晶體硅太陽電池技術及進展研究淺析

劉良玉，張威，禹慶榮

（1.國家光伏裝備工程技術研究中心，2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

晶體硅太陽電池技術及進展研究淺析

劉良玉1，張威2，禹慶榮2

（1.國家光伏裝備工程技術研究中心，2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

高效低成本是光伏行業發展不變的主題。進入21世紀，中國光伏發展突飛猛進，電池光電轉換效率從14%提升到超過21%，成本降幅90%。本文結合近年來晶體硅太陽電池技術的特點，分析了高效晶體硅太陽電池技術和進展。

高效；晶體硅太陽電池；技術；進展；研究

高效率晶體硅太陽電池的理念最早是在20世紀80年代提出的，主要融合了表面鈍化技術與陷光觀念。本文主要是對多樣化高效率晶硅電池技術中的幾種進行分析。

1 選擇性發射極太陽電池

太陽電池表面有一層濃度較為平衡的磷擴散層，也叫做發射極。選擇性發射極的基本理念主要是指對金屬柵線下的發射區實施高濃度融合，減少電池串聯電阻，以此提升電池開路電壓；對非柵線接觸范圍實施輕摻雜，減少少數載流子復合，提升電池的短波光譜響應能力，提升短路電流密度。設計選擇性發射極有多種技術途徑，如絲網印刷磷漿、激光刻槽埋柵、激光摻雜等。

在實際研究的過程中，中科院寧波材料所萬青教授研究組提出一種自對準激光摻雜工藝技術，結合標準絲網印刷設施設計出高效晶硅體太陽電池。電池工藝技術在通過磷擴散之后，表層會構成很高磷濃度的磷硅玻璃層，之后通過圖形化激光退火，促使磷硅玻璃層中的磷元素擴散到硅中，在電池片表層局部區域構成重點摻雜。在絲網印刷細柵線的過程中，垂直交叉激光重摻線條，精巧的達到自對準激光摻雜技術。結合實際性能檢測試驗證明可知，擴散方塊電阻是75歐姆的單晶硅太陽電池，填充因子會依據以往的65%提升到79%。

鈍化發射極、背面局部接觸晶體硅太陽電池，簡稱為PERL電池，是有光伏之父之稱的新南威爾士大學Martin Green格林教授首先提出的，其主要是結合了選擇性發射極理念，并在1999年創造了光電轉換效率25%的世界紀錄。

PERL電池實現高轉換效率的原因主要有以下幾點：第一，電池正面制備標準的“倒金字塔”構成，其光吸收效率要高于一般電池絨面，擁有較低的反射率，有助于提升光生電流。第二，選擇性的磷融合拓散，金屬柵電極下重點融合可以構成優質的歐姆接觸，非柵極接觸范圍的輕融合在達到橫向電阻最優化的基礎上可以提升短波光譜響應。第三，電池背面實施定域、選擇性的硼融合構成了p區，這樣不但可以減少背電極的接觸電阻，還可以提升背面場，以此在實際發展中不斷減少復合速度，從而提升電池的短路電流密度，增加實際電池的轉換效率。第四，發射極鈍化，發射極鈍化減少了表層密度，降低了光生載流子的符合。結合這一技術，新南威爾士大學與尚德企業一起研發的冥王星電池轉換效率達到了20.3%，高出行業內單晶硅電池平均轉換效率絕對值2個百分點。

2 異質結太陽電池

異質結太陽電池，簡稱為HIT電池。其最初是由日本三洋公司提出，通過高質量超薄本征非晶硅層對晶體硅本底材料的兩面進行鈍化，減少表層復合，提升了器件對光生載流子的收集能力，以此構成高效率的新型晶體硅太陽電池。同時，在產業過程中，技術不斷進行突破，且結合背面局部接觸技術，2014年，松下企業研發的HIT太陽電池的轉換效率達到了25.6%，打破了新南威爾士大學保持了15年的世界紀錄。

HIT太陽電池技術在產業化過程中主要具備以下幾個優勢：第一，低溫技術。因為HIT太陽電池技術用a-Si薄膜摻雜形成pn結，整體工藝過程都在低溫下完成（＜300℃），減少能源消耗。第二，高轉換效率。晶體硅太陽電池通常使用SiO2或SiNx薄膜作為鈍化層，但是HIT電池技術采用獨特的氫化非晶體硅薄膜作為表面鈍化層，鈍化效果達到最佳。第三，節約面積。HIT電池具有較高的光電轉換效率，因此在相同功率輸出的情況下，實際占地面積最小化，從而可以減少組件電站端的綜合成本支出。第四，穩定性能優越。因為襯底為n型單晶硅，沒有B-O復合體導致的光衰效應，并且對于金屬雜質的容忍度要高于p型襯底。此外，晶體硅電池隨著溫度的升高，發電效率會有衰減，HIT電池的溫升系數要遠小于其他結構的晶硅電池，在沙漠、熱帶地區發電增益明顯。第五，低耗材。HIT電池的厚度可以低至50μm，可大幅度降低硅材料成本，并可實現柔性化，一方面滿足特殊領域內對高效電池的需求，另一方面可以大幅度減少組件輔材的支出。

