高效单晶硅太阳电池商业化进程汪义川摘要：高效单晶硅太阳电池商业化生产，除了 BP 公司刻槽埋栅太阳电池工艺外，还有使用 SiN 或 TiO2减反膜的高效太阳电池尚德太阳能电力有限公司最近竣工一条年产 15MW 高效单晶硅太阳电池生产线，既能生产镀 SiN 膜又能镀 Ti02 膜的高效单晶硅太阳电池0 前言虽然上世纪末多晶硅电池产量首次超过单晶硅太阳电池，但是单晶硅太阳电池产量并非就此止步不前，仍然继续发展，形成与多晶硅太阳电池并驾齐驱各各领风骚的态势全世界 2001 年光伏器件产量404MW，多晶硅太阳电池占 50.2%，单晶硅太阳电池占 34.6%全世界 2002 年光伏器件产量 559.6MW，单晶硅太阳电池占 36.4%据日本某著名光伏厂商称，今后他们只做单晶硅太阳电池，不做多晶硅太阳电池了当今国际上一般都用 5 寸准方片来做，即外形尺寸是 125mm×125mm，直径 150mm，面积为148.58cm2,光电转换效率≥15% 随着 8 寸 IC 生产线退役，其中 8 寸单晶炉有相当部份转向拉太阳能级单晶棒，出现 6 寸准方片（外形尺寸是 125mm×125mm，直径 150mm）的单晶硅太阳电池只是早晚的事。
尚德太阳能电力有限公司根据市场需求和自我发展的需要，审时度势新建了年产 15MW 单晶硅太阳电池生产线这条新线是尚德公司今年的一件大事，通过公司最高领导层、全体员工呕心沥血的努力，如期竣工该线具有 APCVD 和 PECVD 设备，这样就能生产具有 SiN 或 TiO2 膜的单晶硅太阳电池使用 103mm×103mm 和 125mm×125mm 的单晶硅片光电转换效率最大达：16.2%（镀 SiN 膜） ，15.7%（镀 Ti02 膜） ；平均达：15.3%（镀 SiN 膜） ，15.1%（镀 Ti02 膜） 1 工艺介绍高效单晶硅太阳电池工艺流程如下：A. SiN 共烧工艺流程： 1. 制备绒面2. 发射区扩散3. 边缘 p-n 结刻蚀、去磷硅玻璃4. PECVD 沉积 SiN5. 丝网印刷背电极、背电场以及正面电极6. 共烧形成金属接触7. 电池片测试B SiO2/TiO2 共烧工艺流程：1. 制备绒面2. 发射区扩散3. 边缘 p-n 结刻蚀、去磷硅玻璃4. 氧化生成 SiO2 钝化层5. APCVD 沉积 TiO26. 丝网印刷背电极、背电场以及正面电极7. 共烧形成金属接触8. 电池片测试1．1 绒面制备硅片采用 0.5~2Ω·cm，P 型晶向为的单晶硅片。
利用氢氧化钠溶液可对单晶硅片进行各向异性腐蚀的特点来制备绒面当各向异性因子＝10 时（所谓各向异性因子就是（100）面与（111）面单晶硅腐蚀速率之比） ，可以得到均匀的金字塔形的角锥体组成的绒面绒面具有受光面积大，反射率低的特点，可提高单晶硅太阳电池的短路电流 Isc，从而提高太阳电池的光电转换效率图（1）单晶硅片绒面形状金字塔形角锥体的表面积 S0 等于四个边长为 a正三角形 S 之和 203214a由此可见有绒面的受光面积比光面提高了 倍即31.732 倍当一束强度为 E0 的光投射到图中的 A 点，产生反射光 Ф 1 和进入硅中的折射光 Ф 2反射光 Ф 1 可以继续投射到另一方锥的 B 点，产生二次反射光Ф 3 和进入半导体的折射光 Ф 4；而对平面光电池就不产生这第二次的入射经计算可知还有 11％的二次反射光可能进行第三次反射和折射，由此可算得绒面的反射率为 9.04％实际的绒面反射率曲线如下：Reflectance vs. Wavelength00.050.10.150.20.250.30.350.40.45300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Wavelength(nm)Reflectance(0-1)尚德太阳能电力有限公司在制绒过程中，对传统制绒工艺进行改革，有所创新，所制绒面颜色均匀一致，无花篮印和白边，雨点印桔皮状。
1.2 发射区扩散采用三氯氧磷气体携带源方式，这个工艺的特点是生产高，有利于降低成本新购的 8 寸硅片扩散炉、石英管口径达 270mm，可以扩散 150×150（mm）的硅片由于石英管口径大，恒温区长，提高了扩散薄层电阻均匀性，有利于降低太阳电池的串联电阻 Rs，从而提高太阳电池填充因子 FF1.3 SiO2 钝化与 APCVD 淀积 TiO2先期的地面用高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太阳电池（PESC）工艺，在扩散过去除磷硅玻 的硅片上，热氧化生长一层 10nm 厚 SiO2，使表面层非晶化，改变了表面层硅原子价键失配情况，使表面趋于稳定，这样减少了发射区表面复合，提高了太阳电池对蓝光的响应，这样也增加了短路电流密度 Jsc，由于减少了发射区表面复合，这样也就减少了反向饱和电流密度，从而提高了太阳电池开路电压 Voc还有如果没有这层 SiO2，直接淀积 TiO2 薄膜，由于 SiO2 导致太阳电池短路电流衰减，一般会衰减 8％左右，从而降低光电转换效率故要先生长 SiO2 钝化膜再生长 TiO2 减反射膜Tio2 减反射膜是用 APCVD 设备生长的，它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反应来生长 TiO2 薄膜。
