高效晶體硅太陽電池技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

洛陽中硅高科技有限公司 ■ 常欣

高效晶體硅太陽電池技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

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綜述幾種極具應(yīng)用前景的高效晶體硅太陽電池的技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展，包括選擇性發(fā)射極太陽電池、異質(zhì)結(jié)太陽電池、交錯背接觸太陽電池、金屬環(huán)繞貫穿太陽電池，以及發(fā)射極環(huán)繞貫穿太陽電池。

高效；晶體硅太陽電池；選擇性發(fā)射極；異質(zhì)結(jié)；背接觸

0　引言

目前，晶體硅太陽電池應(yīng)用最為廣泛，其中高效晶體硅太陽電池技術(shù)始終是國際光伏行業(yè)研究的熱點之一。晶體硅太陽電池是目前商業(yè)化程度最高、制備技術(shù)成熟的太陽電池，自從第一塊晶體硅p-n結(jié)太陽電池于1954年在貝爾實驗室問世以來[1]，人們對晶體硅太陽電池的研究經(jīng)久不衰，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本、易于產(chǎn)業(yè)化的高效電池技術(shù)是行業(yè)當(dāng)前研究的熱點問題。

一般認(rèn)為，晶體硅太陽電池效率提升1％，發(fā)電成本可下降6％。近年來新型產(chǎn)業(yè)化高效電池技術(shù)層出不窮，如選擇性發(fā)射極電池、異質(zhì)結(jié)(HIT)電池、交錯背接觸(IBC)電池、金屬環(huán)繞貫穿(MWT)電池、發(fā)射極環(huán)繞貫穿(EMT)電池等，這些技術(shù)都使晶體硅太陽電池效率顯著提升。本文將對這些高效晶體硅太陽電池工藝技術(shù)逐一進(jìn)行分析并討論。

1　選擇性發(fā)射極太陽電池

傳統(tǒng)的太陽電池表面有一層摻雜濃度相對均勻的磷擴散層，稱為發(fā)射極。選擇性發(fā)射極的基本理念為：對金屬柵線下的發(fā)射區(qū)進(jìn)行高濃度摻雜，降低電池串聯(lián)電阻，從而提高電池開路電壓；對非柵線接觸區(qū)域進(jìn)行輕摻雜，降低光生載流子復(fù)合，增強電池的短波光譜響應(yīng)能力，增加短路電流密度。制作選擇性發(fā)射極有許多工藝技術(shù)[2,3]，如加熱源掩膜處理、絲網(wǎng)印刷磷漿、激光刻槽埋柵、激光摻雜等。

中科院寧波材料所萬青教授研究組提出了一種自對準(zhǔn)激光摻雜工藝[4]，運用常規(guī)絲網(wǎng)印刷設(shè)備制備出高效晶硅體太陽電池。電池工藝在經(jīng)過磷擴散后，表面會形成高磷濃度的磷硅玻璃層，而后通過圖形化激光退火處理，將磷硅玻璃層中的磷元素擴散至硅中，從而選擇性地在電池片表面形成重?fù)诫s區(qū)；隨后絲網(wǎng)印刷細(xì)柵線時，垂直交叉激光重?fù)骄€條，巧妙地實現(xiàn)自對準(zhǔn)激光摻雜工藝，如圖1所示。性能測試表明，擴散方塊電阻為75 Ω/的單晶硅太陽電池，填充因子由原65％提高至79％，電池轉(zhuǎn)換效率由14.4％提高至17.7％。

鈍化發(fā)射極、背面定域擴散晶體硅太陽電池(PERL)由新南威爾士大學(xué)(UNSW)馬丁格林教授發(fā)明，其成功采用了選擇性發(fā)射極的概念，研發(fā)的電池效率達(dá)到25％[5,6](見圖2)。PERL電池是對選擇性發(fā)射極技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，在電池背面的接觸孔處采用溴化硼定域擴散，同時使發(fā)射極接觸區(qū)域?qū)挾刃∮陧敳拷饘贃艑挾取?/p>

圖1　自對準(zhǔn)工藝法制作的太陽電池結(jié)構(gòu)圖

圖2　UNSW PERL電池結(jié)構(gòu)

PERL電池具備高轉(zhuǎn)換效率的原因有以下幾點：1)電池正面具有規(guī)則的“倒金字塔”結(jié)構(gòu)，其效果優(yōu)于普通電池絨面結(jié)構(gòu)，具備較低的反射率，從而提高光生電流；2)選擇性的磷摻雜擴散，金屬柵電極下重?fù)诫s能形成良好的歐姆接觸，非柵極接觸區(qū)域的輕摻雜在滿足橫向電阻最優(yōu)的基礎(chǔ)上可提高短波光譜響應(yīng)；3)電池背面進(jìn)行定域、選擇性的硼摻雜形成p區(qū)，既降低了背電極的接觸電阻，又增強了背面場，使復(fù)合速度大幅降低，從而增加了電池的短路電流密度，提高轉(zhuǎn)換效率；4)發(fā)射極鈍化，發(fā)射極鈍化降低表面態(tài)密度，減少了光生載流子的復(fù)合。

