本文择要
在晶体硅太阳能电池中，金属-半导体打仗区域存在严重的复合，成为制约晶体硅太阳能电池效率发展的主要成分。隧穿氧化层钝化金属打仗构造由一层超薄的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层组成，可以显著降落金属打仗区域的复合，同时兼具良好的打仗性能，可以极大地提升太阳能电池的效率。为了评估目前商业化高效电池的效率潜能，如PERC、HIT、钝化打仗电池等，德国有名太阳能研究所（ISFH）在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性的观点从理论上对不同构造太阳能电池的理论效率极限做了细致的剖析，结论是钝化打仗电池（例如TOPCon电池）具有更加高的效率极限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%极限效率，同时也远远高于PERC电池（24.5%），最靠近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）。
随着太阳能电池研究的不断进步与深入，多种不同构造的高效太阳能电池被开拓，如 PERC、IBC、HIT、TOPCon等，同时太阳能电池转换效率越来越靠近其理论极限。纵不雅观单晶硅太阳能电池天下效率记录的提升历史，会创造效率提升有三个比较快速的期间。前两个分别是1954-1960年晶硅太阳能电池刚研发出来的几年内以及1985-2000年前后。前者发射极没有钝化(un-passivated emitter)，效率提升(从5%到15%)更多得益于光学方面的改进；后者则对发射极进行了钝化(passivated emitter)，同时在背面引入金属局域打仗对背面也进行了钝化，该期间的效率提升(从20%到25%)更多来自于电学（复合）方面的增益。第三个期间便是在最近几年，效率提升(>25%)得益于对金属打仗进行了全区域的钝化(passivating contacts)。
1.钝化打仗电池
背景先容
目前商业化的晶体硅太阳能电池中，前表面一样平常采取浅结高方阻设计，对付p型电池，前表面为磷掺杂的n+发射极构造，经由丝网印刷、烧结之后金属打仗区域的暗饱和电流密度（J0,metal）为800~1000 fA/cm2；对付n型电池，前表面具有相同方阻的p+发射极经由丝网印刷、烧结之后，金属打仗区域的暗饱和电流密度（J0,metal）为1000~2000 fA/cm2。随着市场对高效电池和高功率组件的需求急剧增加，降落金属-半导体打仗区域的复合显得尤为主要。
1.1 作甚钝化打仗太阳能电池
隧穿氧化层钝化打仗（Tunnel Oxide Passivating Contacts）电池的观点由德国夫琅禾费太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)于2013年提出，下图为该N型钝化打仗太阳能电池的构造示意图。
图1. 钝化打仗太阳能电池构造示意图[1]
前表面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有实质差异，紧张差异在于背面。硅片背面采取硝酸湿法氧化出一层1.4 nm旁边的极薄氧化硅层，并利用PECVD在氧化层表面沉积一层20 nm厚的磷掺杂的微晶非晶稠浊Si薄膜。钝化性能需通过后续退火过程激活，Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变革，由微晶非晶稠浊相转变为多晶。在850 °C的退火温度下退火，iVoc > 710 mV, J0在9-13 fA/cm²，显示了钝化打仗构造精良的钝化性能。所制备的电池效率超过23%，别的电性能参数如Voc, Jsc和FF在表1中列出。下图2和图3分别为Fraunhofer-ISE 的单晶钝化打仗太阳能电池的效率提升及钝化性能改进曲线，从中可以看到钝化打仗技能对付效率提升的潜力。目前N型前结钝化打仗太阳能电池天下记录(25.8%)由该研究所保持（别的电性能参数见表1）。
