种工艺整合在n-PERT双面晶硅太阳电池中，通过双面的钝化减反射膜的沉积及丝网印刷和高温烧结，获得了21.16%的转换效率和较好的电性能参数（开路电压Voc~0.665 V,短路电流密度Jsc~40.40 mA/cm2，填充因子FF~78.75%）。

3.实现了一种简化的背结背接触(BJBC)晶硅太阳电池的制备方法及性能分析。电池制备工艺包括：首先，在n型CZ硅片上用传统的制绒方法形成正面的绒面结构及背面的抛光结构，然后在背表面沉积硼硅玻璃(BSG)；接着，利用共扩散形成了前表面场n+ FSF区域和背表面发射极p+ emitter区域；然后在背表面激光图形化及清洗后的区域用P离子注入方式形成背表面场n+ BSF区域；在经过退火氧化和PECVD沉积钝化减反射膜层后，用丝网印刷的方式在硅片不同的背表面区域（p+ emitter和n+ BSF）形成了不同的金属化接触。在此基础上，用软件Wafer Ray Tracer模拟了在不同的表面结构（前表面制绒和背表面抛光-FTBP）下，光生电流密度JG随着SiNx:H钝化减反射膜层的折射率变化而变化，且在低折射率下(n<2.15)可以获得更高的电流密度JG。

通过Sinton WCT-120测试，给出了对于BJBC电池的前驱体（金属化前的硅片），在不同的退火温度（870, 900, 930, 960和990 oC）及相同的退火时间30 min下的Implied Voc值。结果显示，在960 oC下，Implied Voc平均值能达到0.695 V。我们还采取了在p+ emitter区域用Ag/Al浆料和在n+ BSF区域用了Ag浆料，而且通过实验对比论证了p+ emitter区域的Floating bus bar的设计会减少对开路电压Voc的破坏。并且从Suns-Voc测量可以导出影响发射结金属化接触损失的暗饱和电流密度J01在400 fA/cm2以下。最终给出了经过第三方权威机构SERIS认证下的小面积（4.04 cm2）BJBC电池的转换效率22.20%和电性能参数（开路电压Voc~0.660 V,短路电流密度Jsc~42.82 mA/cm2，填充因子FF~78.56%）。同时，运用同样的工艺制程，在较大尺寸（6×6 cm2）的硅片上实现了21.43%的转换效率。

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