多晶硅太陽能電池制作工藝概述

眾所周知，利用太陽能有許多優勢，光伏發電將為人類提供主要的能源，但目前來講，要使太陽能發電具有較大的市場，被廣大的消費者接受，提高太陽電池的光電轉換效率，降低加工成本應當是我們追求的最大目標，從目前國際太陽電池的發展過程可以看出其發展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。從工業化發展來看，重心已由單晶向多晶方向發展，主要原由為：

（1）可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；

（2）對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和筆直凝固法所獲得的多晶硅可筆直獲得方形材料；

（3）多晶硅的加工工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每加工周期（50小時）可加工200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；

（4）由于近十年單晶硅工藝的研究與發展很快，其中工藝也被使用于多晶硅電池的加工，例如選擇腐蝕發射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術用于多晶硅的加工可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉換效率超過14％。據報道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16％，采用埋柵結構，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8％。

下面從兩個方面對多晶硅電池的工藝技術進行討論。1.試驗室高效電池工藝

試驗室技術通常不考慮電池制作的成本和是不是可以大規模化加工，僅僅研究達到最高效率的辦法和途徑，提供特定材料和工藝所能夠達到的極限。

1.1關于光的吸收

對于光吸收主要是：

（1）降低表面反射；

（2）改變光在電池體內的路徑；

（3）采用背面反射。

對于單晶硅，使用各向異性化學腐蝕的辦法可在（100）表面制作金字塔狀的絨面結構，降低表面光反射。但多晶硅晶向偏離（100）面，采用上面的辦法無法作出平均的絨面，目前采用下列辦法：

［1］激光刻槽

用激光刻槽的辦法可在多晶硅表面制作倒金字塔結構，在500～900nm光譜范圍內，反射率為4～6％，與表面制作雙層減反射膜相當。而在（100）面單晶硅化學制作絨面的反射率為11％。用激光制作絨面比在光滑面鍍雙層減反射膜層（ZnS/MgF2）電池的短路電流要提高4％左右，這主要是長波光（波長大于800nm）斜射進入電池的原由。激光制作絨面存在的問題是在刻蝕中，表面造成損傷同時引入一些雜質，要通過化學解決去除表面損傷層。該辦法所作的太陽電池通常短路電流較高，但開路電壓不太高，主要原由是電池表面積增加，引起復合電流提高。

［2］化學刻槽

使用掩膜（Si3N4或SiO2）各向同性腐蝕，腐蝕液可為酸性腐蝕液，也可為濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，該辦法無法形成各向異性腐蝕所形成的那種尖錐狀結構。據報道，該辦法所形成的絨面對700～1030微米光譜范圍有分明的減反射作用。但掩膜層一般要在較高的溫度下形成，引起多晶硅材料性能下降，特別對質量較低的多晶材料，少子壽命縮短。使用該工藝在225cm2的多晶硅上所作電池的轉換效率達到16.4%。掩膜層也可用絲網印刷的辦法形成。［3］反應離子腐蝕（RIE）

該辦法為一種無掩膜腐蝕工藝，所形成的絨面反射率特別低，在450～1000微米光譜范圍的反射率可小于2％。僅從光學的角度來看，是一種理想的辦法，但存在的問題是硅表面損傷嚴重，電池的開路電壓和填充因子出現下降。

［4］制作減反射膜層

對于高效太陽電池，最常用和最有效的辦法是蒸鍍ZnS/MgF2雙層減反射膜，其最佳厚度取決于下面氧化層的厚度和電池表面的特征，例如，表面是光滑面還是絨面，減反射工藝也有蒸鍍Ta2O5，pECVD沉積Si3N3等。ZnO導電膜也可作為減反材料。

1.2金屬化技術

在高效電池的制作中，金屬化電極非得與電池的設計參數，如表面摻雜濃度、pN結深，金屬材料相匹配。試驗室電池一般面積比較小（面積小于4cm2），所以需要細金屬柵線（小于10微米），一般采用的辦法為光刻、電子束蒸發、電子鍍。工業化大加工中也使用電鍍工藝，但蒸發和光刻結合使用時，不屬于低成本工藝技術。

電子束蒸發和電鍍

通常，使用正膠剝離工藝，蒸鍍Ti/pa/Ag多層金屬電極，要減小金屬電極所引起的串聯電阻，往往需要金屬層比較厚（8～10微米）。缺點是電子束蒸發造成硅表面/鈍化層介面損傷，使表面復合提高，因此，工藝中，采用短時蒸發Ti/pa層，在蒸發銀層的工藝。另一個問題是金屬與硅接觸面較大時，必將導致少子復合速度提高。工藝中，采用了隧道結接觸的辦法，在硅和金屬成間形成一個較薄的氧化層（一般厚度為20微米左右）使用功函數較低的金屬（如鈦等）可在硅表面感應一個穩定的電子積累層（也可引入固定正電荷加深反型）。另外一種辦法是在鈍化層上開出小窗口（小于2微米），再淀積較寬的金屬柵線（通常為10微米），形成mushroom—like狀電極，用該辦法在4cm2Mc-Si上電池的轉換效率達到17.3％。目前，在機械刻槽表面也運用了Shallowangle（oblique）技術。1.3pN結的形成技術

