高效晶体硅电池技术综述

- 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） 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 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 。- 2 - (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 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 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， 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 η ＝ 24.7% 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- 3 - 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 à “倒 金 字塔” 结构 制 作 à 背面 局 域硼 扩散 à 栅 指 电 极 的 浓 磷 扩散 à 正 面 的 淡 磷 扩散à SIO2减 反 射 层 à 光 刻 背 电 极 接触 孔 à 光 刻正 面栅 指 电 极 引线 孔 à 正 面 蒸 发 栅 指 电 极 à 背面 蒸发 铝 电 极 à 正 面 镀 银 à 退火 à 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 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 α -Si:H层和 p型 α -Si:H， 然后 在 硅 片 的 背面 沉 积 薄 的本 征 α -Si:H层和 n型 α -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 η ＝ 23% 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 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 à 清洗 à 制 绒 à 正 面 沉 积 à 背面 沉 积 à TCO溅 射 沉 积 à 丝网印刷 Ag电 极 à 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， 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 4[8] 。- 4 - 图 4 ： Sunpower公司 IBC 电池 η ＝ 22.3% 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 à 制 绒 à 扩散 N+à 丝印 刻 蚀 光 阻 à 刻 蚀 P扩散 区 à 扩散 P+à 减 反 射 镀膜 à 热氧 化 à 丝印电 极 à 烧 结 à 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 à 激 光 打 孔 à 清洗 制 绒 à 发射 极 阔撒 à 去 PSGà 沉 积 SINà 印刷 正 面 电 极 à 印刷 背面 电极 à 印刷 背 电 场 à 烧 结 à 激 光 隔绝 à 测试 。2.5 EWT 电池 : EWT 电池是发射 极 环绕穿 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 。SiO2 passivation metal finger (n) n+ diffusion n-type base n+ FSF SiO2 passivation contact hole in SiO2 p+ diffusion metal finger (p) Front side Rear side pitch Antireflecitive coating texture - 5 - 图 ６ ：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 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 20μ m宽 、 40μ m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 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 η ＝ 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 à 清洗 制 绒 à 淡 磷 扩散 à 热氧 化 钝 化 à 开 槽 à 槽 区 浓 磷 扩散 à 背面 蒸铝 à 烧 背 场 à 化学 镀 埋 栅 à 背面 电 极 à 减 反 射 膜 à 去 边 烧 结 à 测试 。2.7 OECO 电池 : OECO 电池是 倾斜 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- 6 - 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 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 η ＝ 21.1% 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 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 56 — 59 [2] 赵玉文 . 太阳电池 新 进 展 . 北京 太阳能研 究所 2004.2 [3] 市 场 竞争促 进 硅太阳能电池发 展 光电 信息 简 报 2009-12-18 [4] 赵 建 华 . 高效率晶 体 硅太阳电池 技术 的 进 展 .2009-05-05 [5] 史济群 . 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