图2. Fraunhofer-ISE的N型单晶钝化打仗太阳能电池效率进展
图3. Fraunhofer-ISE的N型单晶钝化打仗太阳能电池钝化性能进展
1.2 钝化打仗太阳能电池的上风
为什么高效太阳能电池效率提升到25%之后的技能路线是钝化打仗电池，而非其他构造的太阳能电池；为什么是N型钝化打仗电池，而非P型钝化打仗电池，这是个值得思考的问题。
常规Al-BSF太阳能电池由于背面金属电极直接与Si打仗，载流子复合严重，导致J0偏高，Voc难以超过685 mV。PERC太阳能电池在背面金属与Si之间沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，利用场钝化和化学钝化对背表面实现了精良的钝化效果，提高了电池Voc。目前PERC太阳能电池的Voc可以靠近690 mV，但仍难以超过700 mV。由于Al2O3/SiNx均为介质绝缘膜，为实现电学打仗，需对介质膜进行局域开孔，由此造成载流子需通过二维输运才能被金属电极网络，造成横向电阻输运损耗，FF随着金属打仗间距的增加而减少。同时金属与Si局域打仗仍旧在该区域存在较高的复合，即J0,metal比较高。
更高效的太阳能电池哀求在具有良好的界面钝化情形下，尽可能实现一维纵向输运，使Voc和FF最大化。而钝化打仗便是实现该功能的路子之一。钝化打仗电池的Poly-Si与Si基底界面间的氧化硅对钝化起着非常关键的浸染，氧化硅通过化学钝化降落Si基底与Poly-Si之间的界面态密度。多数载流子通过隧穿事理实现输运，少数载流子则由于势垒以及Poly-Si场效应的存在难以隧穿通过该氧化层。在重掺Poly-Si中，多数载流子浓度远高于少数载流子，降落电子空穴复合几率的同时，也增加了电导率形成多数载流子的选择性打仗。在选择性打仗区域，多子传输导致电阻丢失，同时少量少子向金属打仗区域迁移导致复合丢失。前者对应打仗电阻ρc，而后者则对应界面复合J0。目前国际宣布了J0低至2 fA/cm2，ρc低至3 mΩ/cm2的n+ Poly钝化打仗，iVoc高达733 mV [2]，而电池Voc也可轻松打破700 mV。
HIT也采取了类似打仗钝化的技能。HIT采取非晶硅作为钝化材料，非晶硅存在较严重的寄生接管，同时由于非晶硅的钝化性能对温度敏感，以是HIT电池哀求制备温度低于200 °C，配套地哀求利用低温银浆、透明导电层（TCO），而TCO存在较强的自由载流子接管。此外仅靠单层TCO作为减反射层，减反效果较差。综合这些成分可以认为钝化打仗电池是目前更具有量产前景的钝化打仗技能。
图4. n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的钝化打仗性能[3]
图4显示了n+ Poly，p+ Poly和a-Si:H三者的钝化打仗性能[3]。可以看出n+ Poly和a-Si:H的钝化性能靠近，均优于p+ Poly钝化性能。但是，a-Si:H打仗电阻率（ρc）比n+ Poly大，p+ Poly无论钝化性能还是打仗电阻率都不如n+ Poly。目前PERC太阳能电池背面采取Al2O3/SiNx叠层钝化，J0低于10 fA/cm2，钝化性能乃至优于p+ Poly，使p+ Poly在p型太阳能电池中损失上风；而n+ Poly用作P型太阳能电池前表面的发射极，则又会存在多晶硅寄生接管的问题，导致短路电流低。因此P型钝化打仗电池相对N型钝化打仗电池更没有上风，这也是险些所有企业都将目光聚焦在N型钝化打仗电池的缘故原由。
1.3 钝化打仗太阳能电池的潜力