［1］發射區形成和磷吸雜

對于高效太陽能電池，發射區的形成一般采用選擇擴散，在金屬電極下方形成重雜質區域而在電極間實現淺濃度擴散，發射區的淺濃度擴散即加強了電池對藍光的應和，又使硅表面易于鈍化。擴散的辦法有兩步擴散工藝、擴散加腐蝕工藝和掩埋擴散工藝。目前采用選擇擴散，15×15cm2電池轉換效率達到16.4%，n++、n+區域的表面方塊電阻分別為20Ω和80Ω。

對于Mc—Si材料，擴磷吸雜對電池的影響得到廣泛的研究，較長時間的磷吸雜過程（一般3～4小時），可使一些Mc—Si的少子擴散長度提高兩個數量級。在對襯底濃度對吸雜效應的研究中發現，即便對高濃度的襯第材料，經吸雜也能夠獲得較大的少子擴散長度（大于200微米），電池的開路電壓大于638mv，轉換效率超過17％。

［2］背表面場的形成及鋁吸雜技術

在Mc—Si電池中，背p+p結由平均擴散鋁或硼形成，硼源一般為BN、BBr、ApCVDSiO2：B2O8等，鋁擴散為蒸發或絲網印刷鋁，800度下燒結所完成，對鋁吸雜的作用也開展了大量的研究，與磷擴散吸雜不同，鋁吸雜在相對較低的溫度下進行。其中體缺陷也參與了雜質的溶解和沉積，而在較高溫度下，沉積的雜質易于溶解進入硅中，對Mc—Si萌生不利的影響。到目前為至，區域背場已使用于單晶硅電池工藝中，但在多晶硅中，還是使用全鋁背表面場結構。

［3］雙面Mc—Si電池

Mc—Si雙面電池其正面為常規結構，背面為N＋和p＋相互交織的結構，這樣，正面光照萌生的但位于背面附近的光生少子可由背電極有效吸收。背電極作為對正面電極的有效補充，也作為一個獨立的栽流子收集器對背面光照和散射光萌生作用，據報道，在AM1.5條件下，轉換效率超過19％。1.4表面和體鈍化技術

對于Mc—Si，因存在較高的晶界、點缺陷（空位、填隙原子、金屬雜質、氧、氮及他們的復合物）對材料表面和體內缺陷的鈍化尤為緊要，除前面提到的吸雜技術外，鈍化工藝有多種辦法，通過熱氧化使硅懸掛鍵飽和是一種比較常用的辦法，可使Si-SiO2界面的復合速度大大下降，其鈍化效果取決于發射區的表面濃度、界面態密度和電子、空穴的浮獲截面。在氫氣氛中退火可使鈍化效果更加分明。采用pECVD淀積氮化硅近期正面十分有效，因為在成膜的過程中具有加氫的效果。該工藝也可使用于規模化加工中。使用RemotepECVDSi3N4可使表面復合速度小于20cm/s。

2.工業化電池工藝

太陽電池從研究室走向工廠，試驗研究走向規模化加工是其發展的道路，所以能夠達到工業化加工的特征應當是：

［1］電池的制作工藝能夠滿足流水線作業；

［2］能夠大規模、現代化加工；

［3］達到高效、低成本。

當然，其主要目標是降低太陽電池的加工成本。目前多晶硅電池的主要發展方向朝著大面積、薄襯底。例如，市場上可見到125×125mm2、150×150mm2甚至更大規模的單片電池，厚度從原來的300微米減小到目前的250、200及200微米以下。效率得到大幅度的提高。***京磁（Kyocera）公司150×150的電池小批量加工的光電轉換效率達到17.1%，該公司1998年的加工量達到25.4MW。

絲網印刷及其相關技術

多晶硅電池的規模化加工中廣泛使用了絲網印刷工藝，該工藝可用于擴散源的印刷、正面金屬電極、背接觸電極，減反射膜層等，隨著絲網材料的改善和工藝水平的提高，絲網印刷工藝在太陽電池的加工中將會得到更加普遍的使用。

發射區的形成

利用絲網印刷形成pN結，代替常規的管式爐擴散工藝。一般在多晶硅的正面印刷含磷的漿料、在反面印刷含鋁的金屬漿料。印刷完成后，擴散可在網帶爐中完成（通常溫度在900度），這樣，印刷、烘干、擴散可形成連續性加工。絲網印刷擴散技術所形成的發射區通常表面濃度比較高，則表面光生載流子復合較大，為了克服這一缺點，工藝上采用了下面的選擇發射區工藝技術，使電池的轉換效率得到進一步的提高。

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