你所不了解的N型高效单晶光伏电池技术

你所不了解的N型高效单晶光伏电池技术

目前P型晶硅电池占据晶硅电池市场的绝对份额。然而，不断追求效率提升和成本降低是光伏行业永恒的主题。N型单晶硅较常规的P型单晶硅具有少子寿命高、光致衰减小等优点，具有更大的效率提升空间，同时，N型单晶组件具有弱光响应好、温度系数低等优点。因此，N型单晶系统具有发电量高和可靠性高的双重优势。

根据国际光伏技术路线图（ITRPV2015）预测：随着电池新技术和工艺的引入，N型单晶电池的效率优势会越来越明显，且N型单晶电池市场份额将从2014年的5%左右提高到2025年的35%左右。本文论述了N型单晶硅及电池组件的优势，并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特点，及相关技术发展现状和产业化前景。 1.引言

由于晶硅太阳电池成熟的工艺和技术、高的电池转换效率及高达25年以上的使用寿命，使其占据全球光伏市场约90%份额。理论上讲，不管是掺硼的P型硅片还是掺磷的N型硅片都可以用来制备太阳能电池。但由于太阳能电池是基于空间航天器应用发展而来的，较好的抗宇宙射线辐照能力使得P型晶硅电池得到了充分的研究和空间应用。

技术的延续性使目前地面用太阳能电池90%是掺硼P型晶硅电池。而且，研究还发现N型晶硅电池由于p+发射结均匀性差导致填充因子较低，并且长期使用或存放时，由于发射结表面钝化不理想等原因电池性能会发生衰退。另外，B2O3的沸点很高，扩散过程中始终处于液态状态，扩散均匀性难以控制，且与磷扩散相比，为了获得相同的方块电阻需要更长的时间和更高的温度，导致材料性能变差。所以与在N型硅片上形成掺硼p+发射结在工业生产中比较困难。 然而，地面应用并不存在宇宙射线辐照的问题，而且随着技术的发展，原来困扰N型晶硅电池的发射结浓度分布、均匀性、表面钝化等技术难题已经解决。随着市场对电池效率的要求越来越高，P型电池的效率瓶颈已越发明显。N型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势，具有更大的效率提升空间和稳定性，成为行业关注和研究的热点。

根据图1和2国际光伏技术路线图ITRPV2015的预测，随着背接触（BC）、异质结（HIT）等电池新结构，及激光、离子注入等新技术的引入，N型单晶电池的效率优势会越来越明显，且单晶硅在今后几年的市场份额会逐步增加，到2025年将超过多晶硅，占据光伏市场份额首位，其中80%以上为N型单晶。表1列举了Panasonic，SunPower，Sharp不同电池结构实验室的电池转化效率记录，大面积HBC电池最高效率已达到25.6%，展现了强大的发展潜力。

图1 ITRPV2015晶硅电池效率预测

图2 ITRPV2015不同类型硅片市场份额预测

表1 部分机构N型单晶电池的最高转换效率

本文论述了n型单晶硅及电池组件的优势，并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特点，相关技术发展现状及产业化前景。 2.N型单晶硅材料及电池组件的优势

与P型单晶硅相比，n单晶硅的生产制备没有本质的区别，是非常成熟的工艺技术，随着N型单晶硅生产规模的扩大和技术的进步，两者之间的生产成本将会越来越接近。

磷掺杂的N型单晶硅及电池组件较硼掺杂的P型单晶硅及电池组件有许多明显的优势。首先，N型材料中的杂质对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力，相同电阻率的N型CZ硅片的少子寿命比P型硅片的高出1~2个数量级，达到毫秒级。且N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率，因此采用N型晶硅材料的少子空穴的复合将远低于P型的少子电子的复合。

其次，N型硅片对金属污染的容忍度要高于P型硅片。如图3所示，Fe，Cr，Co，W，Cu，Ni等金属对P型硅片少子寿命的影响均比N型硅片大，由于带正电荷的金属元素具有很强的捕获少子电子的能力，而对于少子空穴的捕获能力比较弱，所以对于少子为电子的P型硅片的影响比少子为空穴的N型硅片影响要大，即在相同金属污染的情况下，N型硅片的少子寿命要明显高于P型硅片。但对于Au却是相反地，但对于现代工艺技术而言，Au污染已不再是问题。

图3 金属杂质在硅中的复合行为

1973年H.Fischer等发现P型掺硼CZ晶硅电池在光照下会发生明显的电性能衰减。1997年J.Schmidt等证实硼掺杂Cz晶体电池出现光致衰减是由于光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧复合中心，从而使少子寿命降低，引起电池转换效率下降。2006年A.Herguth等人发现在一定的温度和光照条件下，可以使硼氧复合体形成复合活性较低的中间态，在一定程度上降低由硼氧复合体复合中心导致的光致衰减。而掺磷的N型晶体硅中硼含量极低，本质上消除了硼氧对的影响，所以几乎没有光致衰减效应的存在。

最后，由于N型基体材料高的少子寿命，N型晶硅组件在弱光下表现出比常规P型晶硅组件更优异的发电特性。如图4所示，N型晶硅组件在光强小于600W/m2的弱光情况下，相对发电效率明显高于P型晶硅组件。

图4 N型和P型晶硅组件相对效率随入射光强度的变化曲线

3.N型单晶电池结构和特点

目前研究的N型单晶高效电池主要有：PERT电池，PERL电池，HIT电池，IBC电池，HBC电池等。PERT电池根据其发射结的位置可分为正结型（p+nn+）和背结型（n+np+），根据其受光面不同分为单面受光型和双面受光型。PERL电池根据其受光面不同，也可分为单面受光型和双面受光型。如图5所示。本文将就几种典型电池的结构和工艺特点进行重点介绍。