从宏不雅观上讲，SiOx/(n+或p+) Poly与a-Si:H(i)/a-Si:H(n+或p+)均属于载流子选择性打仗构造，即知足以下两方面的条件：1）抑制少数载流子的传输，避免其达到界面与多数载流子发生复合（低的J0）；2）促进多数载流子的有效传输，降落电阻丢失（低的ρc）。德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）所长R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt为了定量比较不同材料的电学性能，将钝化性能参数（J0）和打仗性能参数（ρc）结合在一起，定义了材料载流子选择性（Selectivity）的观点，用S10表示[4]。个中，S10=log[Vth/( J0•ρc)]，Vth为25 °C时的热电压。不同的载流子选择性材料与硅基底结合构成载流子选择性电池，材料的载流子选择性决定电池极限效率的上限。R. Brendel、R. Peibst及J. Schmidt在2019年Silicon PV的报告会上基于载流子选择性S10的观点从理论上对不同构造太阳能电池的理论效率极限做了细致的剖析[5]，如图5所示。
图5. 不同电子/空穴选择性打仗材料组成电池的极限效率[5]
图5为不同电子/空穴选择性材料结合组成的太阳能电池的极限效率打算，电子选择性材料SiOx/n+ Poly-Si与空穴选择性材料SiOx/p+ Poly-Si结合的电池的选择性可以达到13.8~14.2，高于电子选择性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(n+)与空穴选择性材料a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)结合的电池，即HIT，因而具有更加高的效率极限（28.2%~28.7%），高于HIT的27.5%极限效率，同时也远远高于PERC电池（24.5%），最靠近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）[6]。
2.钝化打仗太阳能电池
研究进展
2.1 学术界
目前海内学术界研究钝化打仗太阳能电池开展得不多。中国科学院宁波材料技能与工程研究所(NIM TE, CAS, China)制备的小面积(4 cm2)的钝化打仗电池效率为22.15%，156×156 mm2尺寸的电池效率为21.37%。此外该研究所在理论仿照方面也做了干系事情，采取AFORS-HET软件仿照了氧化硅厚度、界面态密度以及poly-Si性子对钝化打仗电池性能的影响。上海交通大学沈文忠教授团队制备的大面积(156.75×156.75 mm2)的钝化打仗太阳能电池均匀转换效率在20.7%以上，最高效率靠近22%。
国外研究钝化打仗太阳能电池的研究所或高校紧张有Fraunhofer-ISE（德国），ISFH（德国）, ANU（澳大利亚），SERIS（新加坡）和TU-Delft（荷兰），ECN（荷兰）。个中ISFH和TU-Delft紧张研究POLO-IBC太阳能电池，即将钝化打仗技能运用在IBC太阳能电池中。
Fraunhofer-ISE目前保持N型单晶和多晶钝化打仗电池天下记录效率，命名为TOPCon电池，Feldmann等在2013岁首年月次宣布的电池便是双面TOPCon构造，电池具有703 mV的Voc和23.7%的效率；2014年，Feldmann等通过改进金属打仗面积和降落打仗丢失，将电池的Voc提升至715.1 mV，取得24.4%的转换效率；2015年，Fraunhofer-ISE将电池背面TOPCon构造的J0降到7 fA/cm2，同时将电池效率提升至25.1%；2017年，Richter和Feldmann等探究不同硅片厚度及电阻率对TOPCon电池效率的影响，在4cm2大小，电阻率为1 Ω•cm，厚度为200 μm的FZ硅片上取得了25.8%的前结天下效率记录，详细电性能参数见表1。
Fraunhofer-ISE也进行P型钝化打仗电池的研究， P型钝化打仗电池有前表面场 (FSF) 和没有FSF的效率分别为24.3%与23.9%。双面采取钝化打仗构造的P型Si太阳能电池效率为19.2%。Fraunhofer-ISE的研究表明，钝化打仗太阳能电池对硅片的电阻率和厚度比较其他技能的太阳能电池有更宽的容忍率[1]。该研究所制备的大面积（100 cm2）的钝化打仗太阳能电池效率高达24.5%，Voc为713 mV。
