TOPCon、SHJ等钝化接触太阳电池的电镀技术

  • 2020年07月27日
  • 作者: Sven Kluska等

    Sven Kluska等

    Sven Kluska等,电化学工艺小组

    电化学工艺小组

图一:带有双面镀Ni/Cu/Ag接触TOPCon太阳能电池的示意图

图一:带有双面镀Ni/Cu/Ag接触TOPCon太阳能电池的示意图

图二:(a)双面TOPCon太阳能电池的后段工艺流程。(b)在LCO,Ni(1um),Cu(10um)和Ag(0.5um)电镀后接触子栅的复合显微镜图。

图二:(a)双面TOPCon太阳能电池的后段工艺流程。(b)在LCO,Ni(1um),Cu(10um)和Ag(0.5um)电镀后接触子栅的复合显微镜图。

图三:电镀Ni/Cu/Ag接触的i-TOPCon太阳能电池后段解决方案概述。

图三:电镀Ni/Cu/Ag接触的i-TOPCon太阳能电池后段解决方案概述。

图四:i-TOPCon太阳能电池示意图:(a)具有双面电镀Ni/Cu/Ag接触;(b,c)具有电镀和丝网印刷接触的混合设计(混合1和混合2);(d)具有丝网印刷接触。

图四:i-TOPCon太阳能电池示意图:(a)具有双面电镀Ni/Cu/Ag接触;(b,c)具有电镀和丝网印刷接触的混合设计(混合1和混合2);(d)具有丝网印刷接触。

表一:I-TOPCon太阳能电池I-V测量参数(遮光测量面积145×145mm2,电池总面积158.75×158.75mm2)。

表一:I-TOPCon太阳能电池I-V测量参数(遮光测量面积145×145mm2,电池总面积158.75×158.75mm2)。

图五:用激光测试LCO变化场表征样品接触复合的PL测量:(a)在掺硼发射极上;(b)在TOPCon上。注意,两幅图像上的LCO参数变化相同,但在TOPCon的情况下,只有具有高激光功率的参数才可见。

图五:用激光测试LCO变化场表征样品接触复合的PL测量:(a)在掺硼发射极上;(b)在TOPCon上。注意,两幅图像上的LCO参数变化相同,但在TOPCon的情况下,只有具有高激光功率的参数才可见。

图六:分别测量了带有硼掺杂发射极、TOPCon层、丝网印刷、金属电镀接触的i-TOPCon前驱体(158.75×158.75mm2切割成10条)接触电阻。黑点代表TLM测量的位置。请注意,丝网印刷的平

图六:分别测量了带有硼掺杂发射极、TOPCon层、丝网印刷、金属电镀接触的i-TOPCon前驱体(158.75×158.75mm2切割成10条)接触电阻。黑点代表TLM测量的位置。请注意,丝网印刷的平均接触宽度为40μm,电镀的平均接触宽度为25μm(LCO宽度:18μm)。

