高效晶體硅電池技術(shù)綜述普及

1、高效晶體硅電池技術(shù)綜述 以及商業(yè)化現(xiàn)狀陳強(qiáng)利、劉彬、余斌一、 硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響因素太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。實(shí)際上由于額外的損失太陽能電池的效率很低。只有通過理解并盡量減少損失才能開發(fā)出效率足夠高的太陽能電池。1.1 轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理:提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是太陽光電產(chǎn)業(yè)最重要的課題之一。一般而言太陽能電池效率每提升1%，成本可下降7%，其對(duì)于降低成本的效果相當(dāng)顯著。研究結(jié)果表明，影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個(gè)方面，如圖1所示：（1）

2、光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。（2）電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽能電池特性的影響也很明顯2。圖1： 普通太陽能電池多種損失機(jī)制1.2 提高轉(zhuǎn)換效率方法:提高晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率有如下方法：(1) 光陷阱結(jié)構(gòu)。一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技

3、術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到10以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)（RIE），該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無關(guān)，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過程中，F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4，O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備可制得絨面反射率低于在2%20%范圍。(2) 減反射膜。它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級(jí)反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減

4、反射膜后可以使反射率降至2左右。(3) 鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復(fù)合。原子氫鈍化是因?yàn)楣璧谋砻嬗写罅康膽覓戽I，這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復(fù)合。(4) 增加背場：如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結(jié)構(gòu)，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場。由于內(nèi)建電場所分離出的光生載流子的積累，形成一個(gè)以P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這個(gè)光生電

5、壓與電池結(jié)構(gòu)本身的PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時(shí)由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高。(5) 改善襯底材料：選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是太陽光電產(chǎn)業(yè)的重中之重，一般太陽能電池效率提升1%，成本可下降7%3。目前業(yè)界在太陽能電池技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于改良現(xiàn)有制程與高效率的新結(jié)構(gòu)，前者如BSF結(jié)構(gòu)、Shallow Junction、Selective Emitter等技術(shù)，后者如Sanyo

6、之HIT結(jié)構(gòu)電池、Sunpower之Back Contacted背電極結(jié)構(gòu)技術(shù)等，在實(shí)驗(yàn)室里往往可以制作出效率高出一般商用化產(chǎn)品的電池，但是往往因制程過于復(fù)雜使得不符合成本效益，因此如何以不會(huì)太復(fù)雜的制程而能使太陽能電池的效率得以提升，是各家廠商積極努力的課題。二、 高效晶體硅太陽能電池技術(shù)2.1 PERL 電池:PERL（Passivated Emitter and Rear Locally-diffused）電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池，

7、如圖 2所示。2001年，PERL電池效率達(dá)到24.7，接近理論值，是迄今為止的最高記錄4。圖2：新南威爾士大學(xué)PERL電池 h24.7%PERL電池具有高效率的原因在于：（1）電池正面采用“倒金字塔”，這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，具有很低的反射率，從而提高了電池的JSC.（2）淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻；而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應(yīng)好的要求；（3）背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散P+區(qū)。這會(huì)減少背電極的接觸電阻，又增加了硼背面場，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器，從而進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)化效率；（4）雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降

8、低表面態(tài)，同時(shí)減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時(shí)光譜響應(yīng)也得到改善；但是這種電池的制造過程相當(dāng)繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個(gè)低成本的生產(chǎn)工藝中5。PERL電池的工藝流程為：硅片“倒金字塔”結(jié)構(gòu)制作背面局域硼擴(kuò)散柵指電極的濃磷擴(kuò)散正面的淡磷擴(kuò)散SIO2減反射層光刻背電極接觸孔光刻正面柵指電極引線孔正面蒸發(fā)柵指電極背面蒸發(fā)鋁電極正面鍍銀退火測試2.2 HIT 電池:HIT 電池是異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽能電池的簡稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)

9、和制造方法，如圖3所示，電池制作過程大致如下6：利用PECVD在表面織構(gòu)化后的n型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征-Si:H層和p型-Si:H，然后在硅片的背面沉積薄的本征-Si:H層和n型-Si:H層；利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜（TCO），用絲網(wǎng)印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200 的條件下進(jìn)行，這對(duì)保證電池的優(yōu)異性能和節(jié)省能耗具有重要的意義。圖 3：三洋公司 HIT電池 h23% HIT電池具有高效的原理是7：（1）全部制作工藝都是在低溫下完成，有效地保護(hù)載流子壽命；（2）雙面制結(jié)，可以充分利用背面光線；（3）表面的非晶硅層對(duì)光線

