摘要: 在所有的太陽能電池技術中，硅基異質結（HJT）太陽能電池最引人注目，因為其具有高的轉換效率、簡單的工藝流程和低的溫度系數(shù)。在HJT太陽能電池的制造過程中，等離子增強化學氣相沉積設備（PECVD）沉積多層非晶硅層以鈍化硅片的表面，這在元器件的性能表現(xiàn)方面起到至關重要的作用。使用精曜科技的PECVD設備在160um厚的絨面常規(guī)n型CZ硅片表面沉積5nm厚的非晶硅鈍化層，我們得到了非常低的表面復合速率和740mV的潛在開路電壓(iVoc)值。另外，通過RPD設備沉積透明導電氧化層，可以同時得到優(yōu)越的光學特性和電學特性，提升了器件的電流密度（Jsc）和填充因子（FF），這主要歸功于其具有較高的載子遷移率和較低的自由載子濃度（FCC）。結合PECVD技術良好的表面鈍化效果和RPD制備TCO的優(yōu)異表現(xiàn)，我們初步在六英寸電池片上得到了大于21%的轉換效率。
關鍵詞：硅異質結太陽能電池，PECVD，RPD，TCO
1介紹
光伏技術在產生電能時可實現(xiàn)零CO2排放，因此被認為是重要的可再生清潔能源，而光伏產業(yè)的目標是讓光伏發(fā)電成本與傳統(tǒng)的電網發(fā)電成本相比具有一定的競爭力。近幾年，由于硅片、電池片和組件的產能不斷擴張，光伏發(fā)電成本也出現(xiàn)了實質性的下降。因此，降低集成成本（BOS）在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)成本結構中的比例也變得更加重要，這意味著高效組件在降低系統(tǒng)成本的過程中將扮演著最重要的角色，因為它們在提供相同電量的情況下可以節(jié)約更多的BOS成本。屋頂應用受有限的安裝面積所限制，因此高效電池在這方面更發(fā)揮舉足輕重的地位。在所有的太陽能電池技術中，研究硅基異質結（HJT）太陽能電池具有重要的意義，因為其具備轉換效率高(24.7%)[1], 結構簡單, 制程溫度低(< 250℃), 工藝步驟少以及溫度系數(shù)低等優(yōu)點。結合背接觸技術，在商業(yè)化的硅片尺寸上，HJT太陽能電池轉換效率已經達到了25.6%的記錄，這在硅基太陽能電池技術中是最高的[2]。
與傳統(tǒng)的P型單晶/多晶太陽能電池相比，n型單晶襯底的HJT太陽能電池可以得到更高的轉換效率，而且只需要很少的工藝步驟。同時，HJT具有獨特的無PID（電勢誘導衰減）和無LID（光致衰退）效應保證了光伏組件更可靠和更長的使用壽命[3,4]。表1總結了HJT太陽能電池和傳統(tǒng)光伏技術相比所具有的優(yōu)點。
2 HJT太陽能電池的核心制造設備
2.1 等離子增強化學氣相沉積
在生產制造HJT太陽能電池的過程中，PECVD扮演著最重要的角色。其不僅決定著對產品性能起至關重要作用的鈍化效果，同時也占據了最大的設備成本。非晶硅鈍化層由精曜(蘇州)新能源科技有限公司（Archers）所設計的線性群集式ALC-PECVD系統(tǒng)所完成，此系統(tǒng)具有平行板電極結構并采用13.56MHz射頻電源。入光面沉積本征鈍化層（i）并在上面堆疊摻硼的（P）層，背面同樣沉積本征鈍化層（i）并堆疊摻磷的（n）層。鈍化效果通過鍍在刻蝕方向為<100>的絨面CZ硅片上來評估，硅片尺寸為156×156mm，并使用Sinton WCT-120進行測試。同時，也采用未制絨的FZ硅片和橢偏儀來評估非晶硅層的性質。鍍在絨面上膜層厚度按照常規(guī)的方式由幾何因子1.7來區(qū)分決定[5]。
表面鈍化通過在制絨的CZ硅片上下表面沉積5nm厚的非晶硅本征層來完成。圖1.顯示了在瞬態(tài)模式下測得的iVoc值和少子壽命值（MCLT）。首先，這個系統(tǒng)實現(xiàn)了很好的鈍化效果，在六英寸160um厚的整面制絨CZ硅片上得到了741mV 的iVoc值和2.6ms的少數(shù)載子壽命值。精曜科技的線性群集式ALC-PECVD設備采用的CVD托盤尺寸是1,150mm×1,450mm，如圖2.所示，在整面的托盤上放置平面基板，鍍8nm厚的膜層均勻性可以達到3.3%，整個托盤面積上的膜厚均勻性對于高產能的批量生產至關重要，而且在連續(xù)5個運行批次中仍可重復得到值為4.2%良好的膜厚均勻性。
2.2 反應等離子沉積(RPD)