图七:图三中给出的四个后段处理工艺的COO计算。

图七:图三中给出的四个后段处理工艺的COO计算。

图八:PECVD-TOPCon工艺的归一化COO与TOPCon层厚度的关系。

图八:PECVD-TOPCon工艺的归一化COO与TOPCon层厚度的关系。

图九:使用有机掩膜工艺的SHJ太阳能电池电镀后段处理工艺。

图九:使用有机掩膜工艺的SHJ太阳能电池电镀后段处理工艺。

图十:用于双面镀铜金属化SHJ太阳电池的NOBLE工艺。

图十:用于双面镀铜金属化SHJ太阳电池的NOBLE工艺。

图十一:用于双面SHJ太阳能电池的各种金属化技术的COO计算(SP=丝网印刷)。对总运营成本的贡献(粗体)包括与金属化工艺相关的耗材和折旧。

图十一:用于双面SHJ太阳能电池的各种金属化技术的COO计算(SP=丝网印刷)。对总运营成本的贡献(粗体)包括与金属化工艺相关的耗材和折旧。

表二:用于SHJ太阳能电池不同金属化和互连方法的印刷工艺(银丝网印刷和掩模图案化)的耗材。

表二:用于SHJ太阳能电池不同金属化和互连方法的印刷工艺(银丝网印刷和掩模图案化)的耗材。

摘要

钝化接触太阳电池设计,如TOPCon或硅异质结太阳电池(SHJs),使电池效率超过24%,是继钝化发射极和背面电池(PERC)之后的下一代大规模生产革命的候选技术。电镀金属化(Ni/Cu/Ag或Cu/Ag)能满足这类太阳电池对低温工艺、低电池材料成本和高导电双面金属网格的要求。对于TOPCon太阳电池,双面激光接触开窗(LCO)和Ni/Cu/Ag镀层的结合使得在前表面的硼发射极和背面TOPCon能制备出低接触电阻的高导电栅线。LCO降低了接触复合速率,使得TOPCon层厚度进一步减小。

双面电镀i-TOPCon太阳电池是在Fraunhofer ISE制造的,其效率最高可达22.7%,拥有成本(COO)显著低于双面丝网印刷金属化技术。电镀技术一直是SHJ太阳电池金属化技术里一项备受关注的选择,许多研究机构(ISE,CSEM,ASU,UNSW)和公司(Sunpreme,Kaneka)都在致力于电镀技术的开发,而GS Solar已经在实际生产中使用了电镀技术。Fraunhofer ISE建立了一项名为NOBLE(用于选择性电镀的本征氧化物阻挡层)的创新工艺流程,能够对SHJ电池进行双面电镀。NOBLE系列包括物理气相沉积(PVD)金属种子层,它能够实现可靠的机械和电气接触、均匀的电镀电流分布/高度和低COO。

前言

近年来,光伏产业在从多晶铝背场(Al-BSF)技术向单晶钝化发射极和背面电池(PERC)技术的演进中取得了里程碑式的进展。这一技术演进是通过不断改进硅片、电池和组件技术,以及大幅降低PERC技术的生产成本实现的。此外,与商用PERC技术的电池效率学习曲线仍在快速上升相比,Al-BSF设计已达到其太阳能电池效率的极限;而PERC太阳能电池的效率潜力范围估计为24%[1]。

钝化接触太阳能电池,如隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)[2]和硅异质结(SHJ)电池,有望使大规模生产太阳能电池的效率超过PERC的效率极限。事实上,许多研究机构和太阳能电池制造商已经证明该太阳能电池的效率可超过24%。这种技术变革最有可能在从p型单晶片向n型单晶片转变的过程中出现。

钝化接触太阳能电池已经取得了很高的电池效率,并且已经在许多太阳能电池制造商(SunPower,Panasonic,Sunpreme,…)大规模生产多年。不过,钝化接触太阳能电池目前的主要任务是进一步降低生产成本,而后段工艺是TOPCon和SHJ太阳能电池的重要成本驱动因素。

其中,丝网印刷工艺是一项用于PERC太阳能电池的传统且成熟的金属化技术,也通常用于TOPCon和SHJ太阳能电池的金属化。常用于上述太阳能电池类型的双面网格设计大大增加了材料成本,因为需要将银(Ag)或银-铝(AgAl)浆料印刷在太阳能电池的正面和背面,从而降低背面网格的电阻。假设光伏市场规模将增长到TW级别,那么银的消耗将成为太阳能电池生产的巨大成本驱动因素(1TW将使用当今全球年度银产量的100%[3])。

用铜代替银可以使原材料成本降低到原来的百分之一。电镀铜或镍/铜/银叠层是光伏产业中一项为人熟知的技术。本文在接下来的章节中展示了电镀铜接触技术非常符合TOPCon和SHJ太阳能电池后段技术的所有要求。电镀技术具有显著降低钝化接触太阳能电池生产成本的潜力。对于这些太阳能电池设计来说,电镀铜接触技术的主要优点包括:

•低拥有成本(COO)

o低材料成本

o同步降低其他成本,如减薄TOPCon厚度

•与现有大规模产线的后段工艺设备兼容

•提高效率的潜力

o窄接触宽度

o在低工艺温度下实现高导电子栅网格

o低接触电阻和复合

TOPCon太阳电池的电镀金属化

双面电镀Ni/Cu/Ag金属接触有助于进一步降低商用TOPCon(i-TOPCon)太阳能电池的制造成本,并提高电池效率。即用低成本的铜取代银作为主要导电材料,可以减少双面金属网栅太阳能电池的后段生产成本。

过去几年已经开发出了一套用于PERC太阳能电池的稳健工艺流程[4,5]。其中将激光接触开窗(LCO)与在线电镀Ni/Cu/Ag结合使得采用现有量产设备的PERC太阳能电池具有低COO的高质量接触性能。双面TOPCon太阳电池Ni/Cu/Ag电接触的实现正是基于这些发展。LCOs和镀Ni/Cu/Ag的技术优势包括:

•在n型TOPCon层和轻硼掺杂发射极上实现低接触电阻

•低接触复合

o TOPCon:由于激光损伤深度较浅,允许进一步减小TOPCon厚度

o硼发射极:可改善Voc

•具有低线电阻率的窄接触宽度(<25μm)

2013年,Feldmann等人提出了n型TOPCon太阳能电池的概念[6];它的特点是在正面发射极掺杂硼和背面进行钝化接触。自从该技术首次提出以来,寻找商业生产上可行的工艺流程是该技术发展的重点,从PECVD、LPCVD和TOPCon沉积溅射技术的发展开始,然后转向能够实现高电池效率和低COO的金属化工艺技术。

与在成熟的PERC工艺流程中使用的Ag或Al丝网印刷工艺相比,i-TOPCon太阳能电池的金属化提出了新的挑战。例如要求低接触复合(最好使用薄的TOPCon层)、低接触电阻(在掺硼发射极和TOPCon层上)、窄子栅宽度和低COO。特别是,低接触电阻和避免在TOPCon层出现尖峰的结合,成为丝网印刷金属化的主要课题[7]。而激光开窗和电镀Ni/Cu/Ag的结合是替代i-TOPCon太阳能电池丝网印刷技术的一个可行方案[8,9]。

工艺流程和后段解决方案

近年来,SunPower和Tetrasun等公司推出了用于钝化接触太阳能电池的电镀接触技术[10]。在Fraunhofer ISE的TOPCon太阳能电池中首次引入了电镀接触,旨在接触区域掺硼发射极,使电池效率高达23.4%[11]。在这些尝试之后,又在前后两面都引入了激光开窗的电镀Ni/Cu/Ag接触,用于双面i-TOPCon太阳能电池[12]。图一示出了具有双面镀Ni/Cu/Ag接触的i-TOPCon太阳能电池的设计。

图二(a)所示为在Fraunhofer ISE开发的带有金属镀层接触的TOPCon太阳能电池的后段工艺流程。首先利用超短脉冲激光系统对SiNx抗反射涂层(ARC)进行局部激光烧蚀形成接触区域。得益于金字塔面形成纳米级别的激光诱导粗糙纹理,使得UV-ps激光系统和制绒表面的结合很好地保证了可靠的接触粘结[13,14]。激光烧蚀后进行快烧炉(FFO)退火可以激活TOPCon层。FFO激活也可以作为激光损伤的退火工艺,从而进一步减少接触复合[15]。电镀前的高频预清洗去除了工艺诱导和原生氧化层,以确保硅-镍接触界面的洁净。

各种电镀设备设计(在线电镀、批次电镀)都适用于双面电镀TOPCon太阳能电池的生产。而本工作中所述的太阳能电池则使用在线电镀工艺在电池表面先后电镀一层薄镍界面层(<1μm)、铜层(1–10μm)和银表面层(<0.5μm)。只有电镀工艺(如光感应[16]、正向偏压[17]或直接接触电镀[18])才用于沉积金属层。图二(b)示出了每个处理步骤后接触区域子栅横截面的复合显微镜图像。

