（物理学专业论文）单晶硅太阳能电池铝背场的特性研究.pdf

摘要 单晶硅太阳电池铝背场的欧姆接触影响其输出特性，采用新的工 艺技术降低电池的串联电阻势在必行。随着电池衬底厚度变得越来越 薄，传统的丝网印刷工艺使铝背场难以继续发挥其优势，探索硅片特 征参量与铝背场特性之间的内在联系也显得十分必要。 本文首先采用直流磁控溅射和丝网印刷技术分别在半成品单晶 硅电池的背面溅射铝膜和印刷铝浆料，然后对其进行快速热处理，制 备出了电池的铝背场。研究发现：当溅射铝膜厚度为3 9 m 左右时， 经8 0 0 0 c 快速热退火处理后，铝背场的表面方块电阻已经和工业上现 在常用的丝网印刷和烧结工艺制备出的铝背场的相当。相对传统的丝 网印刷工艺，溅射铝膜经8 0 0 0 c 快速热处理后，铝晶粒更大，更加均 匀紧密且表面平整，有利于进一步降低铝背场欧姆接触电阻以及提高 对中长波太阳能的吸收。溅射工艺制备出的铝背场接触电阻随退火温 度升高呈下降趋势且溅射工艺的接触电阻比印刷工艺更小。当退火温 度不小于8 0 0 0 c 时，溅射工艺的接触电阻基本趋于稳定，而印刷工艺 制备的铝背场欧姆接触电阻在9 0 0 0 c 处理后接触电阻反而升高。 为进一步研究电池铝背场的特性，在模拟软件p c i d 中建立了 n + p p + 单晶硅太阳能电池的物理模型，仿真并系统地研究了单晶硅电 池衬底厚度、掺杂浓度和少子寿命以及铝背场的掺杂浓度分布梯度、 厚度及其平均掺杂浓度等参数跟铝背场特性之间的内在联系。仿真结 果表明，硅衬底厚度对n + p p + 电池输出特性的影响与衬底少子的扩散 长度相关。当衬底厚度跟其少子扩散长度相当时，随着衬底厚度的减 薄，铝背场对提高太阳能电池输出特性的作用越来越强。当少子扩散 长度与衬底厚度的比值为2 5 3 时，具有铝背场结构的单晶硅电池可 获得最佳的输出特性。当p 型硅衬底的掺杂浓度在5 1 0 1 5 一lx 1 0 f 7 c m o 范围变化时( 对应电阻率为0 2 3 q c m ) ，具有铝背场结构的 单晶硅电池能获得良好的输出特性。具有铝背场结构电池的输出特性 几乎不依赖于铝背场掺杂浓度分布梯度，铝背场在一定程度上几乎屏 蔽了电池背表面复合速度对其输出特性的影响。当铝背场中的平均掺 杂浓度超过6 5 6 x1 0 1 8 c m 3 后，铝背场的最佳厚度值决定于p + 层内的 少子扩散长度，其值一般是少子扩散长度的1 2 倍。当铝背场的平均 掺杂浓度和厚度分别为6 5 6 x 1 0 1 8 c m 3 和1 0 9 m 左右时，铝背场可以发 挥其最大的作用。 关键词单晶硅电池，铝背场欧姆接触，p c i d ，仿真，输出特性 i i a b s t r a c t t h eb a c ko h m i cc o n t a c to ft h ea l u m i n u mb a c ks u r f a c ef i e l d ( a 1 一b s f ) o fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sg r e a t l yi m p a c t st h eo u t p u tp r o p e r t i e so f s o l a rc e l l s a n ds oi ti si m p e r a t i v et oi m p r o v et h eb a c ko h m i cc o n t a c t p r o p e r t yb yn o v e lt e c h n o l o g yi no r d e rt or e d u c et h es e r i e sr e s i s t a n c e w i t ht h es o l a rc e l ls u b s t r a t et h i c k n e s sd e c r e a s i n gg r a d u a l l y , i ti sd i f f i c u l t f o rt h es c r e e np r i n t i n gt of a b r i c a t ea 1 - b s fs o a st oc o n t i n u ee x e r t i n gi t s a d v a n t a g e s s oi ti sa l s on e c e s s a r yt oe x p l o r et h ei n t r i n s i cr e l a t i o n sa m o n g t h eq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so fs i l i c o ns u b s t r a t ea n dt h ea 1 一b s f c h a r a c t e r i s t i c f i r s t l y , t h ea l u m i n u mf i l m sa n da l u m i n u mp a s t ew e r es p u t t e r e da n d p r i n t e do nt h eb a c ks u r f a c eo ft h es e m i f i n i s h e ds i l i c o ns o l a rc e l l sb yd c m