n-TBC 工艺特点与优势
n-TBC 电池基于 n 型硅片,正面和背面通过 SiO₂ 层钝化,减少载流子复合损失,采用 n-poly 和 p-poly 的局部接触区域实现高效电子和空穴的分离和传输,从而提升光电转换效率。其核心优势体现在正面优化工艺、背面精准加工和整体电性能提升。
正面通过高效清洗和钝化技术,确保开路电压(Voc)≥ 750 mV,同时采用小纹面设计将光反射率控制在<8%,进一步提升光吸收效率。多层膜结构带来组件外观的纯黑效果,不仅提升光学性能,还满足市场对外观的要求。此外,正面无扩散工艺显著降低少子复合电流密度(J0 < 4 fA/cm²),优化了转换效率。
背面采用高精度激光图形化技术,图形化精度达±10 μm,确保接触区域的精准设计,进而提高载流子分离效率。全面积钝化处理降低了接触电阻(ρc < 1.5 mΩ·cm),为载流子提供了更低损耗的传输路径。
图形化工艺的流程与特点
图形化工艺是 BC 电池制造的核心步骤,其目的是在电池背面精准实现 P/N 分区,提升载流子的分离和传输效率。此工艺主要受到扩散、LPCVD(低压化学气相沉积)、清洗和激光图形化四大工序的影响。
扩散工序:扩散工序通过调控扩散深度和浓度形成 P 型区和 N 型区的结区域,其均匀性直接决定了 P/N 分区的性能和稳定性。图中曲线展示了扩散浓度随深度变化的趋势,其中 PN 结的深度是影响光生载流子分离效率的关键参数,精准控制扩散过程对最终性能至关重要。
LPCVD: LPCVD 工艺用于在 P/N 区域上沉积非晶硅层等钝化材料,提升表面钝化效果,减少复合损失。光谱图显示了非晶硅层与晶体硅层的沉积特性和光学性能,均匀性和膜厚的控制直接关系到电池效率的提升。
清洗工序:清洗工序通过化学和物理处理清除表面杂质,确保材料表面的清洁和均匀,为后续沉积和刻蚀提供高质量的基础。
激光图形化:激光图形化工艺是在背面刻画出精准的 P/N 分区接触图形,是整个图形化工艺的核心步骤。其高精度加工(±10 μm)保证了区域分界的清晰性和稳定性,减少区域交叠可能性,同时结合背面钝化层优化了分区性能。
p-poly 工艺对n-TBC电池性能的影响
p-poly 工艺是 n-TBC 电池中发射极钝化的关键步骤,其核心在于通过优化钝化效果减少表面复合损失,提升电池性能。
开路电压:开路电压(iVoc)从低掺杂浓度下的 695-700 mV 提升到高浓度下的超过 740 mV,这表明钝化效果显著增强,载流子复合损失显著减少。填充因子(iFF)从 83.5%-84% 提升至超过 86%,反映了内部电阻的降低和电荷传输的优化。少子复合电流密度(J0)从 15-20 fA/cm² 降至<3 fA/cm²,进一步证实了表面钝化性能的大幅提升。效率(Eta)也从 26% 增长至 27.2%,实现了电池整体性能的显著突破。
钝化效果:p-poly 的钝化效果依赖于掺杂浓度的逐级优化,掺杂浓度的提高不仅减少了表面复合损失,还增强了电荷分离能力,降低了传输路径的电阻。随着浓度的提升,发射极区域的钝化效果得以加强,少子复合电流大幅降低,同时电荷分离和传输效率得到进一步优化。优化钝化和掺杂的结果是显著提升了开路电压和填充因子,从而提升了整体光电转换效率。
激光与 p-poly 作用原理
激光在 p-poly 工艺中起到至关重要的作用,通过精准调控激光波长、脉宽和能量密度,可以优化钝化效果并提升电池的转换效率。图中展示了激光的作用机制以及其对 p-poly 材料的影响。
激光波长:激光波长的选择直接决定了能量的吸收深度和热效应的分布。短波长激光能够精确作用于 p-poly 表面区域,而不会过多影响底层 n-Si。通过调控激光脉宽,可以减少热效应对材料的影响。图中热效应曲线显示,脉宽缩短至 15 ps 以下时,热影响显著降低,从而避免因过度加热导致材料性能下降。
激光能量:激光能量密度是另一个关键参数,合理的能量密度可以实现最佳的材料改性效果。图中曲线展示了能量密度与残留面积的关系,过低的能量密度无法形成有效的 p-poly 图形化,过高的能量密度则会造成材料损伤或不均匀刻蚀,影响最终电池性能。最佳能量密度下,BSG(硼硅玻璃)残留面积最小,表面形貌均匀。
采用较短波长、较窄脉宽和适宜能量密度的激光工艺参数,能够显著提升电池转换效率。激光作用后,表面钝化层得到优化,少子复合减少,电子和空穴的分离与传输效率提高,为高效 n-TBC 电池的性能提升提供支持。
掺杂浓度对图形化和性能的影响:当掺杂浓度超过1 E + 20 1E+20
BSG(硼硅玻璃)去除方案及优化路径:为解决高掺杂浓度下的图形化问题,实验探索了不同的 BSG 去除方案,包括 HF 化学清洗和光刻技术。在这些方法中,光刻技术展现出较大的潜力,其能够精准控制掺杂区域的形貌,同时避免因化学清洗带来的过度刻蚀问题。
掺杂浓度对电性能的增强:当掺杂浓度达到 时,Voc 已超过 740 mV,Eta 达到 26.8%,接近理论极限值。在 掺杂浓度下,Voc 和 Eta 分别提升至 750 mV 和 27.2%,说明高掺杂浓度能够进一步优化电池性能。
在激光图形化工艺中,光斑直径是影响加工精度、稳定性和生产效率的重要参数。大光斑和小光斑的区别主要体现在覆盖范围、加工精度和成本效益等方面。大光斑覆盖面积较大,能够一次性作用于更大范围,在提升生产效率方面具有显著优势,但可能在加工精度上略逊一筹。相比之下,小光斑直径较小,尽管覆盖范围有限,但在精细图形化和一致性方面表现优异。
从性能比较来看,大光斑在激光功率需求上较小,因此在节能方面更具优势。然而,由于加工范围较大,局部均匀性可能受到影响。而小光斑的图形化精度更高,可以实现更为精细的图案,在需要高精度工艺的情况下更适合使用。此外,小光斑的稳定性较高,能够在复杂工艺条件下保持一致的加工效果。
总结
n-TBC 电池效率的提升依赖于 p-poly 钝化优化和掺杂浓度的提高。然而,在超高掺杂浓度(如
掺杂浓度范围内表现优异,但其在更高浓度的适用性仍需进一步研究。同时,激光光斑选择对工艺性能的影响至关重要,小光斑在精度和稳定性上占优,大光斑则在成本和产能方面更具优势。