高效晶体硅太阳能电池技术

能源是世界经济和社会发展的基础，未来能源需求将随着世界经济的发展而增长，化石能源仍将是为世界经济提供动力的主要能量来源，但能源结构将发生转变。可再生能源增长迅速，将以年均6.6%的增长速度致使其在全球一次能源消费中的比重由2015年的2.78%升至2035年的9%。光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，近年来迅速发展。光伏产业发展一直面临发电成本相对较高的问题，随着晶体硅太阳能电池和组件的技术进步，产业升级加快，成本显著降低，终将实现“平价上网”。

目前光伏发电所用的太阳能电池及组件主要是晶体硅太阳能电池及组件。晶体硅太阳能电池的规模发展起始于铝背场电池。铝背场电池制造工艺流程简单、技术成熟，但背面载流子的复合比较严重。随着正面陷光、金属化性能的改进，以及硅片质量的提升，电池界面复合对电池效率的影响凸显出来，促进了晶体硅太阳能电池结构和制造技术的革新，涌现出多种高效晶体硅太阳能电池技术，如钝化发射区和背面局域接触太阳能电池系列、背接触电池、硅异质结电池等。虽然有关太阳能电池，包括晶体硅太阳能电池的著作不少，但我们注意到针对高效晶体硅电池技术的著作还比较缺乏。

本书著者开展太阳能电池工艺及其制造装备研究多年，尤其关注高效晶体硅太阳能电池产业化技术的发展。基于产学研合作研究的积累，撰写本书，详细介绍了目前主流的高效晶体硅太阳能电池制造工艺，以期对光伏行业的发展奉献绵薄之力。

本书着重介绍晶体硅电池技术发展历程和来龙去脉，以使读者对晶体硅电池以及光伏产业发展现状有个清晰的了解。同时对几种典型高效晶体硅电池的结构、关键制造技术进行了详细的分析和讨论，重点分析了电池效率损失因素，以及提高电池转换效率的技术途径。

本书的编写，要特别感谢合作单位的技术人员，以及我所指导的学生，团队的老师们。我培养的学生分布在国内各个光伏行业，有从事光伏装备开发的，有从事高效晶体硅电池工艺研究的，有从事技术管理的，他们对本书的出版做出了巨大的贡献。其中叶枫于2008年师从于我，从事太阳能电池的研究，2011年获硕士学位，毕业后进入天合光能有限公司工作，于2013年与我和冯志强博士开展高效晶体硅太阳能电池技术的研发，2018年获博士学位；盛健博士于2015年师从于我开展高效晶体硅太阳能电池技术的研究；他们参与了资料的收集和整理。贾旭光博士参与了第4章初稿部分内容的撰写，房香博士参与了第6章初稿部分内容的撰写。

由于书中涉及的电池技术广泛，难免有疏漏或不当之处，敬请学界同仁和行业技术人员指教。

丁建宁

2019-5-28

《高效晶体硅太阳能电池技术》介绍了几种典型高效晶体硅太阳能电池的结构、关键制造技术及发展趋势，重点分析了电池效率损失因素，以及提高电池转换效率的技术途径。本书共分为6章，第1章绪论，介绍了晶体硅太阳能电池的理论基础、电池效率损失机制以及晶体硅太阳能电池的关键工艺进展。第2章p型钝化发射极及背面接触（PERC）太阳能电池技术，介绍了PERC太阳能电池发展历史，重点分析了p型PERC太阳能电池制造关键工艺对电池性能的影响，对化学返刻调控选择性发射极掺杂浓度分布和背面反射及叠层钝化层的制备与调控进行了详尽分析。第3章n型钝化发射极背面局部扩散（PERL）和钝化发射极背面整面扩散（PERT）结构太阳能电池技术，介绍了n型PERL和PERT结构太阳能电池发展现状，进行了PERT结构n型太阳能电池器件模拟及结构设计，重点分析了n型太阳能电池复合模型和电池电阻分析模型，对PERT结构n型电池工艺开展了详细的研究，包括绒面制备技术、关键金属化工艺、p型及n型掺杂等，*后对电池的制备和性能进行了详细的分析讨论。第4章硅基异质结（SHJ）太阳能电池技术，介绍了非晶硅/晶体硅异质结（SHJ）技术发展历程、原理与结构及SHJ太阳能电池的制造工艺与关键技术，对SHJ太阳能电池发展进行了展望。第5章n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池技术，介绍了TOPCon太阳能电池技术的发展历程，详细分析了隧穿氧化层和多晶硅薄膜层对电池性能的影响。第6章背结背接触（IBC）太阳能电池技术，介绍了IBC太阳能电池的结构特征和IBC太阳能电池制造的关键工艺技术，介绍了IBC太阳能电池技术的发展展望。

