列數各類高效晶硅太陽能電池

晶硅電池在過去20年里有了很大發展，許多新技術的采用和引入使太陽電池效率有了很大提高。在早期的硅電池研究中，人們探索各種各樣的電池結構和技術來改進電池性能，如背表面場，淺結，絨面，氧化膜鈍化，Ti／pd金屬化電極和減反射膜等。后來的高效電池是在這些早期試驗和理論基礎上的發展起來的。

單晶硅高效電池

單晶硅高效電池的典型代表是斯但福大學的背面點接觸電池（pCC），新南威爾士大學（UNSW）的鈍化發射區電池（pESC，pERC，pERL以及德國Fraumhofer太陽能研究所的局域化背表面場（LBSF）電池等。

我國在“八五”和“九五”期間也進行了高效電池研究，并取得了可喜結果。近年來硅電池的一個緊要進展來自于表面鈍化技術的提高。從鈍化發射區太陽電池（pESC）的薄氧化層（＜10nm）發展到pCC／pERC／pER1。電池的厚氧化層（110nm）。此外，表面V型槽和倒金字塔技術，雙層減反射膜技術的提高和陷光理論的完善也進一步減小了電池表面的反射和對紅外光的吸收。低成本高效硅電池也得到了飛速發展。

（1）新南威爾士大學高效電池

（A）鈍化發射區電池（pESC）：pESC電池1985年問世，1986年V型槽技術又被使用到該電池上，效率沖破20％。V型槽對電池的貢獻是：減少電池表面反射；垂直光線在V型槽表面折射后以41”角進入硅片，使光生載流子更接近發射結，提高了收集效率，對低壽命襯底尤為緊要；V型槽可使發射極橫向電阻降低3倍。由于pESC電池的最佳發射極方塊電阻在150Ω／口以上，降低發射極電阻可提高電池填充因子。

在發射結磷擴散后，Al層沉積在電池背面，再熱生長10nm表面鈍化氧化層，并使背面Al和硅形成合金，正面氧化層可大大降低表面復合速度，背面Al合金可吸除體內雜質和缺陷，因此開路電壓得到提高。早期pESC電池采用淺結，然而后來的研究證明，淺結只是對沒有表面鈍化的電池有效，對有良好表面鈍化的電池是不必要的，而氧化層鈍化的性能和鋁吸除的作用能在較高溫度下加強，因此最佳pEsC電池的發射結深增加到1µm左右。值得留意的是，目前所有效率超過20％的電池都采用深結而不是淺結。淺結電池已成為歷史。

pEsC電池的金屬化由剝離辦法形成Ti-pd接觸，然后電鍍Ag構成。這種金屬化有相當大的厚／寬比和很小的接觸面積，因此這種電池可以做到大子83％的填充因子和20．8％（AM1.5）的效率。（B）鈍化發射區和背表面電池（pERC）：鋁背面吸雜是pEsC電池的一個關鍵技術。然而由于背表面的高復合和低反射，它成了限制pESC電池技術進一步提高的主要因素。pERC和pERL電池成功地處理了這個問題。它用背面點接觸來代替pEsC電池的整個背面鋁合金接觸，并用TCA（氯乙烷）生長的110nm厚的氧化層來鈍化電池的正表面和背表面。TCA氧化萌生極低的界面態密度，同時還能排除金屬雜質和減少表面層錯，從而能保持襯底原有的少子壽命。由于襯底的高少子壽命和背面金屬接觸點處的高復合，背面接觸點設計成2mm的大間距和2001Lm的接觸孔徑。接觸點間距需大于少子擴散長度以減小復合。這種電池達到了約莫700mV的開路電壓和22．3％的效率。然而，由于接觸點間距太大，串聯電阻高，因此填充因子較低。

