高效晶體硅電池技術綜述普及

1、高效晶體硅電池技術綜述 以及商業(yè)化現(xiàn)狀陳強利、劉彬、余斌一、 硅太陽能電池轉換效率的影響因素太陽能電池轉換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。對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，其轉換效率的理論最高值是28%。實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 轉換效率損失機理:提高太陽能電池的轉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%，其對于降低成本的效果相當顯著。研究結果表明，影響晶體硅太陽能電池轉換效率的原因主要來自兩個方面，如圖1所示：（1）

2、光學損失，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）電學損失，它包括半導體表面及體內的光生載流子復合、半導體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導體的接觸電阻等的損失。這其中最關鍵的是降低光生載流子的復合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復合主要是由于高濃度的擴散層在前表面引入大量的復合中心。此外，當少數(shù)載流子的擴散長度與硅片的厚度相當或超過硅片厚度時，背表面的復合速度對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制1.2 提高轉換效率方法:提高晶硅太陽能電池轉換效率有如下方法：(1) 光陷阱結構。一般高效單晶硅電池采用化學腐蝕制絨技

3、術，制得絨面的反射率可達到10以下。目前較為先進的制絨技術是反應等離子蝕刻技術（RIE），該技術的優(yōu)點是和晶硅的晶向無關，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)自由基對硅進行化學蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4，O自由基形成SixOyFz對側墻進行鈍化處理，形成絨面結構。目前韓國周星公司應用該技術的設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)生的各級反射相互間進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、鋁表面擴散進行鈍化。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合。原子氫鈍化是因為硅的表面有大量的懸掛鍵，這些懸掛鍵是載流子的有效復合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復合。(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的結構，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個由P區(qū)指向P+的內建電場。由于內建電場所分離出的光生載流子的積累，形成一個以P+端為正，P端為負的光生電壓，這個光生電

5、壓與電池結構本身的PN結兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時由于背電場的存在，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)質硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結后硼氧反應小、電導率好、飽和電流低等。提高太陽能電池的轉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發(fā)展的重點在于改良現(xiàn)有制程與高效率的新結構，前者如BSF結構、Shallow Junction、Selective Emitter等技術，后者如Sanyo

6、之HIT結構電池、Sunpower之Back Contacted背電極結構技術等，在實驗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雜使得不符合成本效益，因此如何以不會太復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、背面定域擴散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學的J.ZHAO在PERC電池結構和工藝的基礎上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴散制備出PERL電池，

7、如圖 2所示。2001年，PERL電池效率達到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”，這種結構受光效果優(yōu)于絨面結構，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)擴散。柵指電極下的濃磷擴散可以減少柵指電極接觸電阻；而受光區(qū)域的淡磷擴散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應好的要求；（3）背面進行定域、小面積的硼擴散P+區(qū)。這會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，從而進一步提高了電池的轉化效率；（4）雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降

8、低表面態(tài)，同時減少了前表面的少子復合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時光譜響應也得到改善；但是這種電池的制造過程相當繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個低成本的生產(chǎn)工藝中5。PERL電池的工藝流程為：硅片“倒金字塔”結構制作背面局域硼擴散柵指電極的濃磷擴散正面的淡磷擴散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 電池是異質結( 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)化的高效電池設計

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；利用濺射技術在電池的兩面沉積透明氧化物導電薄膜（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 的條件下進行，這對保證電池的優(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，有效地保護載流子壽命；（2）雙面制結，可以充分利用背面光線；（3）表面的非晶硅層對光線

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，遠大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴散穿過襯底被電極收集；（5）織構化的硅片對太陽光的反射降低；（6）利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產(chǎn)生的原子氫對其界面進行鈍化，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)效率達到了19.5%，單元轉化效率達到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、，其特點是正面無柵狀電極，正負極交叉排列在背后。這種把正面金屬柵極去掉的電池結構有很多優(yōu)點：（1）減少正面遮光損失，相當于增加了有效半導體面積；（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/氮化硅復合膜與N+層結合作為前表面電場，并制成絨面結構以抗反射。背面利用擴散法做成P+和N+交錯間隔的交叉式接面，并通過氧化硅上開金屬接觸孔，實現(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, 結構見圖48