本书可供光伏行业的科研人员和工艺人员参考学习，也可供各高等院校相关专业师生参考学习。

丁建宁，江苏大学，副校长，教授，主持863计划、国家自然基金重点项目等课题30余项，在Science、Advanced Materials等刊物上发表论文479篇，其中SCI收录203篇，出版著作5部，授权国家发明专利55件。

第1章绪论 1

1.1　引言　/ 2

1.2　晶体硅太阳能电池的理论基础　/ 6

1.2.1　工作原理　/ 6

1.2.2　参数的测量及计算　/ 12

1.3　晶体硅太阳能电池效率损失机制　/ 15

1.3.1　光学损失　/ 16

1.3.2　电学损失　/ 17

1.4 　界面钝化结构　/ 20

1.5　晶体硅太阳能电池的关键工艺进展　/ 24

1.5.1　抛光去损伤工艺　/ 24

1.5.2　制绒工艺　/ 25

1.5.3　扩散工艺　/ 27

1.5.4　钝化技术　/ 28

1.5.5　介质膜开膜工艺　/ 31

1.5.6　金属化工艺　/ 32

参考文献　/ 33

第2章p型钝化发射极及背面接触（PERC）太阳能电池技术 40

2.1　PERC太阳能电池的发展历程　/ 41

2.2　p型PERC太阳能电池制造关键工艺　/ 43

2.2.1　选择性发射极的制备　/ 43

2.2.2　背面钝化膜的结构与制备　/ 49

2.2.3　背面局域金属接触技术　/ 53

2.3　化学返刻调控选择性发射极掺杂浓度分布研究　/ 55

2.4　背面反射及叠层钝化层研究　/ 68

2.4.1　背面反射结构研究　/ 68

2.4.2　背面叠层钝化膜的研究　/ 73

2.5　背面局域接触图形研究　/ 77

2.6　背面局部硼激光掺杂研究　/ 86

2.7　p型多晶PERC太阳能电池技术　/ 93

2.8　p型PERC双面太阳能电池技术　/ 100

2.9　p型PERC太阳能电池技术的发展展望　/ 105

参考文献　/ 105

第3章n型钝化发射极背面局部扩散（PERL）和钝化发射极背面整面扩散（PERT）结构太阳能电池技术 111

3.1　n型PERL和PERT结构太阳能电池技术的发展历程　/ 112

3.2　PERT结构n型太阳能电池器件模拟及结构设计　/ 118

3.2.1　前表面绒面形貌的影响和减反膜系的设计　/ 118

3.2.2　太阳能电池复合模型研究　/ 121

3.2.3　n型太阳能电池电阻分析模型研究　/ 123

3.3　PERT结构n型太阳能电池工艺研究　/ 129

3.3.1　绒面制备技术研究　/ 129

3.3.2　关键金属化工艺研究　/ 138

3.3.3　p型及n型掺杂研究　/ 140

3.4　太阳能电池制备及性能分析　/ 143

3.4.1　太阳能电池制备与性能　/ 143

3.4.2　太阳能电池复合损失分析　/ 145

3.4.3　太阳能电池串联电阻损失分析　/ 146

3.4.4　太阳能电池光学损失分析　/ 147

3.5　n型PERL和PERT结构太阳能电池技术的发展展望　/ 150

参考文献　/ 151

第4章硅基异质结（SHJ）太阳能电池技术 154

4.1　SHJ太阳能电池技术的发展历程　/ 155

4.2　SHJ太阳能电池原理与结构　/ 156

4.2.1　太阳能电池结构基础　/ 156

4.2.2　半导体异质结基础　/ 158

4.2.3　SHJ太阳能电池结构与原理　/ 161

4.2.4　SHJ太阳能电池中载流子输运机制　/ 165

4.2.5　SHJ太阳能电池特点　/ 167

4.3　SHJ太阳能电池制造工艺与关键技术　/ 169

4.3.1　湿化学处理　/ 169

4.3.2　非晶硅沉积　/ 170

4.3.3 　透明导电薄膜沉积　/ 171

4.3.4　电极沉积　/ 172

4.4　SHJ太阳能电池性能分析　/ 173

4.4.1　载流子寿命　/ 173

