1、nPERT雙面電池技術(shù)背景

近年來，N型硅太陽電池由于其優(yōu)越的性能，包括高的體壽命、對金屬雜質(zhì)高的容忍度以及沒有P型材料中由于硼氧(B-O)復(fù)合體所造成的光致衰減(LID)[1-3]效應(yīng)，越來越受產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。最新的光伏國際技術(shù)路線圖2015[4]中顯示，到2020之前，預(yù)測可實現(xiàn)低成本批產(chǎn)平均效率大于23%的均為N型電池;，而nPERT雙面電池的高發(fā)電性能正在引起很多一流制造廠商和市場的密切關(guān)注。

nPERT雙面電池基本工藝流程為：（1）雙面制絨（2）上表面擴(kuò)散硼制成P+N結(jié)（3）背面擴(kuò)散磷制成N+N結(jié)（4）雙面鈍化薄膜（5）雙面金屬化

PERT(Passivated Emitter，Rear Totally-diffused cell)，鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散電池，是一種典型的雙面電池。雙面太陽電池是指硅片的正面和反面都可以接受光照并能產(chǎn)生光生電壓和電流的太陽電池，這種電池可以用P型硅片制造，也可以用N型硅片制造。，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 nPERT電池結(jié)構(gòu)示意圖

2、nPERT雙面電池技術(shù)特點

nPERT雙面電池采用N型硅作襯底，具有少子壽命高、無光致衰減等優(yōu)點。常規(guī)P型電池由于使用硼摻雜的硅襯底，長時間光照后易形成硼氧鍵，在基體中捕獲電子形成復(fù)合中心，導(dǎo)致3~4%的功率衰減;而nPERT電池使用N型硅襯底，磷摻雜的基體使得電池幾乎無光致衰減。我們對nPERT電池進(jìn)行了光衰實驗驗證，如表1結(jié)果所示，光照60h后效率衰減僅0.11%，無光致衰減的特點能有效保證系統(tǒng)端的功率輸出和發(fā)電量。

表1 nPERT光衰實驗結(jié)果

通過EQE測試結(jié)果可知(如圖2)，相比于P型常規(guī)電池，nPERT電池具有更好的長波響應(yīng)，可將更多長波長的光吸收，尤其是制備成雙玻組件后背面可更高效率的吸收反射光和散射光。

圖2 nPERT電池與常規(guī)P型電池EQE比對

3、nPERT雙面電池組件技術(shù)優(yōu)勢

雙玻光伏組件就是指由兩片玻璃和太陽能電池片組成復(fù)合層，電池片之間由導(dǎo)線串、并聯(lián)匯集到引線端所形成的光伏電池組件，組件結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖3 雙玻組件結(jié)構(gòu)示意圖

2013年以來，隨著國內(nèi)外前期投資的光伏電站的陸續(xù)并網(wǎng)發(fā)電并運行一段時間后，國內(nèi)外電站的質(zhì)量問題時有出現(xiàn)。由于某些有機材料的壽命較短、耐候性較差，光伏組件中的EVA膠膜和背板的質(zhì)量開始被高度關(guān)注，水汽穿透背板導(dǎo)致劣質(zhì)EVA樹脂快速降解有密切的關(guān)系，EVA樹脂遇水即開始緩慢分解，其分解產(chǎn)物含醋酸，醋酸腐蝕光伏電池上的銀柵線、匯流帶等，使組件的發(fā)電效率逐年下降。為了規(guī)避這一問題，雙玻組件為高品質(zhì)光伏電站的較為理想的解決方案之一，但雙玻組件的電池片間漏光導(dǎo)致組件功率損失較大，組件正面功率相比常規(guī)背板偏低;同時，無框雙玻組件對封裝材料和封裝工藝要求較高。

基于nPERT雙面電池的雙玻組件，由于電池具備雙面發(fā)電的特點，采用雙面透光玻璃可實現(xiàn)雙面發(fā)電的功能，將人們對光伏組件的可靠性要求與發(fā)電量需求完美的整合解決：

（1）發(fā)電量高：

nPERT電池具有20%以上的單面轉(zhuǎn)換效率，制備的雙玻組件正面功率達(dá)280W以上，結(jié)合不同的雙面光照條件，可實現(xiàn)10%~30%的發(fā)電量增益(可采用廉價背面反射材料，大幅提升組件發(fā)電量)，如圖4所示;

圖4 不同反射條件nPERT雙玻組件發(fā)電量增益

（2）弱光相應(yīng)好：

由于nPERT電池本身具有長波響應(yīng)好的特點，結(jié)合雙玻組件雙面受光條件，可在早晨和傍晚實現(xiàn)發(fā)電量的增益，下圖為三組光伏陣列單日的發(fā)電量跟蹤曲線，將nPERT雙玻組件在兩種不同反射條件下與常規(guī)P型單晶進(jìn)行比較，可見在早晚兩個時段，nPERT雙玻組件有更好的弱光發(fā)電量保證。