a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n ds c r e e n - p r i n t i n gt e c h n i q u e ，r e s p e c t i v e l y , a n d t h e na f t e rr a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ( r t a ) t h ea i b s fw a sp r e p a r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e n t h es p u t t e r i n ga 1f i l mi sa b o u t3 1 t m a n dt h e ni sa n n e a l e dr a p i d l ya t8 0 0 0 c ，t h es h e e tr e s i s t a n c eo fa 1 一b s f b a c ks u r f a c eh a sb e e na l m o s te q u a lt ot h a tb ys c r e e np r i n t i n ga n d s i n t e r i n gp r o c e s sc o m m o n l yu s e di np r e s e n ti n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n c o m p a r e dw i t ht h e s c r e e np r i n t i n gp r o c e s s ，t h eg r a i no fs p u t t e r i n g a l u m i n u mf i l ma f t e rr t aa t8 0 0 0 ct e n d st ob el a r g e ra n dm o r eu n i f o r m a n dm o r ec o m p a c t ，a n di t ss u r f a c ei ss m o o t h e r , a l lo fw h i c ha r ec o n d u c i v e t of u r t h e rd e c r e a s i n gb a c ko h m i cc o n t a c tr e s i s t a n c ea n di m p r o v i n gt h e a b s o r p t i o no ft h em i d d l e a n dl o n g - w a v es u nl i g h t t h eb a c ko h m i c c o n t a c tr e s i s t a n c eo fa 1 一b s fb yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi sd o w n t r e n d w i t ht h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，a n dl e s st h a nt h a tb yt h e s c r e e np r i n t i n gp r o c e s s w h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sn o tl e s st h a n 8 0 0 0 c ，t h ec o n t a c tr e s i s t a n c eb yt h es p u t t e r i n gp r o c e s st e n d st ob es t a b l e g r a d u a l l y , w h i l ev i aa n n e a l i n ga t9 0 0 0 ct h eb a c ko h m i cc o n t a c tr e s i s t a n c e i i i b yt h ep r i n t i n gp r o c e s ss h o w sa nu p t r e n d t of u r t h e rs t u d yt h ea 1 - b s fc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep h y s i c a lm o d e lo f c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sw i t ha l l 式ws t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e di n t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep c1d ，a n dt h ei n t r i n s i cr e l a t i o n sa m o n ga 1 一bs f c h a r a c t e r i s t i c sa n ds i l i c o nw a f e r sp a r a m e t e r s ，s u