入光面的TCO層對異質結電池起到至關重要作用，它不僅需要具有良好的電導率以更好地輸出電池功率同時還需要具有良好的抗反射率及較低的吸收率以利于更多的光投射到下方的半導體層。在蝕刻方向為<100>的硅片上，具有金字塔形貌的最佳TCO抗反射層膜厚為~70nm，另外,a-Si層的存在限制TCO層的沉積溫度，在TCO膜的沉積過程中可以通過選擇氧氣的流量來調控載流子的濃度，以得到穿透率與電導率的最佳平衡值。但想要同時改善電導率和透光率就需要靠增加載流子的遷移率來實現(xiàn)，但在現(xiàn)有的條件參數(shù)下較難實現(xiàn)。對于高效率的HJT電池，歐洲的HETSI項目記錄了前TCO層載流子濃度達到極限值(n<2×1020cm-3)和電阻率達到極限值(<5×10-4 Ohm-cm)時,載流子遷移率至少為60cm2/Vs[6]。采用直流（DC）磁控濺射法制備的InOx 層在(<250℃)的溫度下退火得到的TCO膜性質與上述標準相比還有較大的差距，如表2所示。
RPD方法不但可得到很高的載流子遷移率，同時會產生大量的離子成份[7]來促使膜層在沉積過程中進一步晶化。事實上，在室溫沉積和不需要退火的條件下，可以得到沿著單一方向均勻生長的有效結晶膜層[8]，從表2可以發(fā)現(xiàn)其更高的遷移率。氧化銦做為TCO層對長波的吸收可以通過Drude模型很好的展現(xiàn)[9]。通過這個模型，圖3.顯示了在通過調節(jié)載流子濃度并固定電阻率的情況下載流子遷移率的增加對吸收率的作用。降低載流子的濃度對于光線的收集有多重的益處，因為折射率的改變拓寬了抗反射的帶寬。最后，由于RPD沉積InOx的過程中通過熱蒸發(fā)傳遞給原子的能量遠小于磁控濺射工藝過程中電壓加速傳遞的動量，因此避免了非晶硅界面層受到損傷。
圖3:固定電阻率情況下增加載流子濃度對TCO膜在波長1100nm處的吸收作用的影響。在遷移率為30cm2/Vs 起始點處的值是由典型的鍍在玻璃上電阻率為4×10-4Ohm-cm的100nm的ITO膜得到，其它的一系列值由Drude模型計算出來。
2.3 器件結果
如圖4所示，由精曜科技的ALC-PECVD鍍非晶硅層，RPD鍍TCO層和絲網印刷電極所制備的電池的最佳初始值為開路電壓（Voc）713mV和轉換效率20.4%。得益于RPD制備得到TCO膜的較低的自由載子吸收率，我們可以得到高達37.3mA/cm2的Jsc結果?；谖覀兊挠嬎?，同時優(yōu)化絲網印刷工藝可以在保持高的FF的情況下得到超過38mA/cm2的短路電流。
圖4:全尺寸的硅基異質結電池在標準測試條件下測得的I-V曲線（室內測試）。
經過PECVD與RPD的制程優(yōu)化，精曜公司目前在六英寸全尺寸CZ硅晶片已可達到21.5%的轉換效率，并將元件開路電壓(Voc)提升至730mV。相關結果將會在近期整理發(fā)表。
3 結論
我們討論了制備高轉換效率的硅基異質結太陽能電池的關鍵真空工藝設備。就這一點來說，精曜科技的ALC-PECVD平臺可以實現(xiàn)高質量的鍍膜鈍化效果和膜厚均勻性。只需要鍍5nm厚的本征非晶硅層就可以在絨面的硅片上起到很好的鈍化效果并且得到741mV的iVoc，而且在尺寸為1,150mm×1,450mm托盤上制備的膜層厚度不均勻性低于3.3%，以及在5個連續(xù)運行批次內厚度不均勻性仍可保持在4.2%以內。結合精曜科技的ALC-PECVD工藝和RPD鍍高載流子遷移率的TCO膜層以及絲網印刷電極，可以在六英寸全尺寸HJT電池上初步得到超過21%的轉換效率。
參考文獻
[1] S. Tohoda et al., in 23th PVSEC, Taiwan, 28-31 October, 2013
[2]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
[3]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2013/01/en130115-2/en130115-2.html
[4] T. Ishiguro et al., in Photovoltaic Module Reliability Workshop, U.S., 26-27 February, 2013
[5] S. De Wolf et al., Green 2, 7, 2012
[6] P.-J. Ribeyron et al., in 26th EuPVSEC, 2011
[7] D.M. Mattox, Handbook of PVD Processing, p. 406, 1998
[8] Z. Lu et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 46, 2013