10、有非常好的吸收特性；（4）采用的n型硅片其載流子壽命很大，遠(yuǎn)大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴(kuò)散穿過襯底被電極收集；（5）織構(gòu)化的硅片對(duì)太陽光的反射降低；（6）利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產(chǎn)生的原子氫對(duì)其界面進(jìn)行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。2009年5月，這種電池的量產(chǎn)效率達(dá)到了19.5%，單元轉(zhuǎn)化效率達(dá)到23%。HIT電池的工藝流程是：硅片清洗制絨正面沉積背面沉積TCO濺射沉積絲網(wǎng)印刷Ag電極測試。2.3 IBC 電池:IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽能電池的簡稱。由Sunpower公司開發(fā)的高效電池

11、，其特點(diǎn)是正面無柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背后。這種把正面金屬柵極去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）減少正面遮光損失，相當(dāng)于增加了有效半導(dǎo)體面積；（2）組件裝配成本降低；（3）外觀好。由于光生載流子需要穿透整個(gè)電池，被電池背表面的PN節(jié)所收集，故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片，一般采用N型FZ單晶硅作為襯底；正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復(fù)合膜與N+層結(jié)合作為前表面電場，并制成絨面結(jié)構(gòu)以抗反射。背面利用擴(kuò)散法做成P+和N+交錯(cuò)間隔的交叉式接面，并通過氧化硅上開金屬接觸孔，實(shí)現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的接觸。交叉排布的發(fā)射區(qū)與基區(qū)電極幾乎覆蓋了背表面的大部分，十分有利于電流的引出, 結(jié)構(gòu)見圖48

12、。圖 4：Sunpower公司 IBC 電池 h22.3%這種背電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電池正面“零遮擋”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復(fù)雜，工藝中的難點(diǎn)包括P+擴(kuò)散、金屬電極下重?cái)U(kuò)散以及激光燒結(jié)等。2009年7月SunPower公司上市了轉(zhuǎn)換效率為19.3的太陽能電池模塊。IBC電池的工藝流程大致如下：清洗制絨擴(kuò)散N+絲印刻蝕光阻刻蝕P擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散P+減反射鍍膜熱氧化絲印電極燒結(jié)激光燒結(jié)。2.4 MWT 電池:MWT 電池是金屬穿孔卷繞（metallization wrap-through, MWT）硅太陽能電池的簡稱。MWT技術(shù)是荷蘭規(guī)模最大的太陽能電池生產(chǎn)商Solland Solar開發(fā)

13、的用于其Sunweb電池的方法。該技術(shù)應(yīng)用P型多晶硅，通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池轉(zhuǎn)移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%，再與電池組件相連接，所得的輸出效率能提高9%，如圖5所示。圖5：MWT電池將發(fā)射極從正面“卷繞”至背面在MWT器件中，工藝的難點(diǎn)包括：激光打孔和劃槽隔絕的對(duì)準(zhǔn)及重復(fù)性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內(nèi)金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個(gè)通孔。MWT電池的制作流程大致為：硅片激光打孔清洗制絨發(fā)射極闊撒去PSG沉積SIN印刷正面電極印刷背面電極印刷背電場燒結(jié)激光隔絕測試。2.5 EWT 電池:EWT 電池是發(fā)射極環(huán)繞穿

14、通（emitter-wrap-through，EWT）硅太陽能電池的簡稱。與MWT電池不同的是，在EWT電池中，傳遞功率的柵線也被轉(zhuǎn)移至背面。與MWT電池類似，EWT電池也是通過在電池上鉆微型孔來連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個(gè)通孔，EWT電池每塊硅片大約有2萬個(gè)這種通孔，故激光鉆孔成為唯一可滿足商業(yè)規(guī)模速度的工藝，如圖6所示。圖：采用背面分布式觸點(diǎn)的EWT電池EWT電池由于正面沒有柵線和電極，使模組裝配更為簡便，同時(shí)由于避免了遮光損失且實(shí)現(xiàn)了雙面收集載流子，使光生電流有大幅度的提高。用于工業(yè)化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網(wǎng)印刷和激光技術(shù)，并對(duì)硅片質(zhì)量具有一定的要求，這

15、為EWT電池工藝技術(shù)提出諸多的要求，比如無損傷激光切割的實(shí)現(xiàn)、絲網(wǎng)印刷對(duì)電極形狀的限制、孔內(nèi)金屬的填充深度以及發(fā)射極串聯(lián)電阻的優(yōu)化等。利用這種新型幾何結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來的早期電池獲得了超過17%的效率。2.6 激光刻槽埋柵電池:由UNSW開發(fā)的激光刻槽埋柵極技術(shù)，是利用激光技術(shù)在硅表面上刻槽，然后埋入金屬，以起到前表面點(diǎn)接觸柵極的作用。如圖7所示，發(fā)射結(jié)擴(kuò)散后，用激光在前面刻出20m寬、40m深的溝槽，將槽清洗后進(jìn)行濃磷擴(kuò)散，然后槽內(nèi)鍍出金屬電極。電極位于電池內(nèi)部，減少了柵線的遮蔽面積，使電池效率達(dá)到19.6%。與傳統(tǒng)工藝的前表面鍍敷金屬層相比，這種電池具有的優(yōu)點(diǎn)是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵

16、電極深入硅襯底內(nèi)部可增加對(duì)基區(qū)光生電子的收集，濃磷擴(kuò)散降低濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高了電池的開路電壓等9 10。圖 7 ：新南威爾士大學(xué) 激光刻槽埋柵電池 h 19.8%這種電池既保留了高效電池的特點(diǎn)，又省去了高效電池制作中的一些復(fù)雜的工藝，很適合利用低成本、大面積的硅片進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。目前這一技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給好幾家世界上規(guī)模較大的太陽能電池生產(chǎn)廠。如英國的BP SOLAR和美國的SOLAREX等。激光刻槽埋柵電池的大致工藝流程為：硅片清洗制絨淡磷擴(kuò)散熱氧化鈍化開槽槽區(qū)濃磷擴(kuò)散背面蒸鋁燒背場化學(xué)鍍埋柵背面電極減反射膜去邊燒結(jié)測試。2.7 OECO 電池:OECO 電池是傾

17、斜蒸發(fā)金屬接觸（Obliquely evaporated contact，OECO）硅太陽能電池的簡稱11。OECO 太陽電池是德國ISFH研究所從九十年代就開始研制的一種新型單晶硅電池。與其他高效電池相比，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、制作簡單、電極原料無損耗、成本低廉和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。OECO電池結(jié)構(gòu)基于金屬絕緣體半導(dǎo)體（MIS）接觸，利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極，無需光刻、電極燒穿、電極下重?fù)诫s和高溫工藝即可形成高質(zhì)量的接觸，并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極12。更為重要的是當(dāng)這種電池制作面積從4 cm2擴(kuò)大到100 cm2時(shí)，效率也只是從21.1略微

18、降到20，仍然屬于高效范圍，所以這種結(jié)構(gòu)的電池更適宜于工藝生產(chǎn)。圖 8：德國 ISFH 的 OECO 電池 h21.1%OECO結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，電池的表面由許多排列整齊的方形溝槽組成，淺發(fā)射極n+位于硅片的上表面，在其上有一極薄的氧化隧道層，Al電極傾斜蒸鍍于溝槽的側(cè)面，然后利用PECVD蒸鍍氮化硅作為鈍化層和減反射膜OECO電池有以下特點(diǎn)：（1）電極是蒸鍍?cè)跍喜鄣膫?cè)面，有利于提高短路電流；（2）優(yōu)異的MIS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以獲得很高的開路電壓和填充因子；（3）高質(zhì)量的蒸鍍電極接觸；（4）不受接觸特性限制的可以被最優(yōu)化的淺發(fā)射極；（5）高質(zhì)量的低溫表面鈍化。電池的制作具體過程為：前表面機(jī)械開

19、槽化學(xué)腐蝕清洗背面掩膜（擴(kuò)散）前表面化學(xué)制絨使用液態(tài)源POCl3進(jìn)行磷擴(kuò)散制作n+發(fā)射極打開背面接觸真空蒸鍍Al作為背電極前表面低溫?zé)嵫趸纬裳趸淼缹忧氨砻鏌o需掩膜直接傾斜蒸鍍Al作為面電極使用導(dǎo)電膠將各個(gè)面電極連接起來采用PECVD法在前表面蒸鍍氮化硅作為鈍化和減反射層。 三、 小結(jié) 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，太陽能作為理想的可再生能源受到了更多的重視，全球的研究團(tuán)隊(duì)正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。目前太陽能電池的種類不斷增多，但晶體硅太陽能電池因?yàn)閮?yōu)異的特性和較高的轉(zhuǎn)換效率，在未來一段時(shí)期內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。我國太陽電池的研究始于1958年，近20年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已初具規(guī)模，但在總體水平上我國同國外相比還有差距，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)規(guī)模小、成本高、技術(shù)水平較低。本文介紹了幾種可應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)的高效晶體硅太陽能電池技術(shù)，為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效電池技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。隨著中國太陽能電池產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，必將帶動(dòng)太陽能電池想著效率更高、成本更低的方向發(fā)展，而先進(jìn)的技術(shù)無疑是這一清潔能源真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障。參考文獻(xiàn)：1 于靜. 太陽能發(fā)電技術(shù)綜述. 世界科技研究與發(fā)展，2008年2月 56592 趙玉文. 太陽電池新進(jìn)展. 北京太陽能研究所 2004.23 市場競爭促進(jìn)硅太陽能電池發(fā)展 光電信息簡報(bào) 2009