c ha ss u b s t r a t et h i c k n e s s ， d o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dm i n o r i t yb u l kl i f e t i m e ，a sw e l la st h ea 1 一b s f p a r a m e t e r sw h i c hi sm a i n l yd o p i n gc o n c e n t r a t i o np r o f i l e ，a v e r a g ed o p i n g c o n c e n t r a t i o n ，t h i c k n e s sa n ds oo n ，w e r es y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e da n d s t u d i e d t h ee m u l a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to ft h es i l i c o n s u b s t r a t e st h i c k n e s so nt h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo f 忒谛s o l a rc e l l s d e p e n d so nt h ed i f f u s i o nl e n g t ho fm i n o r i t yc a r t i e ri ns u b s t r a t e s w h e n t h es u b s t r a t et h i c k n e s s a p p r o x i m a t e l ye q u a l st h ed i f f u s i o nl e n g t ho f m i n o r i t yc a r r i e ri ns u b s t r a t e ，t h er o l eo fa 1 一b s fo ni m p r o v i n gt h eo u t p u t p e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l le n h a n c e sg r a d u a l l y w i t ht h es u b s t r a t et h i c k n e s s d e c r e a s i n g w h e nt h er a t i oo fm i n o r i t yc a r r i e r s d i f f u s i o nl e n g t ht ot h e s u b s t r a t et h i c k n e s si sa b o u t2 5t o3 ，t h ec r y s t a l l i n es i l i c o nc e l l sw i t ha l l a i - b s fc a ng a i nt h eo p t i m a lo u t p u tp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，w h e nt h e d o p i n gc o n c e n t r a t i o no ft h ep - t y p es i l i c o ns u b s t r a t er a n g e sf r o m5x l0 1 5t o lx 1 0 1 7 c m 3 ，c o r r e s p o n d i n gt oi t sr e s i s t i v i t yb e t w e e n0 2a n d3q 。c m ，t h e c r y s t a l l i n es i l i c o nc e l l sw i t ha l la 1 一b s fc a na l s og e ta nb e t t e ro u t p u t p e r f o r m a n c e b e s i d e s ，t h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo ft h ec r y s t a l l i n es i l i c o n c e l l sw i t ha na 1 一b s fi sa l m o s ti n d e p e n d e n to fd o p i n gc o n c e n t r a t i o n g r a d i e n to fi t sa 1 - b s f , a n dt o ac e r t i a ne x t e n ta 1 一b s fo fs o l a rc e i l s s h i e l d si t s o u t p u tp e r f o r m a n c ef r o mi m p a c t i n gb yt h e b a c ks u r f a c e r e c o m b i n a t i o nv e l o c i t y ( b s r v ) w h e nt h ea v e