[9] H. Fujiwara et al., Phys. Rev. B 71, 075109, 2005
[10] Z.C. Holman et al., IEEE J. Photovoltaics 2, 1, 2012
[11] E. Kbayashi et al., 27th EuPVSEC, 2012
關鍵詞：硅異質結太陽能電池，PECVD，RPD，TCO
1介紹
光伏技術在產生電能時可實現(xiàn)零CO2排放，因此被認為是重要的可再生清潔能源，而光伏產業(yè)的目標是讓光伏發(fā)電成本與傳統(tǒng)的電網發(fā)電成本相比具有一定的競爭力。近幾年，由于硅片、電池片和組件的產能不斷擴張，光伏發(fā)電成本也出現(xiàn)了實質性的下降。因此，降低集成成本（BOS）在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)成本結構中的比例也變得更加重要，這意味著高效組件在降低系統(tǒng)成本的過程中將扮演著最重要的角色，因為它們在提供相同電量的情況下可以節(jié)約更多的BOS成本。屋頂應用受有限的安裝面積所限制，因此高效電池在這方面更發(fā)揮舉足輕重的地位。在所有的太陽能電池技術中，研究硅基異質結（HJT）太陽能電池具有重要的意義，因為其具備轉換效率高(24.7%)[1], 結構簡單, 制程溫度低(< 250℃), 工藝步驟少以及溫度系數(shù)低等優(yōu)點。結合背接觸技術，在商業(yè)化的硅片尺寸上，HJT太陽能電池轉換效率已經達到了25.6%的記錄，這在硅基太陽能電池技術中是最高的[2]。
與傳統(tǒng)的P型單晶/多晶太陽能電池相比，n型單晶襯底的HJT太陽能電池可以得到更高的轉換效率，而且只需要很少的工藝步驟。同時，HJT具有獨特的無PID（電勢誘導衰減）和無LID（光致衰退）效應保證了光伏組件更可靠和更長的使用壽命[3,4]。表1總結了HJT太陽能電池和傳統(tǒng)光伏技術相比所具有的優(yōu)點。
2 HJT太陽能電池的核心制造設備
2.1 等離子增強化學氣相沉積
在生產制造HJT太陽能電池的過程中，PECVD扮演著最重要的角色。其不僅決定著對產品性能起至關重要作用的鈍化效果，同時也占據了最大的設備成本。非晶硅鈍化層由精曜(蘇州)新能源科技有限公司（Archers）所設計的線性群集式ALC-PECVD系統(tǒng)所完成，此系統(tǒng)具有平行板電極結構并采用13.56MHz射頻電源。入光面沉積本征鈍化層（i）并在上面堆疊摻硼的（P）層，背面同樣沉積本征鈍化層（i）并堆疊摻磷的（n）層。鈍化效果通過鍍在刻蝕方向為<100>的絨面CZ硅片上來評估，硅片尺寸為156×156mm，并使用Sinton WCT-120進行測試。同時，也采用未制絨的FZ硅片和橢偏儀來評估非晶硅層的性質。鍍在絨面上膜層厚度按照常規(guī)的方式由幾何因子1.7來區(qū)分決定[5]。
表面鈍化通過在制絨的CZ硅片上下表面沉積5nm厚的非晶硅本征層來完成。圖1.顯示了在瞬態(tài)模式下測得的iVoc值和少子壽命值（MCLT）。首先，這個系統(tǒng)實現(xiàn)了很好的鈍化效果，在六英寸160um厚的整面制絨CZ硅片上得到了741mV 的iVoc值和2.6ms的少數(shù)載子壽命值。精曜科技的線性群集式ALC-PECVD設備采用的CVD托盤尺寸是1,150mm×1,450mm，如圖2.所示，在整面的托盤上放置平面基板，鍍8nm厚的膜層均勻性可以達到3.3%，整個托盤面積上的膜厚均勻性對于高產能的批量生產至關重要，而且在連續(xù)5個運行批次中仍可重復得到值為4.2%良好的膜厚均勻性。
圖1:(左) 潛在開路電壓(iVoc) vs. 輻照密度。在1個標準太陽輻照強度下可得到741mV的iVoc; 右）少子壽命 vs. 少數(shù)載流子濃度。少數(shù)載子濃度（MCD）為2E15時的少子壽命為2.6ms。
圖2:鍍8nm厚的膜層在整面CVD托盤內的均勻性可達3.3%
圖2:鍍8nm厚的膜層在整面CVD托盤內的均勻性可達3.3%
2.2 反應等離子沉積(RPD)