（C）鈍化發射區和背面局部擴散電池（pERL）：在背面接觸點下增加一個濃硼擴散層，以減小金屬接觸電阻。由于硼擴散層減小了有效表面復合，接觸點問距可以減小到250μm、接觸孔徑減小到10μm而不增加背表面的復合，從而大大減小了電池的串聯電阻。pERL電池達到了702mV的開路電壓和23．5％的效率。pERC和pER1。電池的另一個特點是其極好的陷光效應。由于硅是間接帶隙半導體，對紅外的吸收系數很低，一部分紅外光可以穿透電池而不被吸收。理想情況下入射光可以在襯底材料內往返穿過4n2次，n為硅的折射率。pER1。電池的背面，由鋁在SiO2上形成一個很好反射面，入射光在背表面上反射回正表面，由于正表面的倒金字塔結構，這些反射光的一大部分又被反射回襯底，如此往返多次。Sandia國家試驗室的p。Basore博士發明了一種紅外分解的辦法來測量陷光性能，測得pERL電池背面的反射率大于95％，陷光系數大于往返25次。因此pREL電池的紅外應和極高，也特別適應于對單色紅外光的吸收。在1．02μm波長的單色光下，pER1。電池的轉換效率達到45．1％。這種電池AM0下效率也達到了20.8％。

（D）埋柵電池：UNSW開發的激光刻槽埋柵電池，在發射結擴散后，用激光在前面刻出20μm寬、40μm深的溝槽，將槽清洗后進行濃磷擴散。然后在槽內鍍出金屬電極。電極位于電池內部，減少了柵線的遮蔽面積。電池背面與pESC相同，由于刻槽會引進損傷，其性能略低于pESC電池。電池效率達到19.6％。

（2）斯但福大學的背面點接觸電池（pCC）

點接觸電池的結構與pER1。電池一樣，用TCA生長氧化層鈍化電池正反面。為了減少金屬條的遮光效應，金屬電極設計在電池的背面。電池正面采用由光刻制成的金字塔（絨面）結構。位于背面的發射區被設計成點狀，50μm間距，10μm擴散區，5μm接觸孔徑，基區也作成同樣的形狀，這樣可減小背面復合。襯底采用n型低阻材料（取其表面及體內復合均低的優點），襯底減薄到約100μm，以進一步減小體內復合。這種電池的轉換效率在AM1．5下為22.3％。（3）德國Fraunhofer太陽能研究所的深結局部背場電池（LBSF）

LBSF的結構與pERL電池類似，也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔正面結構。由于背面硼擴散一般造成高表面復合，局部鋁擴散被用來制作電池的表面接觸，2cm*2cm電池電池效率達到23.3％（Voc=700mV，Isc－～41.3mA，FF一0.806）。

（4）日本sHARp的C一Si／μc-Si異質pp+結高效電池

SHARp公司能源轉換試驗室的高效電池，前面采用絨面織構化，在SiO2鈍化層上沉積SiN為A只乙后面用RF-pECVD摻硼的μc一Si薄膜作為背場，用SiN薄膜作為后表面的鈍化層，Al層通過SiN上的孔與μcSi薄膜接觸。5cmX5cm電池在AM1．5條件下效率達到21.4％（Voc＝669mV，Isc＝40.5mA，FF=0.79）。

（5）我國單晶硅高效電池

天津電源研究所在國家科委“八五”計劃支持下開展高效電池研究，其電池結構類似UNSw的V型槽pEsC電池，電池效率達到20.4％。北京市太陽能研究所“九五”期間在北京市政府支持下開展了高效電池研究，電池前面有倒金字塔織構化結構，2cmX2cm電池效率達到了19.8％，大面（5cmX5cm）激光刻槽埋柵電池效率達到了18.6％。

多晶硅高效電池

多晶硅太陽電池的出現主要是為了降低成本，其優勢是能筆直制備出適于規模化加工的大尺寸方型硅錠，設備比較簡單，制造過程簡單、省電、節約硅材料，對材質要求也較低。晶界及雜質影響可通過電池工藝改善；由于材質和晶界影響，電池效率較低。電池工藝主要采用吸雜、鈍化、背場等技術。

