N型硅太阳电池总结剖析3

1N型背结背接触晶体硅电池高转化效率机理首先，及掺硼（B）的P型晶体硅材料相比，掺磷

（P）的N型晶体硅材料具有如下优势：（1）N型材料中的杂质（如一些常见的金属离子）对

少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力。相同电阻率的N型硅

片的少数载流子寿命比P型硅片的高（2）选用掺磷的N型硅材料形成的电池则几乎没有光

致衰减效应的存在。因此,N型晶体硅电池的效率不会随着光照时间的加长而逐渐衰减，（3）

N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率。因此，采用N型

晶体硅材料少子空穴的复合将远低于P型材料中的少子电子的复合。（4）N型硅片对金属污

杂的容忍度要高于P型硅片。对于Fe,Cr,Co,W,Cu,Ni等金属对P型硅片的影响均比N型硅

片高。而对于Au却是相反的。但是对于现代品体制备工艺而言,Au污杂已不再是主要问题。

（5）某些N型电池的生产工艺可以在200度以下进行，符合低成本、高产量、高效率的要求。

（6）N型硅电池组件在弱光下表现出比常规P型硅组件更优异的发电特性。上述6大优势是

N型晶体硅电池获得高转化效率的前提。

图1P型硅片和N型硅片少数我流子寿命比较

Fig1.Measuredlifetimeofboron-dopedP-vsphosphonis-dopedN-type

Cz-SiwaferasafiuictionofilluminationtimeQialogenlamp,1sun)

MetallicImpurity

图2金属杂质在硅中的融合行为

Fig2.RecombinationactivityofFe,Cr,Co,W,Cu,NiandAnindeliberatelycontaminatedsiliconwafers.

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损失。（2）背电极优化使得电池的串联电阻提高。因此可进一步优化电极

宽度从而达到提高串联电阻的目的。（3）提供更好的优化前表面陷光和实

现极低反射率的潜力。

（1）硅基体要具有长的体少子寿命。从图2可以看出，体少子寿命对电

池效率的影响非常明显。当体少子寿命从1000#s缩短到100#s时，电

池绝对效率下降超过4%。

（2）太阳电池前表面要具有低掺杂浓度和低复合速率。

（3）太阳电池背表面要具有低表面复合速率。

特别是在前两个条件已经满足的情况下，背表面复合速率对太阳电池性

能的影响变得明显。背表面具有大面积的金属一半导体界面，这种界面的

表面复合速率极高。在背表面沉积钝化介质膜可以减小金属一半导体的接

触面积，从而降低背表面复合。由于n型单晶硅（Fz、Cz）已被证实

具有极长的体少子寿命，Si02.Si等钝化介质膜也被证实对重掺杂n型硅

表面具有良好钝化效果。所以，近期的研究主要集中在电池背表面的钝化

上。前期研究发现，常用的Si0、Si介质膜在重掺杂P型硅表面上

的钝化效果并不理想，而等离子体化学气相沉积（PECVD）a-Si和

原子层沉积（ALD）A1203却显示出优异的钝化性能。

上述高效太阳电池均采用了Ti/Pd/Ag前电极结构以及背表面钝化方

案，这种结构目前只能在实验阶段实现。以上结果证明铝背发射极结

构能在Fz和Cz硅基体上获得较高效率，但是该结构应用到me硅基体

时效果并不理想。这是因为该结构的p-n垢位于电池背表面，大量光生

载流子需要从前表面附近迁移到背表面才能被内建电场分离，me硅材料较

短的体少子寿命导致光生载流子在迁移过程中大量复合，从而导致电池

效率降低。

硼前发射极太阳电池

P型金属电极

P型钝化介质膜

棚扩散F发射极

前表面复合速率S/cm/8)