4.4.2　短路电流　/ 174

4.4.3　开路电压　/ 175

4.4.4　填充因子　/ 175

4.5　SHJ太阳能电池技术的发展展望　/ 177

参考文献　/ 177

第5章n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池技术 181

5.1　钝化接触太阳能电池技术的发展历程　/ 182

5.2　隧穿氧化层的影响　/ 185

5.2.1　SiO2层对钝化及磷扩散过程的影响　/ 187

5.2.2　SiO2层对接触电阻率的影响　/ 192

5.3　多晶硅薄膜层的影响　/ 193

5.3.1　多晶硅薄膜的制备研究　/ 193

5.3.2　多晶硅薄膜层厚度对钝化的影响　/ 195

5.3.3　多晶硅薄膜的掺杂对钝化接触结构的影响　/ 197

5.4　钝化接触结构光学特性　/ 201

5.5　n型钝化接触太阳能电池制备及性能研究　/ 205

5.5.1　太阳能电池的制备　/ 205

5.5.2　太阳能电池电性能分布与数据分析　/ 214

5.5.3　太阳能电池FCA分析　/ 215

5.5.4　太阳能电池复合电流分析　/ 216

5.5.5　太阳能电池的衰减测试　/ 217

5.6　n型钝化接触太阳能电池技术的发展展望　/ 219

参考文献　/ 222

第6章背结背接触（IBC）太阳能电池技术 226

6.1　IBC太阳能电池的发展历程　/ 228

6.2　IBC太阳能电池的结构特征　/ 233

6.3　IBC太阳能电池制造的关键工艺技术　/ 234

6.3.1　前表面陷光和钝化技术　/ 235

6.3.2　背表面掺杂技术　/ 237

6.3.3　金属化接触和栅线技术　/ 239

6.4　IBC太阳能电池技术的发展展望　/ 240

参考文献　/ 240

《高效晶体硅太阳能电池技术》介绍了几种典型高效晶体硅太阳能电池的结构、关键制造技术及发展趋势，重点分析了电池效率损失因素，以及提高电池转换效率的技术途径。本书共分为6章，第1章绪论，介绍了晶体硅太阳能电池的理论基础、电池效率损失机制以及晶体硅太阳能电池的关键工艺进展。第2章p型钝化发射极及背面接触（PERC）太阳能电池技术，介绍了PERC太阳能电池发展历史，重点分析了p型PERC太阳能电池制造关键工艺对电池性能的影响，对化学返刻调控选择性发射极掺杂浓度分布和背面反射及叠层钝化层的制备与调控进行了详尽分析。第3章n型钝化发射极背面局部扩散（PERL）和钝化发射极背面整面扩散（PERT）结构太阳能电池技术，介绍了n型PERL和PERT结构太阳能电池发展现状，进行了PERT结构n型太阳能电池器件模拟及结构设计，重点分析了n型太阳能电池复合模型和电池电阻分析模型，对PERT结构n型电池工艺开展了详细的研究，包括绒面制备技术、关键金属化工艺、p型及n型掺杂等，*后对电池的制备和性能进行了详细的分析讨论。第4章硅基异质结（SHJ）太阳能电池技术，介绍了非晶硅/晶体硅异质结（SHJ）技术发展历程、原理与结构及SHJ太阳能电池的制造工艺与关键技术，对SHJ太阳能电池发展进行了展望。第5章n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池技术，介绍了TOPCon太阳能电池技术的发展历程，详细分析了隧穿氧化层和多晶硅薄膜层对电池性能的影响。第6章背结背接触（IBC）太阳能电池技术，介绍了IBC太阳能电池的结构特征和IBC太阳能电池制造的关键工艺技术，介绍了IBC太阳能电池技术的发展展望。

本书可供光伏行业的科研人员和工艺人员参考学习，也可供各高等院校相关专业师生参考学习。

丁建宁，江苏大学，副校长，教授，主持863计划、国家自然基金重点项目等课题30余项，在Science、Advanced Materials等刊物上发表论文479篇，其中SCI收录203篇，出版著作5部，授权国家发明专利55件。