12、。圖 4：Sunpower公司 IBC 電池 h22.3%這種背電極的設計實現(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雜，工藝中的難點包括P+擴散、金屬電極下重擴散以及激光燒結等。2009年7月SunPower公司上市了轉換效率為19.3的太陽能電池模塊。IBC電池的工藝流程大致如下：清洗制絨擴散N+絲印刻蝕光阻刻蝕P擴散區(qū)擴散P+減反射鍍膜熱氧化絲印電極燒結激光燒結。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。該技術應用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，工藝的難點包括：激光打孔和劃槽隔絕的對準及重復性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個通孔。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個通孔，EWT電池每塊硅片大約有2萬個這種通孔，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，同時由于避免了遮光損失且實現(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，并對硅片質量具有一定的要求，這

15、為EWT電池工藝技術提出諸多的要求，比如無損傷激光切割的實現(xiàn)、絲網(wǎng)印刷對電極形狀的限制、孔內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構生產(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，是利用激光技術在硅表面上刻槽，然后埋入金屬，以起到前表面點接觸柵極的作用。如圖7所示，發(fā)射結擴散后，用激光在前面刻出20m寬、40m深的溝槽，將槽清洗后進行濃磷擴散，然后槽內鍍出金屬電極。電極位于電池內部，減少了柵線的遮蔽面積，使電池效率達到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)點是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵

16、電極深入硅襯底內部可增加對基區(qū)光生電子的收集，濃磷擴散降低濃磷區(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 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，又省去了高效電池制作中的一些復雜的工藝，很適合利用低成本、大面積的硅片進行大規(guī)模生產(chǎn)。目前這一技術已經(jīng)轉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散熱氧化鈍化開槽槽區(qū)濃磷擴散背面蒸鋁燒背場化學鍍埋柵背面電極減反射膜去邊燒結測試。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，具有結構設計新穎、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。OECO電池結構基于金屬絕緣體半導體（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、電極下重摻雜和高溫工藝即可形成高質量的接觸，并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極12。更為重要的是當這種電池制作面積從4 cm2擴大到100 cm2時，效率也只是從21.1略微

18、降到20，仍然屬于高效范圍，所以這種結構的電池更適宜于工藝生產(chǎn)。圖 8：德國 ISFH 的 OECO 電池 h21.1%OECO結構示意圖如圖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：（1）電極是蒸鍍在溝槽的側面，有利于提高短路電流；（2）優(yōu)異的MIS結構設計，可以獲得很高的開路電壓和填充因子；（3）高質量的蒸鍍電極接觸；（4）不受接觸特性限制的可以被最優(yōu)化的淺發(fā)射極；（5）高質量的低溫表面鈍化。電池的制作具體過程為：前表面機械開

19、槽化學腐蝕清洗背面掩膜（擴散）前表面化學制絨使用液態(tài)源POCl3進行磷擴散制作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熱氧化形成氧化隧道層前表面無需掩膜直接傾斜蒸鍍Al作為面電極使用導電膠將各個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 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機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，全球的研究團隊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為優(yōu)異的特性和較高的轉換效率，在未來一段時期內仍將占據(jù)主導地位。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、技術水平較低。本文介紹了幾種可應用于商業(yè)化生產(chǎn)的高效晶體硅太陽能電池技術，為國內實現(xiàn)高效電池技術工業(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，必將帶動太陽能電池想著效率更高、成本更低的方向發(fā)展，而先進的技術無疑是這一清潔能源真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎保障。參考文獻：1 于靜. 太陽能發(fā)電技術綜述. 世界科技研究與發(fā)展，2008年2月 56592 趙玉文. 太陽電池新進展. 北京太陽能研究所 2004.23 市場競爭促進硅太陽能電池發(fā)展 光電信息簡報 2009