r a g ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n i na 1 b s fr e g i o ni si ne x c e s so f6 5 6 x10 18 c m 一，t h eo p t i m u mt h i c k n e s so f a 1 一b s fi sd e t e r m i n e db yt h ed i f f u s i o nl e n g t ho fm i n o r i t yc a r r i e r si n a 1 一bs fr e g i o na n di t so p t i m u mv a l u eg e n e r a l l yi si nt h er a n g eo f1t o2 t i m e sa sl o n ga st h ed i f f u s i o nl e n g t ho fm i n o r i t yc a r r i e r si na 1 - b s fr e g i o n i v w h e nt h ea v e r a g ed o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dt h i c k n e s so fa 1 一b s fa r e a b o u t6 5 6 x10 18 c m 3a n dl0 “m ，t h ea 1 b s fc a np l a yi t sf u l lr o l et o i m p r o v et h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo f s o l a rc e l l s k e yw o r d sm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s ，o h m i cc o n t a c to f a i b s f , p c 1d ，s i m u l a t i o n ，o u t p u tp e r f o r m a n c e v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着世界各国经济与社会的发展，能源消耗量也越来越大。根据国 际能源展望2 0 0 9 ) 预测，从2 0 0 6 年到2 0 3 0 年世界能源消耗量将增加4 0 ，如 图1 1 所示【l j 。因此，全球的能源需求也会随之增加。根据世界能源展望2 0 0 8 ) 预计，从2 0 0 5 年到2 0 3 0 年，全球的能源需求平均每年增长1 8 左右，将增长 5 5 。其中，经济增长迅速的发展中国家贡献了全球能源需求增长的7 4 ，仅中 国和印度这两国就占增长的4 5 。预计到2 0 1 0 年以后，中国将会取代美国成为 全球最大的能源消费国。因此，未来稳定的能源供应不仅会影响到我国经济发展 以及人民生活水平提高，也还会威胁到我国的社会稳定、甚至国家安全。 q u a 心n l l k ：mb 沁 1 钧o 钨5l ol 鼹52 0 2 0 d 52 0 | 02 0 s 约2 02 0 2 52 0 3 0 y e a t s 图1 - 12 0 1 0 - 2 0 3 0 年世界能源消耗量 目前，满足人类不断发展所需要的能源主要来自石油、天然气、煤、木材等 化石燃料。然而，这些化石能源的燃烧会产生大量二氧化碳和其他温室气体。特 别是社会工业化以后，大气中的二氧化碳含量也是逐年攀升，如图1 2 所示【2 1 。 二氧化碳的排放导致全球变暖的危害，不仅仅表现为频繁的自然灾害给人类带来 的巨大损失，而且也加速了像细菌的快速增长、疾病快速传播等化学和生物行为， 现在已经得到了全球的关注。 o 8 仔 4 2 嚣。茹：坍c8i9髫c岱碧盘讴艺oji、 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 因此，为减少对传统化石燃料能源的依赖以及降低温室气体的排放量，越来 越多的国家开始实行“阳光计划 ，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。 在巨大的国际光伏市场推动下，我国光伏产业在近几年得到迅速发展。在最近 1 0 年，太阳电池产量以4 9 5 年平均增长率增长，使太阳能光伏发电产业成为全 球发展最快的产业之一，2 0 0 7 年中国( 不含台湾地区的) 太阳电池产量达到 1 0 8 8 m w p ，约占世界总产量的2 7 2 t 3 1 。然而，纵观我国所有上市的太阳能企业， 大部分企业以消化吸收国际技术为主，自主研发实力不强，缺乏核心技术和技术 创新能力。因此，应尽快开发新一代太阳能光伏电池核心技术以扭转这种局面， 取得具有我国自主知识产权的晶体硅太阳能电池技术显得更加重要。 “ 踩答推棼毅耀 _j， ，一 l 霭莲沁1 8 9 0l o1 9 2 0l9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 0 年擒 图1 - 2 地球大气中的二氧化碳含量 1 2 单晶硅太阳能电池结构的演变 硅太阳能电池的发展与单晶硅电子工业和后来的微电子工业这两个领域的 进步是息息相关的。