圖5 nPERT雙玻組件與常規(guī)組件單日發(fā)電量跟蹤

（3）質(zhì)量可靠性高：

玻璃的透水率幾乎為零，不需要考慮水汽進(jìn)入組件誘發(fā)EVA膠膜水解的問題，降低蝸牛紋發(fā)生的概率。玻璃的耐候性、耐腐蝕性強，耐磨性也非常好，也解決了組件在野外的耐風(fēng)沙問題。雙玻組件不需要鋁框，除非在玻璃表面有大量露珠的情況外，沒有鋁框使導(dǎo)致PID發(fā)生的電場無法建立，其大大降低了發(fā)生PID衰減的可能性。

4、nPERT雙面電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)關(guān)鍵

nPERT雙面電池的工藝流程比常規(guī)電池工藝略為復(fù)雜，其中產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)有兩個，一個是雙面摻雜技術(shù)，另一個是雙面鈍化技術(shù)。

目前的雙面電池主要是基于正面發(fā)射結(jié)和背表面場(BSF)的結(jié)構(gòu)，正面硼擴(kuò)散的方法很多，按硼源的類型來分，有液態(tài)BBr3擴(kuò)散，以及各種用于絲網(wǎng)印刷和旋涂的商品化硼漿，按擴(kuò)散設(shè)備來分主要有管式擴(kuò)散和鏈?zhǔn)綌U(kuò)散兩種。研究發(fā)現(xiàn)，在眾多硼擴(kuò)散方式中，用氮氣攜帶液態(tài)BBr3進(jìn)行管式擴(kuò)散的效果較好。與其它方法相比，該方法更有利于避免金屬污染。采用該擴(kuò)散方法，硅片有效少子壽命比用其它方法擴(kuò)散的樣品較高，但硼擴(kuò)散存在的一個問題是均勻性較難控制。在擴(kuò)散前期，BBr3反應(yīng)生成B2O3，后者沉積在硅片表面，并在高溫作用下擴(kuò)散進(jìn)入硅基體，這與磷擴(kuò)散時POCl3先生成P2O5再沉積到硅片表面的過程相類似。不同的是，P2O5在850℃時為氣相，可以均勻沉積在硅片表面。而B2O3的沸點較高，擴(kuò)散過程中一直處于液相狀態(tài)，難以均勻覆蓋在硅片表面，因此擴(kuò)散均勻性控制難度較大，必須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝調(diào)控。圖6為典型的硼擴(kuò)散方阻均勻性差異圖。

圖6 硼擴(kuò)散方阻均勻性示意圖（左至右分別為均勻性差、中、好）

背面N+的形成可以有熱擴(kuò)散的形式也可以用離子注入的形式。若是使用熱擴(kuò)散的方式，則工藝過程中要用到掩膜工藝，增加了工藝的成本及復(fù)雜性。離子注入是一種能夠單面摻雜且均勻性很好的半導(dǎo)體制造工藝，通過調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)和配套的退火工藝可以達(dá)到所需要設(shè)計的結(jié)形及結(jié)深，而且可以省去去磷/硼硅玻璃(P/BSG)步驟，簡化了制造工藝。如圖7所示為四種不同工藝下發(fā)射結(jié)的濃度分布情況[6]：

圖7 四種不同注入工藝下的發(fā)射極的ECV圖

鈍化可以明顯地改善電池表面狀態(tài)、提升電池的性能，雙面電池所需鈍化與常規(guī)電池相比有其獨特的要求。在N+背表面場上，采用SiO2/SiNx疊層鈍化膜，SiO2膜可以很好的對N+面進(jìn)行表面鈍化，加上SiNx膜的帶正電荷特性，可以同時獲得較好的表面鈍化和場鈍化的效果，而且還能起到很好的減反射作用，如圖8所示。但是在正面的P+摻雜面使用SiO2/SiNx疊層鈍化膜卻無法獲得同樣的效果，這是由于SiNx帶正電荷，SiOx膜也偏正型，因此缺少了場鈍化效果。為進(jìn)一步提升鈍化效率，可以考慮P+摻雜面使用Al2O3薄膜鈍化技術(shù)，Al2O3自身帶有負(fù)電荷，很多實驗證明對P型硅(c-Si)的場鈍化效果好過熱生長的SiO的鈍化效果。

圖8 不同鈍化層在N+摻雜面的Implied-Voc和少子壽命

5、存在問題及展望

nPERT雙面電池由于其優(yōu)異的性能、高可靠性和高發(fā)電量能力，逐步成為光伏行業(yè)關(guān)注的熱點，但困擾此產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展的主要問題是如何降低產(chǎn)品制造成本、提高市場占有率。nPERT雙面電池高功率、雙面發(fā)電，相比常規(guī)電池的增益及系統(tǒng)端度電成本的下降明顯，但為保證產(chǎn)品具有較高毛利率，其成本與常規(guī)電池相比要控制在較低的增幅。我們相信，隨著制造工藝及控制的不斷成熟，批產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，nPERT電池匹配材料和國產(chǎn)化設(shè)備的不斷降本，成本肯定會有明顯的下降，nPERT雙面電池良好的性價比將不斷凸現(xiàn)。

nPERT雙面電池具有發(fā)電量高、質(zhì)量可靠性高的特點，對延長光伏系統(tǒng)使用壽命，大幅降低度電成本，實現(xiàn)平價上網(wǎng)將扮演重要角色。相信隨著其光伏系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)的不斷反饋和性能特點的實地驗證，市場及客戶接受度將不斷提高，產(chǎn)品的市場占有率和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將會迎來新的高峰。