图二所示的工艺流程是在i-TOPCon太阳能电池中集成镀Ni/Cu/Ag金属接触子栅的商业可行方法。接触金属化可以是双面电镀接触设计,也可以是电镀和丝网印刷接触的组合。图三示出了3道后段工艺流程,在掺硼发射极、TOPCon或两面都具有金属镀层接触子栅。混合1型和混合2型设计是指在太阳能电池两面分别使用丝网印刷和电镀接触工艺。

太阳能电池互连与接触特性

图三展示了分别使用4种后段工艺流程对商用生产的未经金属化的i-TOPCon先驱体进行电镀加工。将前驱体从常规的批量生产线中取出并进行优化,以用于丝网印刷金属化。在金属化之前,所有前驱体的设计和加工都没有具体的变化。具有双面丝网印刷金属接触的参考组在制造商现场进行了全面处理;对于混合方法,丝网印刷和烧制/TOPCon激活也由制造商负责。

在Fraunhofer-ISE上实现了所有具有金属镀层接触的工艺组的电镀金属化,以及双面镀先驱体的TOPCon激活。由于Fraunhofer ISE的FFO/TOPCon活化工艺未针对这些先驱体进行优化,因此隐含的Voc(金属化前的电池Voc电压)比制造商现场优化的FFO/TOPCon激活工艺低约5-10mV。

表一显示了制造的i-TOPCon太阳能电池的I-V测量参数(见图四)。由于运输和人工操作导致的边缘光效应,测量时需使用145×145mm2的光罩遮住。所有工艺组的平均电池效率在22.3-22.7%之间。其中,最佳丝网印刷基准太阳能电池效率达到22.7%,而最佳后段组混合1和2,结合丝网印刷和电镀,电池效率分别为22.4%和22.7%。以下章节中更详细的分析表明,即使对于混合组,减少的接触复合和较窄的接触宽度似乎也能改善Voc和Jsc。然而,这些改进在本实验中统计上并不显著,因为样本/组的规模较小,并且结果在每个组中的分布很广。

双面电镀电池组里效率最高为22.7%。因接触电极缩窄至25um而减小的遮光面积使得其比丝网印刷前表面接触电极工艺拥有更高的Jsc。

减少接触复合/使TOPCon层变薄

由于所制备的太阳能电池的前驱体设计已经针对丝网印刷接触的应用进行了优化,因此表层厚度足以防止参考电池组中丝网印刷接触的金属尖峰。如图五所示,在相同的前驱体材料上进行光致发光(PL)成像,以进一步分析LCO工艺导致的激光损伤引起的接触复合。从阈值功率开始,随着激光功率的增加,激光参数发生了较大的变化,以适当地烧蚀SiNx覆盖层。激光损伤引起的复合是通过LCO测试场在PL图像中观察到的暗区。在硼发射极侧可见暗区,与所施加的激光功率无关。与此相反,只有少数具有大激光功率的测试场在样品上变暗,而LCO是在TOPCon侧进行的。这表明,只有远高于烧蚀阈值的大功率激光才能在这个商用产线优化的TOPCon层厚度上诱导接触复合。因此,在不增加接触复合的情况下,更低的TOPCon厚度是可能的。Haase等人也发现[19]确定将多晶硅厚度降低至75nm,足以与UV-ps激光系统形成无损伤的激光接触开口。当钝化层从扩散的晶体硅表面去除时,硼掺杂的发射极接触复合如预期的那样增加。

降低接触电阻

早期的报告已经证明,在轻硼掺杂发射极(表面掺杂浓度小于1019cm-3,Rsheet=140Ωsq)[20]和n型TOPCon层[12]电镀Ni/Cu/Ag接触得到的接触电阻低于1mΩcm2。为了确定接触电阻,对制备的i-TOPCon太阳能电池的随机样品进行了进一步的表征。将样品切割成1cm的条带,并使用传输线测量(TLMs)方法进行测量;将条带映射到每条条带上的所有子栅上。

