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基于效率超过24%的量产技术下带有钝化发射极和后接点配置的单晶硅太阳能电池数值研究

2020-06-30

太阳能作为可再生能源的重要组成部分,在推动可再生能源的发展,优化能源消费结构方面扮演着重要的角色。如果能合理利用太阳能资源,可以缓解甚至解决目前全球面临的能源短缺和环境污染问题。光伏太阳电池直接将太阳能转换为电能,可以源源不断地为人类社会的生产和生活提供动力。目前已经实现产业化的太阳电池可以分为两大类,分别是晶硅太阳电池和薄膜太阳电池,其中晶硅太阳电池的市场占比达到95%。而在晶硅太阳电池中,基于p型单晶硅的钝化发射极背电池(Passivated Emitter and Rear Cell, PERC)已经成为新一代太阳电池的常规技术,并且有着很好的发展空间和发展前景。据国际光伏技术路线图 (ITRPV) 统计,2019年PERC电池的市场占有率接近40%,未来这个比重还将不断提高,到2029年将达到70%。目前PERC电池的量产效率可以达到22.3%,但为了满足日益增长的市场需求,还需进一步“提效降本”。为了进一步提高PERC电池的电性能,产业界面临着如何进一步提升表面钝化性能、如何减少光生载流子复合、如何提高光生载流子收集效率等一系列问题和挑战。

针对这些问题,中国科学院上海高等研究院李东栋研究员、鲁林峰副研究员和晋能清洁能源科技有限公司合作,从模拟仿真的角度,建立了面向产业化PERC电池的光学和电学模型,并从发射极表面钝化、硅片质量和金属化技术等三方面对未来PERC电池的技术改进路线进行了研究和分析。电池照片及其剖面结构示意图如图1所示。图2模拟总结了未来PERC电池可能的优化方向。第一步为n+发射极表面钝化层的优化,发现采用SiO2/SiNx叠层薄膜作为发射极钝化层时,PERC电池的模拟电性能最好,转换效率为22.2%,比参考PERC电池提升了0.3%,开路电压VOC为682.7 mV,短路电流JSC为40.47 mA/cm2,填充因子FF为80.37%;在此基础上,进一步对硅片特性进行优化,得到硅片电阻率和少子寿命的优化值分别为1.5 Ω·cm和2500 μs,此时电池的模拟效率为22.98%,开路电压VOC为704.4 mV,短路电流JSC为40.71 mA/cm2,填充因子FF为80.06%;最后我们对金属电极进行优化,电池正面栅线采用12BB的技术,电极制备方式为电镀Ni/Cu合金,经过模拟计算后,电池的最高效率达到24.04%,填充因子FF为81.24%,VOC为708 mV,JSC为42.17 mA/cm2。

图1. PERC太阳电池的(a)照片和(b)剖面结构示意图。

图2. 未来PERC电池可能的优化方向。

图3给出了模拟效率为24.04%的PERC太阳电池的损失来源分析和基于Shockley – Queisser模型的29%极限效率的计算结果。复合损失占的比重最大,达到2.73%,其次是光学损失(1.42%)和欧姆损失(0.81%)。将各项损失细分后发现由SRH和固定载流子寿命带来的复合损失占比最大,达到0.61%,其次是表面反射损失(0.54%)和寄生吸收损失(0.51%)。将这些损失效率叠加后得到27.51%的电池效率。另外,VOC和JSC存在协同增加效应,即提升其中一个参数后另一个参数也会随之升高,这部分的效率增益为1.49%。综上所述,在考虑了电池内部所有的损失来源后,最终通过计算得到了PERC太阳电池29%的极限效率。

图3. 24.04%产业化PERC太阳电池的损失来源分析和29%极限效率的计算。

随着人们环保意识的增强和光伏太阳电池生产成本的不断下降,未来有望实现光伏入户,家家自给自足。作为新一代太阳电池的主流技术,PERC电池会在“提效降本”的道理上继续走下去,为实现光伏入户承担起重要的责任和作用。本论文针对产业化的PERC电池展开了系统的模拟研究,分析了未来进一步提升PERC电池性能的路径和方法,为以后产业界的工艺生产优化提供参考。

Numerical study of mono-crystalline silicon solar cells with passivated emitter and rear contact configuration for the efficiency beyond 24% based on mass production technology

Peng Wang, Gaofei Li, Miao Wang, Hong Li, Jing Zheng, Liyou Yang, Yigang Chen, Dongdong Li, Linfeng Lu

J. Semicond. 2020, 41(6): 062701

doi: 10.1088/1674-4926/41/6/062701

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/6/062701?pageType=en

 

 



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