高效晶体硅电池技术综述普及

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个方面，如图1所示：（1）

2、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) 光陷阱结构。一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技

3、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、ZnS、MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减

4、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。(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

5、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BSF结构、Shallow Junction、Selective Emitter等技术，后者如Sanyo

6、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，

7、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 h24.7%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

8、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-junction 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

9、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电池 h23% 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

10、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

11、，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

12、。图 4：Sunpower公司 IBC 电池 h22.3%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

13、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

14、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规模速度的工艺，如图6所示。图：采用背面分布式触点的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

15、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

16、电极深入硅衬底内部可增加对基区光生电子的收集，浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高了电池的开路电压等9 10。图 7 ：新南威尔士大学 激光刻槽埋栅电池 h 19.8%这种电池既保留了高效电池的特点，又省去了高效电池制作中的一些复杂的工艺，很适合利用低成本、大面积的硅片进行大规模生产。目前这一技术已经转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂。如英国的BP SOLAR和美国的SOLAREX等。激光刻槽埋栅电池的大致工艺流程为：硅片清洗制绒淡磷扩散热氧化钝化开槽槽区浓磷扩散背面蒸铝烧背场化学镀埋栅背面电极减反射膜去边烧结测试。2.7 OECO 电池:OECO 电池是倾

17、斜蒸发金属接触（Obliquely evaporated contact，OECO）硅太阳能电池的简称11。OECO 太阳电池是德国ISFH研究所从九十年代就开始研制的一种新型单晶硅电池。与其他高效电池相比，具有结构设计新颖、制作简单、电极原料无损耗、成本低廉和适合大批量生产等优点。OECO电池结构基于金属绝缘体半导体（MIS）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Al作为电极，无需光刻、电极烧穿、电极下重掺杂和高温工艺即可形成高质量的接触，并且一次性可蒸镀大批量的电池电极12。更为重要的是当这种电池制作面积从4 cm2扩大到100 cm2时，效率也只是从21.1略微

18、降到20，仍然属于高效范围，所以这种结构的电池更适宜于工艺生产。图 8：德国 ISFH 的 OECO 电池 h21.1%OECO结构示意图如图8所示，电池的表面由许多排列整齐的方形沟槽组成，浅发射极n+位于硅片的上表面，在其上有一极薄的氧化隧道层，Al电极倾斜蒸镀于沟槽的侧面，然后利用PECVD蒸镀氮化硅作为钝化层和减反射膜OECO电池有以下特点：（1）电极是蒸镀在沟槽的侧面，有利于提高短路电流；（2）优异的MIS结构设计，可以获得很高的开路电压和填充因子；（3）高质量的蒸镀电极接触；（4）不受接触特性限制的可以被最优化的浅发射极；（5）高质量的低温表面钝化。电池的制作具体过程为：前表面机械开

19、槽化学腐蚀清洗背面掩膜（扩散）前表面化学制绒使用液态源POCl3进行磷扩散制作n+发射极打开背面接触真空蒸镀Al作为背电极前表面低温热氧化形成氧化隧道层前表面无需掩膜直接倾斜蒸镀Al作为面电极使用导电胶将各个面电极连接起来采用PECVD法在前表面蒸镀氮化硅作为钝化和减反射层。 三、 小结 随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了更多的重视，全球的研究团队正在寻找提高电池效率和/或降低成本的途径。目前太阳能电池的种类不断增多，但晶体硅太阳能电池因为优异的特性和较高的转换效率，在未来一段时期内仍将占据主导地位。我国太阳电池的研究始于1958年，近20年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相比还有差距，具体表现为生产规模小、成本高、技术水平较低。本文介绍了几种可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术，为国内实现高效电池技术工业化生产提供参考。随着中国太阳能电池产业的迅猛发展，必将带动太阳能电池想着效率更高、成本更低的方向发展，而先进的技术无疑是这一清洁能源真正实现产业化生产的基础保障。参考文献：1 于静. 太阳能发电技术综述. 世界科技研究与发展，2008年2月 56592 赵玉文. 太阳电池新进展. 北京太阳能研究所 2004.23 市场竞争促进硅太阳能电池发展 光电信息简报 2009