接触电阻测量汇总如图六所示。与丝网印刷的40μm相比,电镀接触的子栅宽度减小到25μm。对于电镀子栅,接触电阻受镍-硅界面面积的限制,该界面面积由LCO宽度(18μm)决定。虽然电镀子栅只有接触/界面宽度的一半,但图六中测量的接触电阻低于两种表面类型(硼发射器/TOPCon)的丝网印刷值。

利用高导电性的超细线接触降低遮光损失

利用LCO图案设计和Ni/Cu/Ag镀层可以为i-TOPCon太阳能电池制造超细线接触。最先进的大规模生产LCO设备允许接触开口宽度为12–18μm,而实验室型设备允许更低的LCO宽度(小于5μm,并受制绒纹理大小的限制)。

电镀宽度可根据金属电镀量进行调整。假设各向同性生长,宽度可近似为LCO宽度加上两倍电镀高度。经过接触退火[21],镀Ni/Cu/Ag层的导电性与大块Cu的导电性相似。在Fraunhofer ISE对电镀Ni/Cu/Ag层进行的测量显示,线电阻为17.3mΩmm2/m(与文献[22]中Cu的值17.21mΩmm2/m相比)。根据互连设计(主栅数量),低线电阻允许子栅宽度低至25μm,子栅高度为5μm,不受栅极电阻的显著限制。

成本计算

双面网格设计可进一步提高i-TOPCon太阳能电池的电池效率。然而,除了双面栅设计的优点外,还需要重点关注后侧金属化的线导电性。对于双面丝网印刷太阳能电池,这就需要在前后两侧使用大量银材料。在双面栅极设计中引入镀Ni/Cu/Ag接触,因此可以大幅降低材料成本。结合所讨论的潜在效率增益,i-TOPCon太阳电池的Ni/Cu/Ag双面镀金属化可能是最有前途的金属化方法。

为了评估图三中描述的后段过程的COO,使用SCost建模方法[23]进行了成本计算;这些计算假定TOPCon太阳能电池采用双面网格设计。假设硅片每一面浆料使用量为90mg(则180mg浆料/硅片),以供丝网印刷参考。正面(硼掺杂发射极)和背面(TOPCon)通过AgAl和Ag糊进行火焰金属化,假定Ag含量分别为88%和92%。浆料成本主要由Ag原材料成本决定,其他材料的影响则不明显。

电镀设备的假设相当保守。与电镀相比,丝网印刷设备开发的主要收益是根据增加的投资成本、减少的生产量和更高的电镀劳动力成本计算的。假设丝网印刷和电镀的设备产能分别为7,200 wafer/h和5,000wafer/h。较低的电镀量并不是基于技术限制,而是由于与过去十年丝网印刷的设备发展相比,缺乏规模效应。

图七示出了每个后段工艺的COO比率。双面电镀的COO值与丝网印刷参考值相比,提高了40%以上。丝网印刷参考工艺顺序的主要成本驱动因素是工艺耗材(黄色),即Ag和AgAl浆。采用电镀可大大降低原材料成本。由于过去十年的规模效应,设备成本对于丝网印刷来说,比电镀等新兴技术要低得多。然而,随着市场渗透率的增加,电镀也会出现类似的规模效应。

与丝网印刷参考工艺相比,混合概念的成本效益超过16%。两种混合设计之间的差异是由于每种混合设计中的浆料成本不同:混合1需要Ag浆来接触TOPCon层,而混合2需要AgAl浆。总的来说,包括电镀在内的所有后段工艺,不管是混合型还是双面型,由于降低了耗材成本,都存在较大的成本优化空间。在TOPCon太阳能电池电镀接触的市场份额不断增加的情况下,规模效应和产能的提高将导致设备成本进一步降低。

