背接觸矽晶太陽能電池之概述與展望

 

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彭胤瑋/清華大學材料科學工程學系;張瀚丞/工研院綠能所
 
自背接觸電池的概念被提出以來,由於其結構特性帶來的許多優點,而成為太陽能領域的熱門研究項目。矽晶電池在產業上已有舉足輕重之地位,將會是不易被取代的主流產品。本文研究團隊開發的SP-IBC電池研究成功地證明了現行的主流PERC技術可以用來製造高效率n-IBC電池(η > 22%),這使得大面積的低成本高效率IBC電池不再只是空談,而是具有商業化的可能性。
 
前言
用以製作太陽能電池的矽晶圓有n型與p型兩種,而現行主流的太陽能電池產品大多以p型電池為主。p型電池能成為矽晶電池的主要產品係來自於它的幾項特點:第一是可透過低成本且省時的網版印刷(Screen Printing)技術來定義金屬電極圖案;再者是網印後的高溫燒結步驟可讓正面銀膠直接熔穿抗反射層與重摻雜的n+區域,形成低阻抗的歐姆接觸界面;第三個特點是可利用共燒讓背鋁與矽晶圓反應,形成具有低載子復合速率的背表面場(Backsurface-field; Al-BSF)。而在最近的十年內,由於鈍化射極與背接觸(Passivated Emitter and Rear Contact; PERC)技術的引進,使p型電池的效能獲得相當大的提升。
 
和傳統的Al-BSF電池相比,PERC電池的改善部分主要有以下兩點:一是透過表面回蝕(Etchback)或是低濃度POCl3擴散製程(Reduced Doping),來降低射極端的摻雜濃度,進而壓低該區的表面復合速率;二是透過雷射消融(Laser Ablation)或網印蝕刻技術(Screen Printing Etch)來降低電池背面的復合速率,從而提升電池的開路電壓。透過以上這兩種改進技術,目前不論在多晶或單晶矽晶圓平台上製作的PERC電池在出產時都可以達到不錯的轉換效率。然而,縱使這些技術的引進可以使得p型電池在出產時能有不錯的效能表現,但是由於p型矽材料內部硼氧鍵引致的光致衰減(Light-induceddegradation; LID)現象,導致p型電池在可靠度性能上遠不如n型電池。
 
背接觸太陽能電池回顧
1. 交趾式背接觸太陽能電池(IBC)
交趾式背接觸太陽能電池(Interdigitated Back Contact Solar Cells; IBC)的結構概念最早在1977年被Lammert和Schartz提出,圖一為IBC電池的截面與電極布局示意圖。IBC電池結構有以下幾項特點:第一為受光面電極的移除,這除了可以消彌傳統電池無可避免的遮光損失外,同時更可以透過製程的改善將受光表面的鈍化效果最佳化;第二為正、負電極的同面化(在背接觸電池結構中,正、負電極均位於電池背面),這樣的電極布局帶來的好處有二:一是可以透過最適化的電極比例調配,在現有的材料參數下得到最佳化的電學與鈍化特性;二是在模組化階段,由於正、負電極都位於同一側,故焊接程序比起傳統電池要更為容易。在1986年,Sinton等人在IBC電池中引入「點接觸」技術,透過將金屬接觸面積縮小而達到降低復合電流的效果,大幅提升了電池的開路電壓。
 
圖一、IBC電池之(a)截面圖示;(b)電極布局
圖一、IBC電池之(a)截面圖示;(b)電極布局
 
網印型交趾式背接觸太陽能電池(SP-IBC)與其展望
自2015年開始迄今,我們的研究團隊利用了主流PERC電池的製造技術,在傳統的IBC電極布局與相近的電池規格下(Pitch Size = 1,200μm、Emitter Area = 850μm),分別製作了p型與n型兩種SP-IBC電池並進行了詳盡的探究。而在本文中,我們僅側重討論n型SP-IBC的關鍵製程與選用材料對電池性能的影響,欲知悉如何透過一維分析模型解構IBC電池性能與材料參數之間的交互關聯,可參閱我們過往發表的文獻。我們所製造的nSP-IBC之製作流程如圖五所示…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、nSP-IBC電池製造流程
圖五、nSP-IBC電池製造流程
 
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