Ti（ OC3H7） 4＋2H 2O TiO2＋4（C 3H7）OH1.3.2 PECVD 淀积 SiN多晶硅太阳电池广泛使用 PECVD 淀积 SiN，是由于 PECVD 淀积 SiN 时，不光是生长 SiN 作为减反射膜，同时带来了大量氢等离子体，这种氢离子体能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用，可用于大批量生产高效多晶硅太阳电池，为上世纪未多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池立下汗马功劳随着 PECVD 在多晶硅太阳电池成功，引起人们将 PECVD 用于单晶硅太阳电池作表面钝化的愿望由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢，可以很好的钝化硅中的位错、表面悬挂键，从而提高了硅片中载流子迁移率，一般要提高 20％左右，同时由于 SiN 薄膜对单晶硅表面有非常明显钝化作用，表面的少子寿命提高了 5 倍左右，用 PECVD 制造单晶硅太阳电池效率较高于传统 APCVD 制造单晶硅太阳电池获得了很大的成功1.4 共烧形成金属接触晶体硅太阳电池要通过三次印刷金属浆料，传统工艺要用二次烧结才能形成良好的带有金属电极欧姆接触，共烧工艺只需一次烧结，同时形成上下电极的欧姆接触，是高效晶体硅太阳能电池的一项重要关键工艺，国外著名的金属浆料厂商非常卖力推广共烧工艺。
这个工艺基础理论来自较古老的合金法制P－N 结工艺，就是电极金属材料和半导体单晶硅在温度达到电极材料的溶点或共晶温度时，单晶硅原子按相图以一定的比例量溶入到熔融的合金电极材料中去，单晶硅原子溶入到电极金属中的整个过程是相当快的，一般只需几秒钟时间，溶入的单晶硅原子数目决定于合金温度和电极材料的体积，烧结合金温度愈高，电极金属材料体积愈大，则溶入的硅原子数目也愈多,这时状态被称为晶体电极金属的合金系统，如果此时温度降低，系统开始冷却，这时原先溶入到溶融到电极金属材料中的硅原子，重新以固态形式结晶出来，也就是在金属和晶体接触界面上生长出一层新的晶体层再结晶层，如果再结晶层内含有足够量的，与原先晶体材料导电类型相同杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成欧姆接触，如果再结晶层内含有足够量的与原先晶体材料导电类型异型的杂质成份，这就获得了用合金法工艺形成 P－N 结银桨、银铝桨、铝桨印刷过的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起，所谓共烧工艺显然是采用银－硅的共晶温度，同时在几秒钟内，单晶硅原子溶入到熔融金属电极材料里后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美，单晶硅的晶格点阵结构。
只有一次烧结钝化表面层的氢原子，逸失是有限的保障了氢，钝化表面的效果，填充因子较高，没有必要引入氮氢烘焙工艺（FGS）这就是当前较推崇的高温快速烧结（RTF）共烧工艺1.5 电池片测试电池片测试后，其 IV 曲线如下：IV Graph012345-0.25 0 0.25 0.5 0.75Voltage(V)Current(A)另外，测出反射率和量子效率也给出了较好的结果：（积分短路电流密度 Jsc 为 35.13mA/cm2）Isc: 4.9836A Voc: 0.6003V Im: 4.6032A Vm: 0.4998V Pmax: 2.3007W FF: 0.769 EFF: 15.4846%RF & QE vs. Wavelength0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Wavelength(nm)RF & QERF EQE IQE结论：尚德太阳能电力有限公司新建 15 兆瓦单晶硅太阳电池生产线，其技术水平和当今商业化高效单晶硅太阳电池处于同步阶段，将大大提高我国光伏产业水平。
这条生产线生产 SiN 膜和 TiO2 单晶硅太阳电池，体现了尚德公司既能面向现在，又能继承传统全面发展的策略现在生产 72 片 125×125 单晶硅太阳电池，输出功率 160W 组件大量出口，经济效益较好，说明该条生产线运作是成功的。