将TOPCon厚度减至100nm以下

通过电镀Ni/Cu/Ag实现TOPCon表面接触可以在不增加接触复合的情况下减小TOPCon的厚度。图八总结了不同TOPCon层厚度的双面镀TOPCon太阳能电池在标准化COO降低方面的成本计算;图中显示了TOPCon工艺在降低TOPCon层厚度后的归一化COO。可见,将TOPCon层厚度从200nm减小到50nm,可以使TOPCon工艺的COO降低43%。

NOBLE—用于硅异质结太阳电池(SHJ)的电镀铜金属化

电镀一直被认为是用于SHJ太阳能电池金属化的一项有趣选择。电镀工艺与严格的低温加工限制,为低材料成本实现高导电铜栅线提供了可能。许多研究小组(如FhG ISE、CSEM、ASU、UNSW)和公司(如GS Solar、Sunpreme、Kaneka、Silevo)正在进行电镀技术开发,而今天最大的SHJ太阳能电池制造商GS Solar已经在生产中使用电镀技术。

对于SHJ太阳能电池来说,电镀之所以如此有趣,是因为这些电池不能承受高于~250℃的温度。因此,需要使用在低温下固化且具有相当低导电性的印刷银膏,这导致每个电池需要大量的银,特别是在双面电池设计中。当考虑组件的电池互连时,情况变得更糟:经验表明,需要使用更多的银来实现焊接互连技术。替代互连技术,如智能线连接技术(SWCT)或导电粘合剂(ECAs)的使用,可以减少印刷银的数量,但在组件组装中会产生额外成本,因为这些替代互连技术更昂贵。

2018年Lachowicz等人发表了一篇关于SHJ太阳能电池最新电镀工艺的综述[24]。在透明导电氧化物(TCO)表面上形成局部电镀接触需要遮盖非子栅区域;否则整个TCO表面将被电镀。物理气相沉积(PVD)的金属种子层在铟锡氧化物(ITO)上具有良好的附着力,有助于均匀分布电镀电流,实现双面快速电镀。图九展示了最常见的电镀方法:

•在ITO上沉积全面积PVD金属种子层

•沉积一层结构化的有机掩膜层(如树脂或蜡)

•电镀接触网格

•去除掩膜层

•蚀刻PVD种子层

这种方法在印刷电路板(PCB)制造中已得到很好的应用,即通常使用带有阻焊干膜的光刻技术进行掩模。然而,太阳能电池行业通常使用喷墨打印进行掩膜制作。由于硅片上大部分区域都需要被掩膜覆盖(~97%),这导致了高消耗成本和较长的处理时间。为了降低耗材成本,引入了一种在大部分区域上覆盖一层较薄掩膜层(厚度与开口接近)的双面印刷工艺[25],并有望在未来持续发展。这种掩膜方法在工业生产中仍然存在,但有机掩膜材料污染废水的处理成本较高。

Fraunhofer ISE计划通过名为NOBLE(用于选择性电镀的天然氧化物阻挡层)的工艺来解决有机掩模的成本问题[27,28]。NOBLE工艺包括在TCO上PVD制备金属种子层来实现可靠的接触粘附,以及均匀的电镀电流分布。

通过沉积Al层来代替有机掩模,在随后的电镀过程中使用天然生长的AlOx表面作为非导电掩模层。夹在TCO和Al之间的是第二层薄金属层,可以自由选择以优化种子层的接触界面性能(接触电阻、接触粘附性)。这种金属层材料可以是铜、银或镍。金属层可以通过PVD沉积在用于TCO层的同一设备中,但该设备需要安装额外靶材。金属层的厚度在10-100nm之间。