1 9 5 4 年，美国贝尔实验室的研究者利用光伏效应研制出世界 上第一只扩散p n 结单晶硅太阳能电池1 4 1 ，如图1 3 所示。p e a r s o ng l ，f u l l e rcs 和c h a p p i ndm 三人起始采用锂扩散形成p 层，随后改成硼扩散，电池的光电转 换效率由4 5 提高到6 ，但这种结构有一个显著的缺点就是电池的串联电阻较 大，严重降低了电池的光电转换效率。然而，从这时开始，正是这种结构的太阳 能电池开启了光伏发电的新时代。 2 移移 o o o 蛰o 移哆的始埯iil 33蕊3 2 垂、澄缝8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 3 世界上第一只扩散p i i 结单晶硅太阳能电池 后来，随着太阳能电池在空间领域中的应用，对单晶硅电池的输出特性的要 求不断提高。因此，电池的结构设计也得到了进一步的发展。从1 9 6 0 年到1 9 7 0 年，电池结构主要做了以下改进【5 】：1 在电池前表面采用栅极金属化接触电极 ( g r i dm e t a l l i z a t i o nc o n t a c t ) ；2 采用高阻p 型衬底，以满足电池在外空间的抗辐 射性；3 采用高掺杂的且结深较深的发射结，防止电池产生的电流通过金属化 电极分流，以提高电池的并联电阻；4 采用一氧化硅薄膜作为抗反射膜 ( a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g ) ，减少电池前表面的光反射损失。因此，该种结构的电 池的光电转换效率也大大提高，在地面的标准光照情况下已达1 5 左右。此后， 该结构一直成为2 0 世纪6 0 年代的标准，如图l - 4 所示。 图l - 42 0 世纪6 0 年早期开发的空间用太阳能电池 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在2 0 世纪7 0 年代早期，电池结构又出现了两个重要的变化，一是铝背场结构， 另外就是浅发射结，如图1 5 所示【6 】。1 9 7 2 年，美国国家航空与宇宙航行局( n a s a ) 的研究人员m a n d e l k o mj 和l a m n e c kjh 等人在电池背面镀铝然后经过烧结的方 法，在电池背面扩散形成一层p + 层，从而在电池背面形成一个内建电场，即铝背 场( a 1b a c ks u r f a c ef i e l d ) f 7 1 。该电场大大提高了电池的输出特性，这是由于铝 背场有效阻止了载流子在背表面复合以及铝的吸杂作用提高了衬底中的少子寿 命。与此同时，美国通信卫星公司( c o m s a t ) 的研究人l i n d m a y e t j 和a l l i s o n jf 等人在电池结构做了以下三个改进【8 - 9 1 ：1 改进重磷扩散工艺，制成浅发射结， 避免了在电池前表面由重磷扩散造成的“死层”，很大程度上改善了电池对短波 的响应；2 通过光刻技术在电池前面实现密栅金属接触，以减少栅条挡光的面 积；3 采用二氧化钛作为减反膜，与氧化硅减反膜相比，对短波的光谱响应更 好。随后不久，该实验室又发明了绒面电池( t e x t u r e dc e l l s ) 【l o 】，如图1 - 6 所示。 在( 1 0 0 ) 晶向的硅片上通过各向异性刻蚀出由( 1 1 1 ) 面小平面组成的金字塔形 状的小椎体，这种电池就是绒面电池，也叫黑电池( b l a c kc e l l s ) 。到1 9 7 6 年， 这种电池在地面的最高效率已达到1 7 。此后，直到2 0 世纪8 0 年代，单晶硅电池 的结构一直保持稳定状态。在这个阶段单晶硅电池的理论也得到极大的发展【5 1 ， 如禁带变窄效应、钝化效应、本征载流子浓度、注入效应等。 图1 - 5 含铝背场的紫电池一浅结电池 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 t m t t a m t l “ t 图1 6 绒面电池 由于受7 0 年代的石油危机的影响，太阳能电池作为一种替代能源，受到了非 常广泛的关注。但是，太阳能电池昂贵的造价和较低的转换效率使它在地面上的 应用受到极大的限制。当时，电池成本主要受制于制造p n 结和沉积金属一半导体 接触的工艺技术【l 。就在这时，肖特基势垒结的光伏特性引起了光伏研究者的兴 趣。为了降低肖特基势垒结的暗电流，通过在金属与半导体之间加入一层绝缘层， 这时，m i s 结构电池就应运而生【1 2 】，如图1 7 所示。相比传统的晶体硅电池，它 由于有些以下突出优势：1 良好的对短波的响应及较高的载流子收集效率，因 此需要较小的入射窗口以及抗辐射性较强；2 能够低温制造，从而避免造成载 流子寿命衰减；3 该结构在多晶硅衬底上适用性强。 p 图l - 7 m i s 太阳能电池 后来，该结构又得到了相当大的发展【13 1 。1 9 8 3 年，为了提高m i s 结构电池 性能的稳定性，进一步降低电池前表面的复合以及提高电池的开路电压，在m i s 结构下做了一些微调，在p 型衬底前表面扩散制造了一个n + p 高低结，从而发展 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 成为m i n p 结构电池，如图1 8 所示1 4 】。