入光面的TCO層對異質結電池起到至關重要作用，它不僅需要具有良好的電導率以更好地輸出電池功率同時還需要具有良好的抗反射率及較低的吸收率以利于更多的光投射到下方的半導體層。在蝕刻方向為<100>的硅片上，具有金字塔形貌的最佳TCO抗反射層膜厚為~70nm，另外,a-Si層的存在限制TCO層的沉積溫度，在TCO膜的沉積過程中可以通過選擇氧氣的流量來調控載流子的濃度，以得到穿透率與電導率的最佳平衡值。但想要同時改善電導率和透光率就需要靠增加載流子的遷移率來實現(xiàn)，但在現(xiàn)有的條件參數(shù)下較難實現(xiàn)。對于高效率的HJT電池，歐洲的HETSI項目記錄了前TCO層載流子濃度達到極限值(n<2×1020cm-3)和電阻率達到極限值(<5×10-4 Ohm-cm)時,載流子遷移率至少為60cm2/Vs[6]。采用直流（DC）磁控濺射法制備的InOx 層在(<250℃)的溫度下退火得到的TCO膜性質與上述標準相比還有較大的差距，如表2所示。
RPD方法不但可得到很高的載流子遷移率，同時會產生大量的離子成份[7]來促使膜層在沉積過程中進一步晶化。事實上，在室溫沉積和不需要退火的條件下，可以得到沿著單一方向均勻生長的有效結晶膜層[8]，從表2可以發(fā)現(xiàn)其更高的遷移率。氧化銦做為TCO層對長波的吸收可以通過Drude模型很好的展現(xiàn)[9]。通過這個模型，圖3.顯示了在通過調節(jié)載流子濃度并固定電阻率的情況下載流子遷移率的增加對吸收率的作用。降低載流子的濃度對于光線的收集有多重的益處，因為折射率的改變拓寬了抗反射的帶寬。最后，由于RPD沉積InOx的過程中通過熱蒸發(fā)傳遞給原子的能量遠小于磁控濺射工藝過程中電壓加速傳遞的動量，因此避免了非晶硅界面層受到損傷。
圖3:固定電阻率情況下增加載流子濃度對TCO膜在波長1100nm處的吸收作用的影響。在遷移率為30cm2/Vs 起始點處的值是由典型的鍍在玻璃上電阻率為4×10-4Ohm-cm的100nm的ITO膜得到，其它的一系列值由Drude模型計算出來。
2.3 器件結果
如圖4所示，由精曜科技的ALC-PECVD鍍非晶硅層，RPD鍍TCO層和絲網印刷電極所制備的電池的最佳初始值為開路電壓（Voc）713mV和轉換效率20.4%。得益于RPD制備得到TCO膜的較低的自由載子吸收率，我們可以得到高達37.3mA/cm2的Jsc結果?；谖覀兊挠嬎?，同時優(yōu)化絲網印刷工藝可以在保持高的FF的情況下得到超過38mA/cm2的短路電流。
圖4:全尺寸的硅基異質結電池在標準測試條件下測得的I-V曲線（室內測試）。
經過PECVD與RPD的制程優(yōu)化，精曜公司目前在六英寸全尺寸CZ硅晶片已可達到21.5%的轉換效率，并將元件開路電壓(Voc)提升至730mV。相關結果將會在近期整理發(fā)表。
3 結論
我們討論了制備高轉換效率的硅基異質結太陽能電池的關鍵真空工藝設備。就這一點來說，精曜科技的ALC-PECVD平臺可以實現(xiàn)高質量的鍍膜鈍化效果和膜厚均勻性。只需要鍍5nm厚的本征非晶硅層就可以在絨面的硅片上起到很好的鈍化效果并且得到741mV的iVoc，而且在尺寸為1,150mm×1,450mm托盤上制備的膜層厚度不均勻性低于3.3%，以及在5個連續(xù)運行批次內厚度不均勻性仍可保持在4.2%以內。結合精曜科技的ALC-PECVD工藝和RPD鍍高載流子遷移率的TCO膜層以及絲網印刷電極，可以在六英寸全尺寸HJT電池上初步得到超過21%的轉換效率。
參考文獻
[1] S. Tohoda et al., in 23th PVSEC, Taiwan, 28-31 October, 2013
[2]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
[3]http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2013/01/en130115-2/en130115-2.html
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[6] P.-J. Ribeyron et al., in 26th EuPVSEC, 2011
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[8] Z. Lu et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 46, 2013
[9] H. Fujiwara et al., Phys. Rev. B 71, 075109, 2005
[10] Z.C. Holman et al., IEEE J. Photovoltaics 2, 1, 2012
[11] E. Kbayashi et al., 27th EuPVSEC, 2012