利用此項技術(shù)，新南威爾士大學(xué)與尚德公司聯(lián)合開發(fā)的冥王星電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20.3％[7]。

2　異質(zhì)結(jié)（HIT）太陽電池

HIT太陽電池最早由日本三洋公司提出，以高質(zhì)量超薄本征非晶硅層對晶體硅基底材料的兩面進(jìn)行鈍化，降低表面復(fù)合損耗，提高了器件對光生載流子的收集能力，從而形成高效的新型晶體硅太陽電池[8](見圖3)。松下公司研制的HIT太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了25.6％。

圖3　HIT太陽電池與傳統(tǒng)晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)的對比圖

HIT太陽電池的優(yōu)勢主要有：

1)低溫技術(shù)：由于HIT太陽電池使用α-Si構(gòu)成p-n結(jié)，所以整個工藝可在較低溫度下(＆lt;300 ℃)制造完成，降低制造工藝的溫度。

2)高轉(zhuǎn)換效率：傳統(tǒng)晶體硅太陽電池使用SiO2或SiN等薄膜作為鈍化層，而HIT太陽電池以獨有的氫化非晶硅薄膜作為表面鈍化層，對晶體硅表面鈍化非常好。

3)節(jié)省面積：由于HIT電池的高轉(zhuǎn)換效率，使其在滿足相同的功率輸出時，需用的占地面積較少，可極大降低組件安裝的綜合成本。

4)穩(wěn)定性好：由于襯底為n型單晶硅，所以沒有因形成B-O復(fù)合體而導(dǎo)致的光衰效應(yīng)，且對金屬雜質(zhì)的容忍度較p型硅襯底高。此外，HIT太陽電池溫度穩(wěn)定性也較傳統(tǒng)晶體硅太陽電池好。

5)低成本：HIT太陽電池的厚度薄，硅片厚度＆lt;100 μm(可至70 μm)[9]，電池板的薄型化可以節(jié)省硅材料的成本。

3　交錯背接觸（IBC）太陽電池

上世紀(jì)70年代IBC太陽電池的器件原型被提出[10]。美國Sunpower公司開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化高效IBC電池示意圖如圖4所示。在IBC電池中，產(chǎn)生于表面區(qū)域的光生載流子必須穿過硅基體才能到達(dá)背電極，這就需要使用少子壽命長的高品質(zhì)硅材料。n型硅材料的少子壽命長，對雜質(zhì)的容忍度較高，且無光衰效應(yīng)，所以較適用于制作IBC太陽電池。

圖4　Sunpower公司IBC太陽電池示意圖

IBC太陽電池選用n型硅襯底，為降低表面復(fù)合，前后表面利用熱氧化膜進(jìn)行鈍化處理。采用半導(dǎo)體工藝中的光刻技術(shù)，在電池背面分別進(jìn)行磷、硼定域摻雜，形成有指狀交叉排列的p/n區(qū)，以及位于其上方的p+/n+重?fù)诫s區(qū)[11]。由于p+和n+區(qū)接觸電極的覆蓋面積較大，形成了較低的串聯(lián)電阻。美國Sunpower公司設(shè)計的IBC太陽電池實現(xiàn)了24.2％的高轉(zhuǎn)換效率，成為高效晶體硅太陽電池的典型代表。

IBC太陽電池具有重要的高效特征，包括：1)入射光子數(shù)的最大化。因基區(qū)和發(fā)射區(qū)的金屬柵交錯制作于電池背面，避免了電池表面金屬柵的遮光損耗。2) IBC電池表面的輕摻雜避免了傳統(tǒng)電池“死層”的出現(xiàn)，增強了短波光譜響應(yīng)。電池背面利用SiO2作為鈍化層，提高了背反射率和長波的光譜響應(yīng)，進(jìn)而使IBC電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率。Mulligan等[12]實現(xiàn)了電極與基區(qū)和發(fā)射區(qū)在背面定域點接觸，使載流子復(fù)合速度大幅降低，提高了開路電壓，并用SiO2兼作鈍化層及隔離層，使器件的效率達(dá)到了21.5％。3)基區(qū)和發(fā)射區(qū)的電極均制作在背面，可實現(xiàn)電池正、負(fù)極焊線的共面拼裝，簡化了光伏組件制作工藝流程，易實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率。