这种电池在地面标准的太阳光谱辐照度 分布a m l 5 的测试条件下，电池的转换效率已超过1 8 。 t o pc o n l s o t ( t i l p d a g d o u b l el a y e r ro o a t i n g p 图卜8 m n p 太阳能电池 至此，由于各种新结构的引入，单晶硅电池的性能得到了突破性提高。近 3 0 年来，各种高效单晶硅电池都是在这些基础之上发展起来的。其中，在澳大 利亚新南威尔士大学光伏研究中心的g r e e nma 教授主持下，澳大利亚在高效单 晶硅电池方面的相关研究表现尤为突出【1 5 1 ，取得了世界领先地位。 单晶硅高效太阳能电池的主要典型代表有【蛉1 8 】：新南威尔士大学的钝化发射 极电池p e s c ( p a s s i v a t e de m i t t e rs o l a rc e l l s ) 、p e r c ( p a s s i v a t e de m i t t e ra n dr e a r c e l l s ) 、p e r l ( p a s s i v a t e de m i t t e r , r e a rl o c a l l yd i f f u s e dc e l l s ) 、p e r t ( p a s s i v a t e d e m i t t e r , r e a rt o t a l l yd i f f u s e dc e l l s ) 以及刻槽埋栅( b u r i e dc o n t a c tc e l l s ) ，美国斯坦 福大学的背面点接触电池( p o i mc o n t a c tc e l l s ) ，美国s u n p o w e r 公司的背电极接 触电池( r e a rc o n t a c ts o l a rc e l l s ) ，日本三洋公司的h i t 电池( h e t e r o j u n e t i o nw i t h i n t r i n s i ct h i n - l a y e rc e l l s ) ，德国i s f h 研究所的o e c o 电池( o b l i q u e l ye v a p o r a t e d c o n t a c tc e l l s ) 。总之，这些电池都有各自独特的特点。 钝化发射区电池首先是从m i n p 结构电池结构发展起来的，如图1 - 9 ( a ) 所 示【1 9 1 。为减少电池的串联电阻，在电池前表面的金属接触下的钝化层中开了一 个小口，使金属电极直接与发射层相接触，大大提高了电池的短路电流。1 9 8 5 年，在该结构电池的前表面再镀上双层减反膜，该结构电池的光电转换效率首次 突破2 0 t 2 0 1 。从此，单晶硅电池的发展进入另一个新的里程碑。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p + 、翔嗡r c o n t a c i 图1 - 9 p e s c 太阳能电池( a ) 侧示图( b ) 结构示意图( 双层减反膜未画出) p e s c 电池背表面的较高的复合速度和较低的内反射率，是限制其输出特性 的主要因素。p e r c 电池正面采用倒金字塔结构，如图1 1 0 所示。双面采用氯乙 烷( t c a ) 生长1 1 0 r i m 的氧化层进行钝化，这不仅降低背表面的复合速率，也 保持衬底原有的少子寿命。背电极则通过穿过背面钝化层的小孔直接与衬底相接 触。但这种接触点之间的距离一定要大于少子的扩散长度，才能减少背面复合， 却也不能太大，因为太大会引起电池的串联电阻增大，从而降低电池的填充因子。 这种电池在实验室的光电转换效率已达2 2 8 【2 1 1 。 图1 1 0p e r c 电池结构示意图 1 9 9 0 年，赵建华博士在p e r c 的电池结构的基础之上，为进一步提高其性 能，在该电池的背接触点下采用液态b b r 3 扩散源进行定域硼扩散，增加个浓 硼扩散层，从而大大降低了电池的接触电阻，形成了p e r l 电池，示意如图1 1 1 ( a ) 所示2 2 1 。其次，空间距离也作了调整，由原来的2 m m 减少到2 5 0 i _ t m ，这 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 样减少了横向电阻。实际上，在接触孔底下进行浓硼扩散的想法早已经提出，只 是进行工艺实现较困难，起始该实验室采用固态源扩散，但是该工艺会大大降低 衬底中的载流子寿命。所以后来改用液态源进行扩散，发现该工艺对硅衬底的少 数载流子寿命的影响较小，并且和t c a 工艺的兼容性也较好【1 6 1 。1 9 9 9 年，经过 多次改进电池生产工艺，在1 0 q c i n 左右的p 型区熔( f z ) 硅衬底上制备的4 伽2 的p e r l 结构电池的转换效率达到2 4 7 ，开路电压达到7 0 6 m v ，短路电流为 4 2 2 m a c m 2 ，填充因子为8 2 8 ，该纪录至今仍保持为世界最高水平【2 3 1 。同时， 该结构在多晶硅衬底上也实现1 9 8 的高转换效率。此外，在5 2q c m 左右的 m c z 衬底上制备的该结构电池，其转换效率也达到2 3 5 。