ISFH研究的钝化打仗太阳能电池命名为POLO (Poly Si on Oxide)太阳能电池。该研究所对POLO太阳能电池的钝化机理，载流子输运机理以及表征做了非常深入的研究。该研究所的研究表明采取氧化硅作为钝化层+多晶硅作为载流子选择性打仗材料，是能取得潜在最高效率的组合。2016年，ISFH制备的N型POLO-IBC太阳能电池效率达到24.25%，Voc为727.1 mV；2018年其制备的P型POLO IBC太阳能电池效率则高达26.1%，是目前P型太阳能电池的天下记录效率[2]。但该电池不仅需采取光刻技能掩膜来分别实现硼原子和磷原子的注入，也须要精确掌握激光开膜的能量来减少对poly钝化性能的损伤，制备流程繁芜，不适宜家当化。
ANU也有研究n-Si基底和p-Si基底的钝化打仗太阳能电池。该研究所目前N型钝化打仗太阳能电池效率为24.7%，别的性能参数见表1。ANU首次采取磁控溅射制备p+ Poly，其p型钝化打仗太阳能电池效率为23%，Voc超过700mV，表明磁控溅射也可以制备出性能精良的Poly-Si[7]。
SERIS制备的大面积(244.3 cm2)双面N型钝化打仗太阳能电池，称之为MonoPolyTM。2018年宣布的电池效率为22.8%，J0, Poly 85%；2019年Silicon PV上，SERIS宣布了将大面积电池的效率提升至23.2%[8]。TU-Delft制备POLO-IBC电池效率超过22%，J0, p+ Poly=4.5 fA/cm2, J0,n+ Poly=11.5 fA/cm2。该电池基区与发射区之间的gap采取a-Si:H进行钝化，金属电极与BSF，Emitter之间也有一层a-Si:H[[9]。ECN称其N型钝化打仗太阳能电池为PERPoly (Passivated Emitter and Rear Polysilicon)，面积达239 cm2， 2016年对外公布的效率为21.5%。
表1. 不同研究所的钝化打仗太阳能电池性能参数
下表2归纳整理了这些研究所目前最佳性能的钝化打仗太阳能电池的干系性能参数以及制备工艺。与大多数研究所不同，ISFH所制备的氧化硅层厚度超过2 nm，并且在后续工艺中采取1050℃的退火使氧化硅层分裂，形成孔洞(pinhole),从而实现界面钝化和载流子的输运。
表2. 不同研究所的钝化打仗太阳能电池钝化打仗性能
2.2 家当界
鉴于N型钝化打仗电池高效率、高可靠性等上风，海内大型光伏企业如中来、天合、晶科和晶澳等也对钝化打仗电池技能进行了大量的研发投入。中来股份自主研发的全尺寸N型单晶双面钝化打仗电池的转换效率可达23.3%，开路电压达到705 mV [10]；天合研发的钝化打仗电池经由ISFH第三方认证，效率达到24.58%；在家当化的道路上，中来股份一贯走在行业前列，是海内第一家将N型钝化打仗电池量产，目前拥有2.4GW 该电池产能，为环球最大的N型钝化打仗电池的研发和生产厂家。
3.中来N型单晶双面
钝化金属打仗技能
图6 中来n型单晶双面钝化打仗电池构造示意图
中来股份旗下的泰州中来光电科技有限公司于2017年7月开始N型双面钝化打仗电池的研发，电池的前表面采取Al2O3/SiNx叠层膜钝化，背表面为SiOx/n+ Poly隧道布局造，其前表面和背表面均为H型栅线电极，可双面发电，构造示意图如图6所示。2018年9月，N型双面钝化打仗电池的研发均匀转换效率达到22.5%，次月通过对现有的N型双面PERT产线的改造，建成产能为150 MW的双面N型双面钝化打仗电池试验线。2018年年底开始对现有的双面PERT产线进行全面的改造，截止2019年初全部改造完成，钝化打仗电池量产的均匀转换效率达到22.5%，经由进一步的工艺优化，产线的均匀量产效率可达22.66%，各项电性能参数汇总于表3
表3. 中来n型双面钝化打仗电池效率汇总
Independently confirmed by ISFH calibration
图7 STC条件下中来N型单晶双面钝化打仗电池的I-V曲线图（第三方独立认证）
