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标题: 扩展的PECVD制造大面积太阳能电池 [打印本页]

作者: wuyuxiang 时间: 2009-3-10 20:01
标题: 扩展的PECVD制造大面积太阳能电池
基于非晶硅（a-Si:H）和微晶硅（μc-Si:H）的薄膜太阳能电池模块日渐成为低成本、大尺度光伏（PV）应用的最佳选择。这类模块的吉瓦级产品需要大面积的均匀吸收层，同时也需要很高的吸收层的沉积速度。应用材料的SunFab薄膜工艺线可以在玻璃衬底上制造面积高达5.7 m2的太阳能模块——这比传统的薄膜模块大四倍。该工艺线可以制造单结（SJ）和串接结（TJ）太阳能模块。

　　我们在早期工作中报道了a-Si:H单结电池的制作，采用的是高质量的离线透明导电氧化物（TCO）与每分钟沉积速率为120-300 ?的吸收层薄膜组合。这些电池表现出较高的初始填充因子（FF=70-75%）和较高的开路电压（Voc=0.90-0.95 V），光诱导电池效率退化低于25%。以上结果表明，沉积薄膜的性能和界面质量都非常高，而且光稳定性也相当好。

　　本文介绍的工艺开发将集中在低成本、具有量产商业价值的浮法T
CO玻璃。通过严格控制电池界面的质量（TCO/p以及p/i界面，等等）以及优化窗口p层的掺杂分布和厚度，我们可以制造出高效率的SJ电池。这种电池具有与基于高质量离线TCO的电池相似的FF、Voc值和光稳定性。

　　为了TJ电池的优化，我们对μc-Si:H薄膜沉积进行了广泛深入的研究，通过对成核和结晶过程的了解，我们获得了均匀并且高质量的吸收层。此外，对连接n-p极的沟道结、顶层和底层间电池的电流匹配，以及光诱发效率退化也都进行了深入的研究，从而对TJ器件的设计进行了优化。我们将在后文中介绍a-Si:H SJ和a-Si:H/μc-Si:H TJ太阳能电池，以及如何在5.7 m2的大面积衬底上制造模块。

　　实验

　　采用具有知识产权保护的AKT等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工具，可以以很高的速率沉积非常均匀的薄膜，并且具有很高的产率和工艺灵活性。在面积从0.43到5.7 m2的衬底上，沉积层的均匀性控制在±10%（不包括20 mm的边缘部分）范围内（图1），这足以证明该方法良好的沉积均匀性。起初PECVD工艺是在较小的Gen3.5（0.43 m2）系统上开发的，之后完成了向用于大规模量产的Gen7.5（4.4 m2）和Gen8.5（5.7 m2）系统的转移。

　　为了沉积稳定的a-Si:H和均匀的μc-Si:H薄膜，需要对一系列沉积参数进行优化，这些参数包括压力、氢气浓度、RF功率、气流和电极间距。温度在200oC或者更低时，a-Si:H和μc-Si:H吸收层的沉积速率分别为200-400和300-600 ?/min。由于商用TCO玻璃性能的波动很大，需要开发出合适的窗口p层。为了提高对来自器件背面光子的捕获能力，可以在SJ和TJ电池中分别添加像ZnO/Al和ZnO/Ag这样的溅射TCO/金属叠层作为背反射层。
电池面积是由阴影掩膜（0.545 cm2）或激光划线（0.49 cm2）决定的。采用激光划线方法制造SJ和TJ模块可以获得高效的单片串联互连。电池和模块主要由模拟光照（AM1.5G, 100 mW/cm2, 25oC）下电流-电压（I-V）特征曲线和量子效率（QE）测量表征。采用金属-卤素灯的1-sun或2-sun档模拟50oC 时AM1.5G以及开路时的照明条件来实现光浸没。

　　结果：a-Si:H单结太阳能电池
　
　　由于商用TCO的性能可能会有很大差异，我们开发了超薄重掺杂p-型界面层来提高TCO/p-层的界面质量。通过优化窗口p-层的掺杂分布和厚度，在保持较高FF和Voc的同时可以提高电池电流。p++/p+结构提供了更宽的工艺窗口，允许使用薄得多的窗口p-层。这样短路电流（Jsc）和FF都得到了明显提高，而Voc只降低了一点。通过浮法TCO生产线得到的常规SJ电池具有高于9%的初始效率。