但是利用直拉( c z ) 掺硼的硅片上制备的p e r l 电池的转换效率较低，这是由于在光照情况下，氧与 硼发生反应导致转换效率大幅度降低，亦即光致衰减效应。在改进p e r c 电池性 能的同时，又将定域扩散掺杂扩大到电池的整个背面，从而形成p e r t 结构，如 图1 1 1 ( b ) 所示【2 4 1 。从图1 1 1 可以看出，两电池的结构非常相似，但是后者在 高电阻率衬底上能达到更高的填充因子。2 0 0 1 年在4 8 q c i l l 左右的磁场直拉 ( m c z ) 掺硼的硅衬底上制备p e r t 结构电池的转换效率为2 4 5 。对所有在非 f z 硅衬底上制备的电池来说，p e r t 结构电池的转换效率为最高的 2 5 - 2 6 】。 d o u b l el a y e r f i n g e r ”i n v e r t e d ”p y r a m i d s 。a n 硼t i r o n l g e 酬彦乏叠秀壤绥惫缪矿羞c o 硼n g 名罗2 黧貉磐兹缆罗二鹧 鳓骥器秽v9 + 曼曼一 ，、 n d m u s i o n - 矗 $ 1 0 2p a s s l v a t l o n - - = ， m e t a lf i n g e r n ) ，辛 疗盼r s 踟 图1 1 3 背面点接触电池结构示意图 p i t c h 图1 1 4 背电极接触电池结构示意图 匝日e z ”瑾f f u s i o n m e t a lf i n g e rl p ) 日本三洋公司的h i t 电池，其结构如图1 1 5 所示。从9 0 年代就开始研发， 9 4 年就取得了突破性进展，制备出来面积为1 c m 2 的电池，转换效率为2 0 【3 5 1 。 2 0 0 6 年，产业化生产出的大面积( 1 0 0 c m 2 ) 的电池的转换效率为2 1 8 【3 酬。2 0 0 8 年把此结构电池的转换效率提高到2 2 3 蚶了7 1 ，继续保持大面积电池的世界最高纪 录。该电池所有的制备工艺都在低于2 0 0 0 c 的条件下进行，这可以有效保护少数 载流子的有效寿命。此外，该电池对光线的吸收特性很好，这是由于双结以及表 面层的非单晶硅。等离子体增强化学气相沉积法( p e c v d ) 沉积非单晶硅薄膜过程 中产生的氢原子可对其界面进行钝化，所以该结构电池的表面复合速度也较低。 这些都是h i t 电池取得高效的原斟1 6 1 。此外，该结构经日本三洋公司以及美国 s u n p o w e r 公司的研发，形成一种双面电池( b i f a c i a ls o l a rc e l l s ) 3 8 - 4 0 。 1 0 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 5h i t 电池结构示意图 o e c o 电池是德国i s f h 研究所研制的一种新型单晶硅电池，如图1 1 6 所示。 它是基于m i s 接触，利用表面沟槽形貌的遮掩在极薄的氧化隧道层上倾斜蒸镀 低成本的铝电极即可形成良好的欧姆接制4 。然后利用p e c v d 蒸镀氮化硅作钝 化层和减反层。制备o e c o 电池的关键技术有两点，一是利用低温热氧化形成 超薄( 1 5 r i m ) 的氧化隧道层以形成m i s 接触，防止舢一n + s i 型接触导致p n 结性 能的退化；二是倾斜蒸镀前表面电极【4 2 】。该结构电池的高效特性由于以下几个 方面得到保证【1 6 】：1 遮光率较小；2 金属电极与发射极不是直接接触，前表面 完全被钝化；3 低温制造工艺。 r e a re l e c t r o d el a l ) 图1 1 6o e c o 电池结构示意图 目前，晶体硅高效太阳能电池的研究工作主要是运用新器件结构来提高电 池的转换效率及其改进电池生产工艺以降低电池的生产成本达到产业化目的。从 目前发展趋势来看，高效单晶硅电池向超薄、多结以及聚光这三个主流方向发展。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 总之，随着科学技术的发展，以及新的材料、结构、工艺的改进，各种结构的高 效的电池将会不断继续发展。 1 3 铝背场的研究进展 自从1 9 7 2 年铝背场结构提出以后，有关光伏研究者就从理论上对此给予解 释。1 9 7 7 年f o s s u njg 从载流子输运角度，用精确的物理模型解释b s f 对电池 性能的影响，并指出电池开路电压的提升跟铝背场与硅片衬底的掺杂浓度比值成 正比【4 引。在同一年，o l d w i gy o nr o o s 基于肖特基耗尽近似假设的条件下提出了 一种较完整的关于铝背场的理论，并指出电池输出特性跟衬底的厚度、少子扩散 长度以及掺杂浓度等参量是息息相关的m 】，并同时模拟计算了电池衬底的厚度 以及掺杂浓度对电池的短路电流和开路电压的影响，但并没有考虑到铝背场这一 层重掺杂效应的影响。 目前，就国内外的研究状况来看，各国太阳能电池研究人员对铝背场的研究 主要集中在以下三个方面：1 ) 制备背场的材料；2 ) 制备方法以及热处理方法； 3 ) 铝背场的吸杂作用和钝化作用。 针对p 型或1 1 型电池，人们在不断探索高性能的制备背场的材料。