3 全背電極接觸晶硅太陽電池

全背電極接觸晶硅太陽電池，簡稱為IBC電池。IBC電池結構在表層產生的光生載流子一定要通過硅基體才可以達到背電極，這就要求硅襯底材料的使用壽命要長，對硅本體材料提出了較高的要求。

IBC電池選擇N型硅襯底，有助于減少表面復合，前后表面結合熱氧化膜實施鈍化處理。引用半導體工藝中的光刻技術，在電池背面分別實施磷、硼精確局部摻雜，以此構成指狀交叉排列的p/n區域，以及處于其上方的p+/n+重摻雜區域。因為p+與n+區域的接觸電極覆蓋面積較大，所以具有非常低的串聯電阻。

IBC電池在產業化過程中具有以下幾點優勢：第一，入射光子數的最大化。因基區與發射區的金屬柵交錯設計都在電池背面，有效避免了電池表層金屬柵線的遮光損耗。第二，IBC電池表面的輕摻雜解決了其他結構電池“死層”的問題，提升了短波光譜響應。電池背面結合SiO2為實際鈍化層，提升了背反射率與長波的光譜響應，使IBC電池擁有更高的光電轉換效率。第三，基區與發射區的電極都設計在背面，可以達到電池正、負極焊線的現側拼裝，減少了光伏組件設計工藝的步驟，便于自動化設計，提升生產效率。

4 金屬環繞穿孔電池

金屬環繞穿孔電池，簡稱為MWT電池。其與IBC太陽電池相同為背接觸式電池，其構成與絲網印刷金屬化電池的結構比較接近。

MWT電池技術中，因為發射區在電池的淺表層與金屬化孔中，減少了少數載流子復合的擴散長度，提升了光生電流的收集效率，在低品質的硅襯底材料上即可獲取高電流密度。因此MWT太陽電池可以結合多晶硅片設計出高效太陽電池。

雖然在現階段MWT太陽電池技術得到了有效的推廣和應用，但是在產業化過程中，MWT電池依舊存在很多問題：如低損傷孔洞的設計、精確而有效的激光穿孔、防止孔洞與周邊硅本體材料出現熱損傷、隱裂與漏電等問題。另外，設計優質的金屬化孔洞、減少串聯電阻也是必須要攻克的重點研究內容。

荷蘭能源研究中心結合長時間的分析和研究，其已經將MWT電池技術在產業化的方向取得了較大的進步，并且提出了一種稱為PUM的太陽電池。其與傳統意義上電池的主柵構成不同，主要是依據電池背面特定劃分的接觸電極，降低主柵構成的遮光損耗，并且減少了發射區域電極界面中少數載流子復合概率，提升了電池的轉換效率。

5 發射極環繞貫穿太陽電池

發射極環繞貫穿太陽電池，簡稱為EWT電池。與MWT太陽電池一樣，也是背接觸式電池，其主要特點是在電池上打孔達到上下兩面的貫通。與MWT太陽電池不同之處在于EWT電池技術中光生電流的柵線從電池正表層轉移到電池的背面。

在二十世紀九十年代初期就研發出EWT太陽電池，電池的p-n結處于正表層，為了降低光反射，優化金字塔結構與減反射膜；然后設計出局部重摻雜或者是金屬化孔洞的方案，將電池正面發射區與背面區域發射區連接到一起，將前后表面的電流都傳遞到背面電極之中，正、負電極柵線交叉排列在電池背面，主柵處于背面的兩邊。

EWT太陽電池技術正表層并沒有柵線電極，結合太陽電池中大部分微型導電孔收集電子，同時傳遞到背面的發射區電極中，不但可以提升光子收集效率，還可以滿足雙面集電的效果，提升光生電流的密度，增加了實際轉換效率。此外，便于光伏組件的封裝和自動化發展。由此，EWT太陽電池具備IBC和MWT太陽電池技術的優勢。

6 結語

晶體硅太陽電池在太陽電池發展的市場中占據重要的地位，預計未來相當長一段時間內，其市場主導地位不會發生變化。伴隨著國內裝備行業的技術進步，晶硅電池將率先實現平價上網，促使光伏發電成為國家常規供給能源，解決影響人類發展的兩大難題。

[1]陳鵬. 晶體硅太陽電池中的光衰減研究[J].浙江大學,2013.

[2]顧鑫. 低成本高效晶體硅材料及太陽電池研究[J].浙江大學,2013.

[3] https://zhidao.baidu.com/question/99901347.html.

[4]章曙東. 晶體硅太陽電池表面鈍化研究[J].江南大學,2015.

[5] http://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480&z=0&ipn=d&word=IBC%20.

[6] http://www.solarzoom.com/index.php/marticle/66677.

[7]艾斌,張勇慧,鄧幼俊,沈輝. 外延晶體硅薄膜太陽電池的器件模擬及性能優化的研究[J]. 中國科學:技術科學,2014,11.

TM914.4

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0175-02