　　图2所示为一个典型a-Si:H SJ电池的起始和稳定I-V特征曲线，其沉积速率为220 ?/min。起始和稳定效率是经过对200多块实验室电池的测量得到的，SJ电池工艺非常的可靠并且稳定，可以获得9.2 ±0.4%的初始效率和7.3 ±0.4%的稳定效率。如果在生产线上制造该电池，则会有更一致的效率分布。光诱退化约为20%，这表明该电池的光稳定性非常好。

　　结果：a-Si:H/μc-Si:H串接结太阳能电池

　　为了提高双终端串接太阳能电池的稳定效率，关键是对顶层和底层电池的连接进行匹配。当每个元件电池的电流密度等于每个电池在光稳定状态下的最大功率点时，那么整个匹配达到最优值。顶层电池采用的是a-Si:H/μc-Si:H TJ结构，因此通过调整顶层和底层电池的i-层厚度来进行电流匹配，可以实现对高质量和稳定a-Si:H薄膜的优化。

　　图3所示为底层μc-Si:H i-层（沉积速率为410 ?/min），以及顶层a-Si:H i-层厚度对串接结电池初始和稳定效率的影响。厚度值已经分别按照顶层a-Si:H i-层和底层μc-Si:H i-层的厚度进行了标准化。QE测量显示，对较厚的底层电池（μc-Si:H与a-Si:H厚度比超过5.7）来说，无论怎样优化顶层电池SJ电池的i-层厚度，其电流都无法达到最大稳定串接结电池输出功率所需的限制条件。如图3所示，将较薄的底层电池与相对较厚的顶层电池（a-Si:H与μc-Si:H厚度比超过0.18）结合在一起，那么串接结电池几乎可以获得稳定的最高效率。这样的底层限制串接结电池结构可以在低成本浮法TCO玻璃上获得11.5%/9.8%的初始/稳定效率，在高质量离线TCO玻璃上获得11.6%/10.1%的初始/稳定效率（图4）。

　　对于串接结电池来说，优化的顶层 a-Si:H i-层比SJ电池要厚，这是因为略微降低或保持串接结电池电流会过补偿FF的降低（图4）。图5所示为190个基于浮法TCO玻璃的SJ电池性能，其初始和稳定效率分别为11.2 ±0.4%和9.7 ±0.3%。如果在生产线上制造该电池，则会有更一致的效率分布。

　　太阳能电池的大面积均匀性

　　除了要求在大面积衬底上实现很好的层均匀性（图1）外，对高效电池来说，太阳能电池性能参数的均匀性也非常关键。我们已经在采用Gen 8.5（2.2 × 2.6 m）衬底的AKT PECVD平台上成功地开发出太阳能PECVD工艺。可以在超过5.7 m2的衬底上得到器件性能和均匀性都非常好的SJ和TJ太阳能电池，分别如图5和6所示。SJ电池的I-V参数均匀性好于3%，串接结电池的I-V参数均匀性好于5%。

　　SJ和TJ太阳能模块

　　在未来的高效a-Si:H SJ 模块和a-Si:H/μc-Si:H TJ 模块制造过程中，要求采用品质最好的a-Si:H和μc-Si:H材料，以及在大面积衬底上沉积层厚度也非常均匀。在延长光浸没之后，高速沉积的SJ和TJ模块分别观察到约19%和约14%的光诱退化，表明两种模块的光稳定性都非常好（图7）。SJ和TJ模块分别表现出8.18%/6.6%和10.85%/9.3%的初始/稳定效率。

　　总结与结论

　　应用材料已经成功开发出高沉积速率的工艺，用来在大面积衬底上制造高效薄膜硅基太阳能电池模块。在低成本、商用的浮法TCO玻璃衬底上，a-Si:H单结电池的效率为9.2 ±0.4%（初始值）和7.3 ±0.4%（稳定值），a-Si:H/μc-Si:H串接结电池的效率为11.2 ±0.4%（初始值）和9.7 ±0.3%（稳定值）。
用于SJ和TJ电池中吸收层沉积的PECVD工艺在2.2 × 2.6 m的衬底上也展示出非常好的均匀性（电池I-V特征曲线波动小于5%）。制得到a-Si:H SJ模块和a-Si:H/μc-Si:H TJ模块分别具有6.6%和9.3%的稳定效率。

作者: chenchenchen 时间: 2009-3-17 08:13
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