o l a f b e r g e r 等人【4 5 】用一种商业化的白色油漆( 主要成分为t i 0 2 ) 作为薄膜单晶硅太阳能电 池的背反射层，它是一种彩色的漫反射层( p i g m e n t e dd i f f u s er e f l e c t o r ：p d a ) 。 特别是当电池厚度是l 2 p m 时，该层对提高电池的短路电路，比其它背反射器 的效果都要好。最近美国又开发出一种不含铅的铝浆料，相比其他浆料，该种浆 料使烧结后电池芯片的弯曲程度更少 4 6 1 。g e ejm 和b o d emd 等人【4 7 】用溅射掺 硼铝靶的方法制备了电池的背场，最后检测表明掺硼铝背场比不掺硼所获得的铝 背场的效果要好，这主要是掺硼能克服m 在硅中的固溶度较低的缺点，但此时 需要更高的烧结温度才能获得较好的背电场以及该工艺与现在工业上的工艺不 兼容。 现在制备背场的方法主要有蒸镀法、喷涂、溅射法以及丝网印刷的方法【4 8 。5 3 1 。 这几种方法又有各自的优势。在铝背场结构刚出现时，蒸镀和喷涂的方法是一种 比较常用的方法。蒸镀的方法镀膜烧结时需要高达1 1 0 0 0 c 的温度，高温降低电 池少子的有效体寿命，从而使蒸镀的方法制备出来的背电场达不到理想的效果。 但是该方法制备的铝背场对红外光的响应较好。丝网印刷是现在工业上常用的制 备方法，且生产效率高。相对蒸镀这种制备方法，用丝网印刷制备出来的背反射 层对红外光的响应要差，且由于铝膜较厚经过高温烧结后电池芯片弯曲程度也较 大。溅射法现在实验室中使用较多，在工业上应用于制备铝背场鲜见报道。特别 是利用溅射法在硅和铝之间加一层特殊的物质，这种方法所制备的铝背场不仅对 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 红外光的响应也较好，而且烧结温度也低。美中不足的是该工艺不能与现在工业 上成熟的工艺兼容。热处理的方式现在主要有两种【外5 7 1 ，是商业化晶体硅电池 制造工序上常用的，即在链式热处理炉中进行阶梯式降温，另外一种是快热退火 方法( r 1 r a ) 。相比阶梯式降温的方法，快速热处理方法有利于形成均匀的背场， 降低了电池衬底背表面对电池性能的影响。但是在电池衬底越来越薄的情况下， 快速热处理使硅片产生弯曲的程度越来越大，因而不能与丝网印刷工艺兼容。 铝吸杂作用以及铝背场对电池表面的钝化作用也是当前的研究热点问题之 一，光伏研究者纷纷对此展开研究。m a l l f o u zk 【5 8 】等人在一系列的硅材料中进行 磷铝共扩散，再经过不同的热处理方式后，发现少数载流子的扩散长度明显有所 提升，但受碳和氧两种元素的影响较大。p l c k h a n o vps t ”】等建立铝吸杂过程的物 理模型，并分析铝吸杂对电池性能的影响。特别是砧吸杂对低质量的多晶硅电 池性能的提升起主要作用。当是高质量的单晶硅电池时候，铝吸杂对电池性能的 提升起主要作用；但其厚度少于2 0 0 i t m 时，这时铝背场则起主要作用。上海交 通大学王景霄教授所在的课题组利用b b r 3 进行硼扩散制备出电池的硼背场 6 0 l ， 相比铝背场，发现硼背场在提高少数载流子寿命以及硅电池表面钝化作用方面更 好。另一方面，尽管全铝背场大大降低背表面复合速度，但是研究者采用背面钝 化层和局域铝背场的两种办法为实现进一步降低电池背表面的复合速度。r i s t o w a 【6 l 】通过在硅和金属电极之间溅射一层介质层，如s i 3 n 4 ，在电池背面内部能获 得更好反射率。首先用等离子体增强化学气相沉积法在电池背面镀一层薄s i 3 n 4 后，通过丝网印刷工艺印刷铝浆，然后在带炉经过3 0 0 0 c 8 0 0 0 c 烧结2 m i n 后， 同样可获得具有良好反射效率的介质层铝背反射层。经p c i d 软件模拟显示： 相对于没有介质层时，电池对长波的光谱响应更好。还有一个优势就是烧结的温 度可以更低，因此可有利于节约能源以减少电池成本。另外，随着电池厚度减薄， 低温烧结使电池芯片弯曲程度降低，也不容易脆片。关于对该方法的进一步研究 成果的报道较少，但是现在这种方法已经用在减少前表面复合速度，寻找不同的 材料夹在减反层和硅片衬底之间【6 2 粕】。为克服全铝背场的缺点，局域铝背场这时 就适时出现，只是一直没有找到适合工业化大生产的制备方法。m e e m o n g k o l k i a t v 等研究者畔】用低成本的丝网印刷技术以及一种特殊的浆料制备电池局域铝背 场，该背场是通过背表面钝化层自组装形成。这种结构不仅可获得一个很低的背 表面复合速率，最低已达3 5 c m s ，而且在电池背表面具有很高的内反射率，因 此显著地提高了电池的开路电压，但是该工艺的生产成本过高。r o d o f i l ia 等人 【6 5 】则采用激光化学的工艺方法制作局域铝背场，以克服全铝背场背表面复合速 度大以及接触电阻较大的缺点。但是这些方法能否适应工业化生产有待论证，同 时也需要光伏研究者去不断探索新的制备方法。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 单晶硅电池铝背场的制备及形成过程 目前，在工业化大规模生产中普遍采用丝网印刷法制备铝背场。由于生产量 大且制造成本低，这是丝网印刷技术受到普遍应用的主要原因。丝网印刷技术是 一种厚膜技术，丝网印刷就是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷 的，即就是利用丝网