泰州中来光电技能研发部致力于可量产化的双面钝化打仗电池的开拓，在现有生产工艺流程的根本上，通过工艺优化取得了>23%的电池均匀转换效率，经由德国ISFH独立认证，转换效率达到23.04%，Voc超过700 mV，如图7所示。近期批次最高效率达到23.3%，详细的电性能参数整理于表3，并操持在今年第三季度把干系工艺导入量产。
4.双面N型单晶钝化打仗电池的
家当前景
目前，国际上量产N型单晶钝化打仗电池最大规模的企业为韩国LG，量产的正面均匀效率可达23%，背面效率约为20%；海内量产N型单晶双面钝化打仗电池最大规模的企业为中来股份，拥有超过2GW的该电池产能，量产均匀效率达到22.66%。从家当化而言，N型PERT单晶电池与N型单晶钝化打仗电池大部分工艺相兼容，将N型PERT电池升级为N型钝化打仗电池效率增幅大且本钱增加少，效率会有0.8%~1%的增益， 本钱每片电池仅增加2~3毛，具有经济合理性。
图8. ITRPV 2019预测双面电池市场份额发展趋势[12]
相对付单面电池，双面电池背面可以充分利用大气散射及地面反射的太阳光，若对地面进行反射处理，如白漆、白膜等，增加组件背面的反射，可以显著提升组件的发电效果。依赖双面发电特性，双面组件在地皮、沙地和草地上增益发电21%-23%，在水泥地面上增益发电28%，在白漆地面上增益发电36%。2019年ITRPV预测双面电池市场份额发展趋势如图8所示，双面电池的市场份额将逐渐增加，2019年的占比达到~15%，将在2029年有望达到60%[11]，表明双面电池是未来电池技能发展的趋势。根据国家能源局公布的数据，2018年10个利用领跑基地（5 GW）项目中，双面技能占比为53%，3个技能领跑基地（1.5 GW）项目中，双面技能占比高达66%，可以预见双面电池技能是未来领跑基地项目的一定选择。
图9 ITRPV 2019预测不同类型太阳能电池的市场份额发展趋势[12]
ITRPV 2019预测不同高效太阳能电池的市场份额发展趋势如图9所示，图中可以看出，无论对付P型单晶PERC还是多晶PERC电池，市场份额的占比会呈现出逐年低落的趋势，N型单晶PERC电池的市场份额在2023年之前将坚持稳定，2023年之后会缓慢增长；而采取钝化打仗技能的电池将呈现逐年迅速增长的态势，尤其是采取钝化打仗技能的N型电池，将在2029年有望达到20%的市场份额，是P型钝化打仗电池的2倍。
综上所述：
1.钝化打仗电池构造具有精良的钝化性能和打仗性能，在实现载流子一维纵向输运的同时能降落金属与硅基底的复合，兼顾开路电压与添补因子，能有效提高太阳能电池的转换效率；根据理论打算，钝化打仗太阳能电池的潜在效率（28.7%）最靠近晶体硅太阳能电池理论极限效率（29.43%）。
2.Fraunhofer-ISE 目前保持n型单晶钝化打仗电池（前结）的天下记录效率，在4 cm2 面积的电池上实现了25.8%的转换效率；海内大型光伏企业，如中来、天合、晶科和晶澳等，对钝化打仗电池的研发可实现大于23%的转换效率。个中，中来已实现N型单晶双面钝化打仗电池的大规模量产，生产线的均匀量产效率可达22.66%，在小批量电池研发均匀效率>23%，经由德国ISFH独立认证， Voc超过700 mV，最近批次最高效率达到23.3%。
3.比较于P型PERC电池，N型单晶钝化打仗电池具有高效率、龟龄命、无LID和弱光相应好等优点，N型单晶钝化打仗电池与常规N-PERT电池工艺相兼容，升级钝化打仗电池，效率增幅大，本钱增加少。
4.根据ITRPV 2019预测，双面电池技能是符合市场发展的趋势，市场份额将逐渐增加；同时，双面电池技能也是未来领跑基地项目的一定选择。钝化打仗技能与双面电池技能的结合，是未来单晶太阳能电池技能发展的主流趋势。
参考文献
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本文来源：中来光电
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