n”背表面场

-•-丁广C/口

-♦-I0O0JIS,/?%M=60D/O

心=1000四4刈=120C/n

rk=।oo限120n/o

n型金属电极n型钝化介质膜

前表面复合速率对硼扩散发射极太阳电池性能的影响

及铝背发射极结构相比，少子寿命对硼前发射极太阳电池的影响较小。从

这点看，该结构适合应用于n型me硅等质量较差的材料。

从PCID模拟结果还可以看出，要获得高转换效率，必须尽量降低前

表面掺杂浓度和前表面复合速率，因而对扩散和表面钝化提出了很高要

求。此外，实际应用中，硼发射极表面金属化也是一个有待解决的问题。

以下将对这3方面进行讨论。

(1)硼扩散

硼扩散的方法很多，按硼源分，有液态BBr3o以及各种用于丝网印刷和

旋涂的商品化硼浆，从扩散设备来分主要有管式扩散和链式扩散两种。

Y.Komatsu等研究发现，在众多硼扩散方式中，用氮气携带液态BBr3。

进行管式扩散的效果最好。及其它方法相比，该方法更有利于避免金属污

染。采用该扩散方法，硅片有效少子寿命比用其它方法扩散的样品高5倍

以上。

硼扩散存在的一个问题是均匀性难以控制。在扩散前期，BBr3反应生成

B203o后者沉积在硅片表面，并在高温作用下扩散进入硅基体。这及磷扩

散时P0C13先生成P205再沉枳到硅片表面E勺过程相类似。不同的是P205

在850℃时为气相，可以均匀沉积在硅片表面。而B203的沸点较高，扩

散过程中一直处于液相状态，难以均匀覆盖在硅片表面，扩散均匀性因

而难以控制。

硼扩散的另一个问题是高温导致材料性能变坏。一方面，硼原子在硅中的

扩散系数较低。及磷扩散相比，硼扩散需要用更高温度或更长时间来获得

相同的方块电阻。另一方面，硼前发射极太阳电池多采用磷扩散来制作背

表面场，一般还采用热氧化方法来制作掩模。多次高温不仅浪费能源，还

会导致硅片少子寿命下降。多次高温严重限制了me硅的应用。

(2)前表面钝化

如前所述，ALDA1203以及PECVDa-Si对P型硅表面具有良好的钝化

效果，但将其应用到硼前发射极结构时还必须考虑该介质膜的透光率。a-

Si对短波段具有较强吸收，厚度不宜过大,A.Richter等认为a—Si

的最佳厚度为8〜10nm.A1203则无论在钝化效果还在透光率方面都比a

-Si好，但是ALDA1203的沉积速度较慢影响了它的应用。V.I_Mi

hai1etchi等用硝酸氧化生成SiO2并用PECVD沉积SiNx组成叠

层钝化膜，采用这种钝化膜的硼前发射极太阳电池比只使用SiNx单层膜

钝化的样品效率提高2%。该叠层钝化膜的钝化效果甚至比热氧氧化SiO2

和PECVDSiN的叠层膜好。

(3)金属化

目前的商品化银浆并不适用于硼前发射极，这是因为银和P型硅之间的接

触电阻较大，特别是在硼发射极表面存在“硼耗尽区”时。硼耗尽区是

指硅片表面硼含量较低的薄层区域，该区域的存在不利于硅片和银电极

间通过隧穿效应来实现欧姆接触。R.Lago等。研究发现，采用银铝浆代

替银浆料可以有效降低接触电阻，但是在烧结过程中，发射极的部分区

域会熔融到铝当中。这可能导致发射极局部区域被电极贯穿，使p-n结短

路。在银铝浆中加入适量硅可以降低硼发射极被电极贯穿的几率，但是掺

硅的银铝浆导电性比银浆料差，这将导致栅线体电阻增大。

在关于硼前发射极太阳电池的研究中还有一个报道值得关注，尽管很多

实验证实硼前发射极太阳电池在暴晒较长时间后没有出现明显的光致衰

减，但是J.Zhao等在2003年发现，采用n型Cz、Fz硅基体制作的硼前

发射极太阳电池在存放两三年后出现了严重的性能衰减，对该样品进

行暴晒，衰减还会加剧。目前仍然没有足够证据判断上述现象的起因，一

种解释是硼发射极中的硼原子及硅材料体内或环境中的氧形成硼一氧对,

从而引起光致衰减。

3硼背发射极太阳电池

硼背发射极太阳电池结构如图5所示。硼发射极位于电池背表面，可以免

受紫外光照射，避免硼发射极出现光致衰减。此外，位于电池背表面的P

型金属电极不会对电池造成遮挡，可以通过增加电极宽度的方法来降低

金属栅线的体电阻，甚至可以采用蒸镀铝制作电极。由此，硼发射极的金

属化问题得以解决。

n型钝化介质膜n型金属电极

苜

n•♦前表面场

n型基体

硼扩散式发射极

一一二2///Z

P型钝化介质膜p型金属电极

硼背发射极太阳电池结构示意图