铝层是由[28]喷墨印刷碱性墨水、激光烧蚀或激光诱导的前向转移(LIFT)[29]制备而成。该制备步骤只需要网格区域的图案化,而该区域通常只占硅片表面的3%。随后的电镀工艺需要优化电镀电解质和反向脉冲电镀,以避免在氧化铝表面上出现寄生电镀[30,31]。不过,这两个要求都与最先进的批量生产在线电镀设备兼容。在最后一步,PVD金属层被化学腐蚀。NOBLE过程工艺示意图如图十所示;所有所需的设备都可用于大规模生产。

太阳能电池互连与接触特性

NOBLE技术的出现主要是因为太阳能电池成功通过在PVD金属种子层上镀上有机抗蚀剂而获得金属化。CSEM[24]令人印象深刻的结果表明,采用焊接或智能栅线的可靠组件互连,太阳能电池效率η高达24.7%。我们相信,通过NOBLE工艺可以获得与使用有机掩膜技术一样的电池效率。

接触电阻的大小由电镀处理之前的PVD种子层和合适的界面处理决定。导电全区域PVD种子层可以获得均匀的电镀电流分布,从而使整个硅片上的电镀层高度均匀分布。NOBLE的接触形貌由掩模图形宽度和掩模开口周围的各向同性生长决定。

SHJ金属化选择性镀铜技术首次发表于2017年[29]。当时,选择性图案是通过一个薄的ALD-AlOx层和LIFT种子层图案化来实现的。使用该工艺制造的第一个单面SHJ太阳能电池的效率为22.2%,相比之下,丝网印刷参考太阳能电池的效率为21.7%。

随后的发展重点是实现本征AlOx层作为掩膜层,以及基于喷墨的显影图案工艺。图十展示了由Hatt等人在2019首次采用印刷NOBLE工艺金属化的SHJ太阳能电池,其中小面积[28]和大面积[32]太阳能电池的电池效率分别达到20.2%和20.0%。最近,用NOBLE后段工艺制造的大面积太阳能电池效率更是高达21.2%。最近的发展受到非优化掩模图案和PVD种子层工艺的限制。目前的工艺发展集中在优化这些工艺步骤上,以充分发挥电镀SHJ太阳能电池NOBLE工艺的潜力。

成本计算

图十一展示了不同后段方法的COOs。COO的计算是假设SHJ太阳能电池采用双面网格设计,前后双面分别有120和200条子栅。对于焊料互连,假设硅片每一面有五根主栅,每根主栅的宽度为500μm。其他互连方案为ECA互连和SWCT,这两种方案都不需要任何印刷金属主栅,因此节省了银材料。在使用SWCT时,小的线间距允许更高的子栅电阻,甚至更低的膏层。

金属化工艺有:双面银丝网印刷、有机掩膜电镀和NOBLE。表二总结了金属化或掩模图案化工艺所假设的银膏或抗蚀剂层。

在图十一所示的金属化工艺COO计算中,丝网印刷金属化方法的主要成本驱动因素之一是金属化耗材。假设银印刷膏的价格为589欧元/千克(然而,低温银膏更贵)。通过使用ECA或SWCT,减少了浆料的使用量,从而显著降低了银的成本。

在成本方面,有或没有有机掩模的镀铜金属化明显优于有主栅的丝网印刷金属化。然而,当使用SWCT互连时,有机掩模的成本与银的成本相当。正是在这一点上,NOBLE工艺具有明显的优势,即使不考虑废水处理的成本效益。然而,这两种电镀方法仍然具有吸引力,因为ECA或SWCT互连可能有助于降低金属化成本,尽管通常会增加互连成本。两种电镀方法的金属化设备折旧相对较高,这是由于PVD设备需要附加设备;然而,与最先进的丝网印刷设备相比,折旧主要来自于喷墨打印机和电镀设备的高投资成本。但是,如果越来越多的SHJ生产线采用电镀,预计设备价格将下降。

