前沿|PERC太阳电池及产业化

• PERC电池技术背景

PERC (passivated-emitter and rearcell)电池早在1989年就被Blakers^[1]等人提出，在此结构基础上，新南威尔士大学赵建华博士^[2]经过一些列改进优化，于1999年获得了转换效率达24.7%的太阳能电池，因此创造了晶硅电池最高效率世界纪录。PERC电池结构如图1所示^[3]，其电池的特点是：（1）电池的正反两面都沉积钝化膜；（2）背场的铝浆则直接覆盖在背面钝化膜上与硅基体形成局部接触。根据PERC电池的结构特点，电池需要双面钝化和背面局部接触，从而大幅降低表面复合，提高电池转化效率。双面钝化则要求电池两面都需镀介质膜，背面局部接触则需要背面开膜，因此PERC电池工艺流程为：（1）碱制绒（2）POCl₃扩散（3）湿法背面刻蚀（4）双面钝化薄膜（5）背面介质薄膜开孔（6）金属化。

                   图1  PERC电池的剖面示意图

• PERC电池产业化技术关键

PERC电池在上世纪八十年代末和九十年代初就已经成为晶体硅太阳电池的代表，以24.7%的世界纪录领跑晶硅电池效率记录。但产业化的进程直到本世纪2010年才有质的进展，间隔整整20年。2010年产业化PERC电池的显著进展取决于以下三个方面：工艺，设备以及相关材料。

工艺方面的关键在于背面钝化以及背面局部接触技术的实现。背面钝化技术，涉及到钝化膜的选择。新南威尔士大学赵建华博士在1999发表的文章报道了采用SiO₂薄膜钝化制备的P型PERC电池，同一年该校的A.G.Aberle^[4]也报道了SiO₂作为P型PERC电池背钝化薄膜的缺点：弱光下氧化硅的钝化效果会急剧变差，那么产业化P型PERC电池该选择氧化铝还是氧化硅呢？为此我们做了对比研究。

首先对比Al₂O₃和SiO_x作为背面钝化薄膜的性能，图2给出了采用SunsVoc表征测试的PFF和J_o2，显然氧化铝叠层膜的PERC电池和常规铝背场电池的PFF以及J_o2均相当，但是氧化硅叠层膜的PERC电池表现稍逊一筹。我们做了进一步的测试，采用Semilab公司的PV2000测试了氧化铝叠层膜和氧化硅叠层膜的固定电荷（fixedcharge），结果显示氧化硅叠层膜固定电荷为正电荷，电荷密度为1×10¹¹ charges/cm² ，而氧化铝叠层膜固定电荷为负电荷，电荷密度为-1×10¹² charges/cm² 。氧化铝含有高密度的固定负电荷形成的电场可以有效减少表面的电子浓度，从而对p 型表面有极好的场钝化效应减少复合，解释了为什么氧化硅叠层膜PERC电池的J_o2要比氧化铝PERC电池的J_o2高，从而导致PFF上，氧化铝钝化的PERC电池更有优势^[5]。

图2  Al₂O₃和SiO_x作为背钝化薄膜的PERC电池，以及传统铝背场电池的PFF和J_o2

图3  采用Semilab公司的PV2000测试的Al₂O₃叠层膜和SiO_x叠层膜的固定电荷（fixedcharge）

我们也测试对比了强弱光下氧化铝叠层膜PERC电池和氧化硅层膜PERC电池的IQE性能（如图4），图4显示在1个太阳的光强下，氧化铝叠层膜PERC电池和氧化硅叠层膜PERC电池在长波的IQE均优于常规铝背场电池，但是0.1个太阳光强下氧化硅PERC电池的长波

图4常规铝背场电池，Al₂O₃叠层膜和SiOx叠层膜PERC电池在0.1Sun和1Sun下的IQE

IQE下降显著，表明背面钝化薄膜氧化硅叠层膜在弱光下的钝化性能急剧下降，这和1999年新南威尔士大学的发现是一致的。另一方面氧化铝叠层膜PERC电池和常规铝背场电池在弱光下依然表现出和强光相同的IQE性能。这些数据充分说明了氧化铝叠层膜更适合作为量产PERC电池的背面钝化膜。

另一关键工艺则是背面局部接触的实现，目前主要采用的方式有背面钝化膜的局部激光开孔和腐蚀浆料开孔，开孔后在背面钝化膜上印刷铝浆，铝浆通过上述开孔与硅材料实现局部接触。我们同样对比了两种薄膜开孔方式——激光开孔和腐蚀浆料开孔的特点。图5和图6分别给出了腐蚀浆料开孔和纳秒激光开孔的显微镜图像，从图像中我们可以清楚地看到两种方式都可以将氧化铝叠层膜完全打开，不会留下残留物。表1给出了两种开孔方式做成的