4　金屬環(huán)繞貫穿（MWT）太陽電池

MWT太陽電池同IBC太陽電池一樣為背接觸式電池，其結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷電池的結(jié)構(gòu)較接近，如圖5所示。前面是發(fā)射極和細(xì)柵結(jié)構(gòu)，而主柵移到了電池背面，電池背面印刷鋁背場和p區(qū)電極，通過激光技術(shù)在細(xì)柵上刻蝕出孔洞，然后在孔內(nèi)進(jìn)行擴散和金屬化，達(dá)到正面的細(xì)柵和背面的主柵連接導(dǎo)通的目的，而后在基區(qū)電極接觸區(qū)形成鋁背場，在主柵電極接觸區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s。

圖5　MWT太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

在MWT太陽電池中，由于發(fā)射區(qū)放置在電池的前表面和金屬化孔中，縮短了收集載流子所需的擴散長度，提高了收集光生電流的效率，對于較低品質(zhì)的硅材料基體依然可獲得較高的電流密度，所以，MWT太陽電池可以采用多晶硅片制作高效太陽電池。

圖6　PUM太陽電池

荷蘭能源研究中心(ECN)經(jīng)過多年研究，已將此項技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，采用典型的MWT技術(shù)制作出一種名為PUM的太陽電池，如圖6所示。PUM太陽電池中不存在像傳統(tǒng)電池的主柵結(jié)構(gòu)，而是電池背面特定分布的接觸電極點，有效減少了傳統(tǒng)主柵結(jié)構(gòu)的遮光損耗，同時降低了發(fā)射區(qū)電極界面處的載流子復(fù)合概率，提高了轉(zhuǎn)換效率。近幾年，MWT技術(shù)發(fā)展很快，多晶MWT太陽電池平均效率達(dá)到18.5％，單晶MWT太陽電池平均效率已達(dá)20％。

盡管如此，MWT太陽電池的制備仍面臨許多難題[13]，如低損傷孔洞的制備，如何精準(zhǔn)而可靠地激光穿孔，如何避免孔洞和周邊材料造成熱損傷而帶來隱裂和漏電等缺陷等。此外，如何制備良好的金屬化孔洞、降低串聯(lián)電阻也非常關(guān)鍵。

5　發(fā)射極環(huán)繞貫穿（EWT）太陽電池

EWT太陽電池同樣是一種背接觸式電池[14]，與MWT太陽電池類似，EWT太陽電池也是通過在電池上打孔來實現(xiàn)上、下兩面的聯(lián)通。與MWT太陽電池不同的是，在EWT太陽電池中，收集電流的柵線從電池正表面轉(zhuǎn)移至電池背面。

1993年Gee等[15]研制出EWT太陽電池，電池的p-n結(jié)位于正表面，為減少光反射損失，采用了良好的金字塔結(jié)構(gòu)和減反射膜；再利用重?fù)诫s或金屬化孔洞的方法把電池正面發(fā)射區(qū)和背面局部發(fā)射區(qū)連接在一起，把前后表面收集的電流都傳導(dǎo)到背面電極上，正、負(fù)電極柵線交叉排列在電池背面，主柵則排列在背面的兩側(cè)。EWT太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　EWT太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

EWT太陽電池正表面沒有柵線電極，通過太陽電池中許多微型導(dǎo)電孔來收集電子，并傳遞到背面的發(fā)射區(qū)電極上，不僅增加了光子收集率，而且可達(dá)到雙面集電的效果，增加光生電流密度，提高了轉(zhuǎn)換效率，且更便于光伏組件的封裝及自動化生產(chǎn)。因此，EWT太陽電池兼具了IBC電池與MWT太陽電池的優(yōu)點。但由于EWT太陽電池工藝本身的特殊性，如孔洞損傷和金屬填充、表面鈍化、背電極之間的并聯(lián)電流、背面正負(fù)柵線的電學(xué)隔離、發(fā)射極串聯(lián)電阻等，都決定了EWT太陽電池的電學(xué)性能還不夠理想[16]，需要繼續(xù)改良工藝技術(shù)，使其向工業(yè)化方向發(fā)展。

6　總結(jié)

高效晶體硅太陽電池的技術(shù)發(fā)展方向是低成本、高效率、高穩(wěn)定性。隨著原材料、生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)的升級改進(jìn)，以及先進(jìn)微電子工藝的不斷滲透，將有越來越多的新型低成本高效太陽電池走向產(chǎn)業(yè)化，相信晶體硅太陽電池必將會得到更加快速的發(fā)展。

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2016-03-04

常欣(1980—)，男，工程師、碩士，主要從事高效太陽能硅片及電池的研發(fā)和生產(chǎn)。clement_8@126.com