结论

采用镀铜接触技术可以进一步降低钝化接触太阳能电池的生产成本。

i-TOPCon太阳电池的电镀金属化

采用激光刻蚀和电镀Ni/Cu/Ag接触的双面和混合(电镀/丝网印刷)TOPCon太阳能电池的效率高达22.7%,为进一步降低i-TOPCon太阳能电池的电阻、复合和光学损耗开辟了道路。低接触电阻和低栅线电阻允许子栅宽度小于25μm,而低接触复合使TOPCon厚度减小到100nm以下。未来的主要工作是评估最小的TOPCon厚度,从而进一步降低激光刻蚀的电镀Ni/Cu/Ag接触的复合速率。

成本计算表明,采用电镀接触,特别是采用双面电镀子栅的形式,可以降低TOPCon太阳能电池的后段处理成本。由于超短脉冲激光烧蚀产生的激光损伤深度较浅,因而通过减小TOPCon层厚度可以进一步节省成本。

SHJ太阳能电池的NOBLE镀铜接触

NOBLE后段工艺是一种可用于商用SHJ太阳能电池的低成本、低温金属化方法。它提供了实现具有优异电气性能的金属网格的潜力,适合于可靠的组件互连(例如,主栅焊料互连)和低网格电阻,从而能够制备高效的双面SHJ太阳能电池。

由于耗材的成本大大降低(与所使用的互连技术无关),NOBLE实现了较低COO,并有望在设备和劳动力方面进一步大幅降低成本。与有机掩膜相比,NOBLE方法避免了有机废水,同时降低了材料成本和耗材的数量。

致谢

这项工作由德国联邦经济事务和能源部在Genesis(FKZ:032474)、PV-BAT400(FKZ:0324145)、TALER(FKZ:03EE1021B)和C3PO(FKZ:0324155A)项目框架内资助。

作者团队

Sven Kluska,Thibaud Hatt,Benjamin Grübel,Gisela Cimiotti,Christian Schmiga,Varun Arya,Bernd Steinhauser,Frank Feldmann,Jonas Bartsch,Jan Frederik Nekarda,Markus Glatthaar,Stefan W.Glunz

作者简介

Sven Kluska曾在弗赖堡的Albert Ludwig大学学习物理,并于2010年获得学士学位,2011年获得硅太阳能电池激光化学处理领域的博士学位。他的研究兴趣包括太阳能电池应用的电化学处理,重点是电镀金属化。他目前是电化学工艺小组的联合主管。

Thibaud Hatt曾在Grenoble 的Joseph Fourier大学和Strasbourg大学学习化学,并在那里获得硕士学位。之后他在CEALITEN从事锂离子电池研究,接着从事纤维领域聚酰胺-酰亚胺材料的湿法工艺研发。2017年,他以博士生身份加入Fraunhofer ISE,开发电化学工艺,专注于硅异质结太阳能电池TCO上的电镀金属化。

Benjamin Grübel于2017年从Karlsruhe技术学院获得了电子工程和信息技术硕士学位,期间研究的课题为对硅太阳能电池上激光结构和电镀接触的界面氧化层研究。目前,他是Fraunhofer ISE电化学工艺组的博士生,目前的研究领域是多晶硅上的电化学金属沉积(电镀),用于高效硅太阳能电池应用。

Gisela Cimiotti 曾在Aalen大学学习表面和材料科学。在担任RENA GmbH高级技术员期间,她参与了硅太阳能电池电镀技术的引进。自2012年以来,她一直在FraunhoferISE的电化学工艺组工作,专注于电镀技术研究。

Christian Schmiga拥有德国Georg August 大学的物理文凭。自2007年以来,他一直在FraunhoferISE公司工作,担任高效硅太阳能电池项目经理。他的研究领域包括电池效率潜力的评估、新太阳能电池概念的产业转移、电池技术从实验室到生产线的发展,重点是n型电池结构和铝合金。

Varun Arya曾在弗赖堡Albert Ludwig 大学攻读微系统工程,并于2016年获得硕士学位,论文题目为柔性无毒嵌入式聚合物材料制成的微型单模波导的设计与制造。自2017年以来,他一

合作伙伴

鸣谢

Solar Media