图5 腐蚀浆料在背面薄膜上开孔后显微图像

图6 激光线开孔在背面薄膜上开孔后显微图像

PERC电池的电性能数据，结果显示这两种开孔方式获得的PERC电池性能相当。至于量产选用哪种开孔方式，则取决于运行成本及产能的需求。

表1不同背面薄膜开孔方式（刻蚀浆料和激光）的PERC电池批次平均电性能参数

满足PERC电池需要的新材料的推出，也是推动PERC产业化显著进展的一大功臣。尤其是浆料公司开发出适合于硅衬底局域接触的太阳能电池用铝浆，使得PERC电池的阵地由实验室走向产业化。使用传统铝浆，在局域接触条件下高温烧结时，基体硅材料易溶于铝，使得铝和基体材料接触界面形成空洞而断路，增大了铝硅的局域接触电阻（如图7所示）。钝化和激光量产设备的出现也是PERC实现产业化不可或缺的因素。钝化量产设备分为两派：一派以德国Centrotherm为代表，采用PECVD生长的氧化硅/氮化硅叠层膜作为背面钝化膜，另一派以德国R&R公司为代表生产的氧化铝镀膜设备，并且开发出二合一的氧化铝叠层膜设备。而对于氧化铝镀膜设备根据其生长原理不同有两种，一种是以原子层沉积技术生长氧化铝膜，另外一种则是以PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方式获得氧化铝膜。采用原子层沉积技术生长氧化铝膜量产设备亦有两个类型：一是以BeneQ和ASM为代表的管式设备，存在主要问题是：产能低，存在正面绕射问题。另外一种则以Rena SolayTec，Levitech为代表的在线式设备，在线式设备不存在产能和绕射问题。而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方式获得氧化铝膜的主要厂家有R&R，AMAT，MANZ，Singulus等。对于开孔的量产设备，若选择腐蚀浆料开孔，添加一台印刷机即可。若选用激光开孔，目前主流的激光量产设备采用的是纳秒级激光器，主要厂家有Rofin，Inonnas，MANZ等公司。

美国杜邦公司通过浆料成分的改进，结合合适的烧结工艺，开孔处可以形成连续的局域铝背场，并且孔洞填充充实，没有空洞，图8显示。

• 对比标准电池PERC电池优点

与标准电池相比，PERC电池的优势主要有两个方面：（一）内背反射增强，降低长波的光学损失；（二）高质量的背面钝化，这使得PERC电池的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）较之标准电池有大幅提升，从而电池转化效率更高。从图9的内量子效率（IQE）和反射率（Reflectivity）曲线上的对比可以发现PERC电池长波处（1000-1200nm）的反射率和量子响应高于标准电池。

图9 一个太阳强度下铝背场电池和PERC电池IQE&Reflectivity曲线

• 海润PERC成果

海润光伏通过背钝化薄膜，开孔方式以及金属化方式的不断优化，于2012年初开发出的PERC电池内部测试平均转换效率20.1%（如表2），最高转换效率为20.4%，前期国家太阳能光伏产品质量监督检验中心检测给出的电池转换效率为19.9%（如图10）。同时采

用高效 PERC电池做出的组件（60片PERC电池）在第三方检测机构VDE测试结果显示，组件最大功率为284W（如图11），按照常规单晶2%的电池到组件的功率损失计算，单片

表2结合先进丝印技术的PERC电池批次平均电性能参数

PERC电池的转换效率应该是20.1%。且通过持续的户外发电量监控发现：PERC电池组件的发电量比标准组件有明显的优势，其每瓦发电量比标准单晶组件高2.7%。

• 存在的问题及展望

 虽然PERC电池产业化的号角已经吹响，但仍存在一些问题有待业内同行解决，最为突出的就是PERC电池的光致衰减。通过对比发现：体电阻率在2ohm*cm的单晶PERC电池光致衰减高达4.5%，比标准单晶高2%，多晶PERC的光致衰减也比标准多晶高。PERC电池双面钝化的结构使得其表面复合速率大幅降低，从而电池性能大大提高，但与此同时表面复合大幅降低使得体复合对PERC电池影响占比增加，因此光致衰减导致的体寿命降低对PERC电池会产生致命的影响。令人欣慰的是已有越来越多的工作^[6-7]关注并致力于解决PERC光致衰减问题，现有的通过提高硅片品质，降低体材料氧含量，降低硼浓度(高电阻率硅片)，优化热过程等方法，已使得PERC电池光致衰减问题得到了较大改善。

     在目前众多高效电池技术中，PERC电池技术与当前工业化电池生产线高度兼容，可以预期：未来几年将会迎来PERC电池产业化高峰。

 

 

• 参考文献

[1] A. W. Blakers, A. Wang, A. M. Milne, J. Zhao, and M.A. Green, Applied Physics Letters, vol. 55, 1363 (1989).;

[2] J. Zhao, A. Wang, and M. A. Green, Progress inphotovoltaics: Research and applications, VOL 1, 133-143 (1993)

[3] P. Engelhart, D. Manger, B. Kloter, S. Hermann, A.A.Stekolnikov, et al. , 26th EU PVSEC (2011)

[4]A. G. Aberle, S. J. Robinson, A. Wang, J. Zhao, S. R.Wenham and M. A. Green, Progress in photovoltaics: Research and applications,VOL 7, 471-474 (1999)

[5] Zhengyue Xia, Jingbing Dong,et al., 28^th EUPVSEC(2013)

[6] J. Adey, R. Jones, D. Palmer, P. Briddon,S. Oberg,Degradation of Boron-Doped Czochralski-Grown Silicon Solar Cells, PhysicalReview Letters, 93 (2004) 055504.

[7]M. H. Du, H. Branz, R. Crandall, S. Zhang,Bistability-Mediated Carrier Recombination at Light-Induced Boron-OxygenComplexes in Silicon, Physical Review Letters, 97 (2006) 256602

李红波   海润光伏科技有限公司   基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划：2014AA052101）资助项目