结语

对n型晶体硅太阳电池的3种主要结构进行了分析，所得出的基本结论

如下。

(1)相比较而言，铝背发射极电池制作工艺简单，易于实现产业化，目

前主要困难集中在背发射极表面的钝化上。

(2)硼前发射极电池遇到的困难较多，主要包括硼扩散、硼发射极表面

钝化以及表面金属化3个方面，其长期稳定性也有待验证。但是，硼前发

射极不仅适用于Fz和Cz硅，还可以应用于me硅，这是该结构的一大优

势。

(3)硼背发射极结构尽管及铝背发射极结构一样受材料质量的制约，但

是它及全背电极结构的结合能使电池效率大幅提高。硼背发射极结构是

一种很有前景的高效太阳电池结构。

PCC太阳电池

frontsice

Antireflecitivecrating,

Si02passivation^

MSFT

n«typebase->

n+diffusion^

Si02passivation-^

metalfinger(n)*^

图3Sunflower公司A-300太阳电池结构示意图

美国SunPower公司利用点接触(Point-contactcell,PCC)及丝网印

刷技术，于2003年研制出新一代背面点接触太阳电池A-300，见图3,效

率为20%，并通过进一步改进，使效率达到了21.5机并实现了产业化。

采用N型硅材料作为衬底，载流子寿命在1ms以上。正表面没有任何电

极遮挡，并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应。电池前后

表面利用热氧钝化技术生成一层Si02钝化层，降低了表面复合并增加

了长波响应，从而使开路电压得以提高。在前表面的钝化层下又进行了浅

磷扩散以形成N+前表面场，提高短波响应。背面电极及硅片之间通过

SiO2钝化层中的接触孔实现了点接触，减少了金属电极及硅片的接触面

积，进一步降低了载流子在电池背表面的熨合速率，提高了开路电压。较

为出色的陷光、钝化效果，以及采用了可批量生产的丝印技术，使A-300成

为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。

HITTM异质结高效N型硅太阳电池

电极

n型氧化非氢硅层-―7

氧化透明导电层TCO」U二「

日本三洋公司HITTM太阳电池结构示意图

2000年日本三洋公司研制出10cm2采用HIT(Heterojunctionwithint

rinsicThinlayer)结构异质结太阳能电池。在P型氢化非晶硅和N型氢

化非晶硅及N型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜，采取

该工艺措施后，改变了PN结的性能。因而使转换效率达到20.7%，开路电

压达到719mV,并且全部工艺可以在200C以下实现。其制备过程如下:

它是利用PECVD在表面织构的n型CZ-Si片【250即】厚）的正面沉积一层

10nm厚的本征a-Si:H和P型a-Si:H层，然后再在c-Si片的背面沉积一

层20nm的本征a-Si:II和n型a-Si:H层。利用溅射技术在电池的两

面沉积TCO透明导电膜，同时它也具有抗反射作用。然后再用丝网印刷

技术在电池的两面制作Ag电极。整个制备过程都是在低于200℃下进行

的。双面结构的HIT电池由于能接收到来自地面的反射光，不论地面是

否光滑，它都能发出比单面电池至少多8.1%的电能。2003年，Sanyo公

司又把面积为100cin2的HITTM太阳电池的转换效率的最高记录改写为

21.2%,大规模工业化生产也已获得18.5%

发射结钝化-全背场扩散（PERT）N型硅太阳电池

PERT太阳电池结构示意图

赵建华博士在澳大利亚新南威尔士大学期间设计的一种N型硅太阳电

池。面积为22cm2的N型FZ单晶硅太阳电池效率达到21.5%o电池采

用电阻率为0.9Qm的FZ单晶硅片，正表面KOH腐蚀倒金字塔结构,

浅磷扩散形成前表面场（FSF）,背面浅硼扩散形成发射结，然后在两面

生长高质量的SiO2钝化层，通过光刻工艺在前电极下实现重磷扩散，

背电极的点接触处实现重硼扩散。前电极采用电镀工艺镀银背电极热蒸发

铝形成点接触结构。最后前面沉积ZnS/MgF2双层减反射薄。这种结构的

电池虽然效率不错，但是比现在的P型硅生产工艺复杂，并不适合工业

化生产。