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1、- 1 - 高效晶体硅电池技术综述以及商业化现状陈强利、刘彬、余斌一、 硅太阳能电池转换效率的影响因素太阳能电池转换效率受到光吸收、载流子输运、 载流子收集的限制。对于单晶硅硅太阳能电池，由于上光子带隙的多余能量透射给下带隙的光子，其转换效率的理论最高值是28% 。实际上由于额外的损失太阳能电池的效率很低。只有通过理解并尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。 1.1 转换效率损失机理 : 提高太阳能电池的转换效率是太阳光电产业最重要的课题之一。一般而言太阳能电池效率每提升 1% ，成本可下降7% ，其对于降低成本的效果相当显著。研究结果表明，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两
2、个方面，如图 1 所示： （1）光学损失， 包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。（2）电学损失， 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、 半导体和金属栅线的接触电阻，以及金属和半导体的接触电阻等的损失。这其中最关键的是降低光生载流子的复合，它直接影响太阳能电池的开路电压。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。此外， 当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显2。图 1：普通太阳能电池多种损失机制 1.2 提高转换效率方法 : 提高晶硅太阳能电池转换效率有如下方法：(1) 光
3、陷阱结构。一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术，制得绒面的反射率可达到10以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术（RIE），该技术的优点是和晶硅的晶向无关，适用于较薄的硅片，通常使用SF6/O2 混合气体，在蚀刻过程中，F 自由基对硅进行化学蚀刻形成可挥发的SiF4 ，O自由基形成SixOyFz 对侧墙进行钝化处理，形成绒面结构。 目前韩国周星公司应用该技术的设备可制得绒面反射率低于在2%20% 范围。(2) 减反射膜。 它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。单晶硅电池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2 、Z
4、nS、MgF2 单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至2左右。(3) 钝化层： 钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。热氧钝化是在电池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止载流子在表面处的复合。原子氢钝化是因为硅的表面有大量的悬挂键，这些悬挂键是载流子的有效复合中心，而原子氢可以中和悬挂键，所以减弱了复合。- 2 - (4) 增加背场：如在P型材料的电池中，背面增加一层P+浓掺杂层，形成P+/P 的结构，在P+/P 的界面就产生了一个由P区指向 P+的内建电场。 由于内
5、建电场所分离出的光生载流子的积累，形成一个以P+端为正， P 端为负的光生电压，这个光生电压与电池结构本身的PN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压Voc。同时由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高。(5) 改善衬底材料： 选用优质硅材料，如 N 型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。提高太阳能电池的转换效率是太阳光电产业的重中之重，一般太阳能电池效率提升1% ，成本可下降7%3。目前业界在太阳能电池技术发展的重点在于改良现有制程与高效率的新结构，前者如 BS
6、F结构、 Shallow Junction、Selective Emitter等技术，后者如Sanyo 之 HIT 结构电池、Sunpower 之 Back Contacted背电极结构技术等，在实验室里往往可以制作出效率高出一般商用化产品的电池， 但是往往因制程过于复杂使得不符合成本效益，因此如何以不会太复杂的制程而能使太阳能电池的效率得以提升，是各家厂商积极努力的课题。二、 高效晶体硅太阳能电池技术2.1 PERL 电池: PERL （Passivated Emitter and Rear Locally-diffused）电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。1990年，新南威
7、尔士大学的J.ZHAO在PERC 电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL 电池， 如图 2 所示。 2001年，PERL 电池效率达到24.7 ，接近理论值，是迄今为止的最高记录4。图 2：新南威尔士大学PERL电池24.7% PERL 电池具有高效率的原因在于：（1）电池正面采用“倒金字塔”，这种结构受光效果优于绒面结构，具有很低的反射率，从而提高了电池的JSC.（2）淡磷、浓磷的分区扩散。栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小，且短波响应好的要求；（3）背面进行定域、小面积的硼扩散P+区。这会减少背电
8、极的接触电阻，又增加了硼背面场，蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器，从而进一步提高了电池的转化效率；（4）双面钝化。发射极的表面钝化降低表面态，同时减少了前表面的少子复合。而背面钝化使反向饱和电流密度下降，同时光谱响应也得到改善；但是这种电池的制造过程相当繁琐，其中涉- 3 - 及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产工艺中5。PERL 电池的工艺流程为：硅片“倒金字塔”结构制作背面局域硼扩散栅指电极的浓磷扩散正面的淡磷扩散SIO2减反射层光刻背电极接触孔光刻正面栅指电极引线孔正面蒸发栅指电极背面蒸发铝电极正面镀银退火测试 2.2 HIT 电池: HIT 电池是异质结( hetero-ju