近年來吸雜工藝再度受到重視，包括三氯氧磷吸雜及鋁吸雜工藝。吸雜工藝也在微電子器件工藝中得到使用，可見其對純度達到一定水平的單晶硅硅片也有作用，但其所用的條件未必適用于太陽電池，因而要研究適合太陽電池專用的吸雜工藝。研究證明，在多晶硅太陽電池上，不同材料的吸雜作用是不同的，特別是對碳含量高的材料就顯不出磷吸雜的作用。有學者提出了磷吸雜模型，即吸雜的速率受控干兩個步驟：①金屬雜質的釋放／擴散決定了吸雜溫度的下限；②分凝模型控制了吸雜的最佳溫度。另有學者提出，在磷擴散時硅的自間隙電流的萌生是吸雜機制的基本因素。

常規鋁吸雜工藝是在電池的背面蒸鍍鋁膜后經過燒結形成，也可同時形成電池的背場。近幾年在吸雜上的工作證明，它對高效單晶硅太陽電池及多晶硅太陽電池都會萌生一定的作用。鈍化是提高多晶硅質量的有效辦法。一種辦法是采用氫鈍化，鈍化硅體內的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長中受應力等影響造成缺陷越多的硅材料，氫鈍化的效果越好。氫鈍化可采用離子注入或等離子體解決。在多晶硅太陽電池表面采用pECVD法鍍上一層氮化硅減反射膜，由于硅烷分析時萌生氫離子，對多晶硅可萌生氫鈍化的效果。

在高效太陽電池上常采用表面氧鈍化的技術來提高太陽電池的效率，近年來在光伏級的晶體硅材料上使用也有分明的效果，尤其采用熱氧化法效果更分明。使用pECVD法在更低的溫度下進行表面氧化，近年來也被使用，具有一定的效果。

多晶硅太陽電池的表面由于存在多種晶向，不如（100）晶向的單晶硅那樣能經由腐蝕得到理想的絨面結、構，因而對其表面進行各種解決以達減反射的作用也為近期研究目標，其中采用多刀砂輪進行表面刻槽，對10cmX10cm面積硅片的工序時間可降到30秒，具有了一定的實用潛力。

多孔硅作為多晶硅太陽電池的減反射膜具有實用意義，其減反射的作用已能與雙重減反射膜相比，所得多晶硅電池的效率也能達到13。4％。我國北京有色金屬研究總院及中科院感光化學研究所共同研制的在絲網印刷的多晶硅太陽電池上使用多孔硅也已達到接近實用的結果。

由于多晶硅材料制作成本低于單晶硅cZ材料，因此多晶硅組件比單晶硅組件具有更大的降低成本的潛力，因而提高多晶硅電池效率的研究工作也受到普遍重視。近10年來多晶硅高效電池的發展很快，其中比較有代表性的工作是GeogiaTech電池，UNSW電池，Kysera電池等。

（1）GeogiaTech電池

Geogia工業大學光伏中心使用電阻率0.65Ωcm、厚度280μm的HEM（熱交換法）多晶硅片制作電池，n+發射區的形成和磷吸雜結合，采用快速熱過程制備鋁背場，用lift一off法制備Ti／pd／Ag前電極，并加雙層減反射膜。1cm2電池的效率AM1.5下達到18.6％。

（2）UNSw電池

uNsw光伏中心的高效多晶硅電池工藝基本上與pER1。電池類似，只是前表面織構化不是倒金字塔，而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結構。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供，lcm2電池的效率AMI·5下，達到19.8％，這是目前水平最高的多晶硅電池的研究結果。該工藝打破了多晶硅電池不適合采用高溫過程的傳統觀念。（3）Kysera電池

日本ky0cera公司在多晶硅高效電池上采用體鈍化和表面鈍化技術，pECVDSiN膜既作為減反射膜，又作為體鈍化措施，表面織構化采用反應性粒子刻邊技術。背場則采用絲印鋁獎燒結形成。電池前面柵線也采用絲印技術。15cmX15cm大面積多晶硅電池效率達17.1％。目前日本正計劃實現這種電池的產業化。

（4）我國多晶硅電池

北京有色金屬研究總院在多晶硅電池方面作了大量研究工作，目前10cmX10cm電池效率達到11．8％。北京市太陽能研究所在“九五”期間開展了多晶硅電池研究，1cm2電池效率達到14·5％。我國中試加工的10cmX10cm多晶硅太陽電池的效率為10一11％，最高效率為12％。

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