9、nction with intrinsic thin-layer , HIT) 太阳能电池的简称。1997年，日本三洋公司推出了一种商业化的高效电池设计和制造方法，如图3所示，电池制作过程大致如下6：利用 PECVD在表面织构化后的n型 CZ-Si片的正面沉积很薄的本征-Si:H层和 p型 -Si:H，然后在硅片的背面沉积薄的本征-Si:H层和 n型-Si:H层；利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜（TCO），用丝网印刷的方法在TCO上制作 Ag电极。值得注意的是所有的制作过程都是在低于 200 的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。图 3 ：三洋公司 HIT
10、 电池23% HIT电池具有高效的原理是7：（1）全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；（2）双面制结， 可以充分利用背面光线；（3）表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；（4）采用的 n型硅片其载流子寿命很大，远大于p型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集；（5）织构化的硅片对太阳光的反射降低；（6）利用 PECVD 在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因。2009年5月，这种电池的量产效率达到了19.5%，单元转化效率达到23% 。HIT电池的工艺流程是：硅片清洗制绒正面沉积背面沉积TCO 溅射沉积丝网印刷
11、 Ag电极测试。 2.3 IBC 电池: IBC 电池是背电极接触( Interdigitated Back-contact ) 硅太阳能电池的简称。由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背后。这种把正面金属栅极去掉的电池结构有很多优点：（1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积；（2）组件装配成本降低；（3）外观好。由于光生载流子需要穿透整个电池，被电池背表面的PN 节所收集，故IBC电池需要载流子寿命较高的硅晶片，一般采用 N型FZ单晶硅作为衬底；正面采用二氧化硅或氧化硅 / 氮化硅复合膜与N+层结合作为前表面电场，并制成绒面结构以抗反射。背
12、面利用扩散法做成 P+和N+ 交错间隔的交叉式接面，并通过氧化硅上开金属接触孔，实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分有利于电流的引出, 结构见图 48。- 4 - 图 4 ：Sunpower公司 IBC 电池 22.3% 这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”， 增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分复杂，工艺中的难点包括P+扩散、金属电极下重扩散以及激光烧结等。2009年7月SunPower公司上市了转换效率为19.3 的太阳能电池模块。IBC电池的工艺流程大致如下：清洗制绒扩散 N+丝印刻蚀光阻刻蚀 P扩散区扩散 P+减反射镀膜热氧化丝印
13、电极烧结激光烧结。 2.4 MWT 电池: MWT 电池是金属穿孔卷绕（metallization wrap-through, MWT ）硅太阳能电池的简称。MWT技术是荷兰规模最大的太阳能电池生产商Solland Solar开发的用于其Sunweb 电池的方法。该技术应用 P型多晶硅，通过激光钻孔将电池正面收集的能量穿过电池转移至电池的背面。这种方法使每块电池的输出效率提高了2% ，再与电池组件相连接，所得的输出效率能提高9% ，如图 5所示。图 5：MWT 电池将发射极从正面“卷绕”至背面在 MWT 器件中，工艺的难点包括：激光打孔和划槽隔绝的对准及重复性、孔的大小及形状的控制、激光及硅衬
14、底造成的损伤及孔内金属的填充等。一般 MWT 每块硅片需要钻约200个通孔。 MWT电池的制作流程大致为：硅片激光打孔清洗制绒发射极阔撒去PSG 沉积 SIN印刷正面电极印刷背面电极印刷背电场烧结激光隔绝测试。2.5 EWT 电池 : EWT 电池是发射极环绕穿通（emitter-wrap-through，EWT ）硅太阳能电池的简称。与MWT电池不同的是，在EWT 电池中，传递功率的栅线也被转移至背面。与MWT 电池类似， EWT 电池也是通过在电池上钻微型孔来连接上、下表面。相比MWT 电池的每块硅片约200个通孔， EWT 电池每块硅片大约有 2万个这种通孔，故激光钻孔成为唯一可满足商业
15、规模速度的工艺，如图6所示。Schematic diagram of SunPowers low-cost rear-contact solar cell (not to scale). SiO2 passivation metal finger (n) n+ diffusion n-type base n+ FSF SiO2 passivation contact hole in SiO2 p+ diffusion metal finger (p) Front side Rear side pitch Antireflecitive coating texture - 5 - 图：采用背面分
16、布式触点的EWT电池EWT 电池由于正面没有栅线和电极，使模组装配更为简便，同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子，使光生电流有大幅度的提高。用于工业化大面积硅片的EWT 电池工艺多采用丝网印刷和激光技术，并对硅片质量具有一定的要求，这为EWT 电池工艺技术提出诸多的要求，比如无损伤激光切割的实现、丝网印刷对电极形状的限制、孔内金属的填充深度以及发射极串联电阻的优化等。利用这种新型几何结构生产出来的早期电池获得了超过17% 的效率。 2.6 激光刻槽埋栅电池 : 由 UNSW 开发的激光刻槽埋栅极技术，是利用激光技术在硅表面上刻槽，然后埋入金属， 以起到前表面点接触栅极的作用。如图7所示，发射结扩散后，用激光在前面刻出20m 宽、 40m 深的沟槽， 将槽清洗后进行浓磷扩散，然后槽内镀出金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积，使电池效率达到19.6%。与传统工艺的前表面镀敷金属层相比，这种电池具有的优点是：栅电极遮光率小、电流密度高， 埋栅电极深入硅衬底内部可增加对基区光生电子的收集，浓磷扩散
