選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池技術(shù)

王國寧，蔣繼富，胡俊濤

（1.江西科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江西 南昌 330098；2.云南天達(dá)光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池技術(shù)

王國寧1，蔣繼富2，胡俊濤2

（1.江西科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江西 南昌 330098；2.云南天達(dá)光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)是實現(xiàn)高效晶體硅太陽電池的主要技術(shù)之一。介紹了選擇性發(fā)射結(jié)的基本原理和優(yōu)點，并對各種選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池技術(shù)進(jìn)行歸類、對每個類型的特點進(jìn)行分析。另外還介紹選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池技術(shù)在國內(nèi)光伏企業(yè)中的產(chǎn)業(yè)化情況。

選擇性發(fā)射結(jié)；太陽電池；產(chǎn)業(yè)化

0 引言

目前普通單晶硅太陽電池生產(chǎn)線的平均轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到19%以上接近20%，普通多晶硅太陽能電池生產(chǎn)線的平均轉(zhuǎn)換效率也在18%以上。單、多硅太陽能電池普通工藝?yán)^續(xù)往前發(fā)展將會遭遇到技術(shù)瓶頸。很多太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)也意識到這一點，紛紛把目光轉(zhuǎn)向高效晶體硅太陽能電池工藝技術(shù)。國內(nèi)外實驗室就高效晶體硅太陽能電池技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛而充分的研究，報道了很多實現(xiàn)高效晶體硅太陽能電池的工藝技術(shù)路徑，其中也包括選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)。新南威爾士大學(xué)的趙建華博士采用選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)并結(jié)合其他技術(shù)，創(chuàng)造了單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率24.7%的最高記錄。目前的主要任務(wù)是怎樣把這些高效晶體硅太陽能電池技術(shù)轉(zhuǎn)化為成本較低的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。在眾多高效晶體硅太陽電池技術(shù)中，選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

1 選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池工藝技術(shù)原理分析

普通工藝制備出的晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括P型層、N型層、背電極及正面金屬電極。當(dāng)太陽能光在電池內(nèi)部被吸收而產(chǎn)生形成發(fā)電電流的電子時，電子會沿圖1中所示的路徑1流出電池。從路徑1可以看出電流會穿過正面金屬柵線與N型層的交界面，還會在N型層發(fā)生橫向運動。電流流經(jīng)的區(qū)域都有一定的電阻，電流穿過正面金屬柵線與N型層的交界面所對應(yīng)的電阻被稱為前接觸電阻Rfc；在N型層發(fā)生橫向運動所對應(yīng)的電阻稱為發(fā)射區(qū)電阻Re。前接觸電阻Rfc和發(fā)射區(qū)電阻Re都與N型層的擴散濃度有關(guān)，N型層的擴散濃度越高，Rfc和Re越小。Rfc和Re是太陽能電池串聯(lián)電阻Rs的組成部分，串聯(lián)電阻Rs太高會使太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降，所以為降低串聯(lián)電阻Rs，必須在N型層實行高濃度擴散，即重?fù)诫s；但是另外一方面如果在N型層實行重?fù)诫s會增加電池前表面的表面復(fù)合速率，從而導(dǎo)致太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率下降。所以普通晶體硅太陽能電池工藝存在自身無法解決的矛盾，這樣就成為普通工藝電池轉(zhuǎn)換效率提升的瓶頸。

圖1 普通晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)

如圖2所示為選擇性發(fā)射結(jié)電池的結(jié)構(gòu)。其與普通電池的不同之處在于：在金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)嵭懈吡诐舛戎負(fù)诫s，如圖2（2）所示；而在非金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)嵭械土诐舛容p摻雜如圖2（1）所示。在非金屬柵線覆蓋區(qū)實行輕摻雜可以降低表面復(fù)合率和N型層的俄歇復(fù)合；另外輕摻雜還可以減少死層的厚度[1]；從而有利于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)嵭兄負(fù)诫s可以降低前金屬和N型層的接觸電阻Rfc；金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)嵭兄負(fù)诫s還可在N型層形成一個橫向的電場，該橫向的電場對電子的運動產(chǎn)生加速作用，因而降低了發(fā)射區(qū)電阻Re；這樣在金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)嵭兄負(fù)诫s可以降低太陽能電池的串聯(lián)電阻Rs，也有利于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)突破了普通工藝中的矛盾，使進(jìn)一步提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率成為可能。

圖2 選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)

2 選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)的主要類型及特點分析

國內(nèi)外實驗室就選擇性發(fā)射結(jié)電池已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，報道了很多實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)的方法。有的實現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上增加很多設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)，有的則較為簡單。不管用何種方法實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)電池，關(guān)鍵的問題在于怎樣實現(xiàn)在金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)重?fù)诫s，在非金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輕摻雜。由于擴散摻雜工藝在先、金屬柵線制作工藝在后，使得選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池的另外一個工藝難點是如何使金屬電極剛好覆蓋在重?fù)诫s區(qū)域上。如果金屬柵線和重?fù)诫s區(qū)域重合得不好，則暴露在光學(xué)活性區(qū)的重?fù)诫s區(qū)域?qū)蔀閲?yán)重的復(fù)合中心，另外金屬電極將會落入輕擴區(qū)使接觸電阻Rfc變得非常大，這樣不但不能提高電池的轉(zhuǎn)換效率反而會損害電池的轉(zhuǎn)換效率；所以對于選擇性發(fā)射結(jié)電池對印刷精度或電鍍精度要求很高。

按不同的實現(xiàn)途徑，選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池大致可以分為五個大類：一、掩膜法；二、自摻雜漿料法；三、反腐蝕技術(shù)法；四、非對稱磷源擴散法；五、激光摻雜法。實際上每個大類中又包括很多種方法。以下對各大類的特點進(jìn)行分析。

2.1 掩膜法

掩膜法是在非電極接觸區(qū)覆蓋一層掩膜來阻止或者減緩磷向里擴散，以便在電池非電極接觸區(qū)輕摻雜；而在電極接觸區(qū)沒有掩膜覆蓋形成窗口，以便在電極接觸區(qū)實行重?fù)诫s。掩膜法的基本原理過程如圖3所示：1、先在電池前表面制備一層掩膜如圖3（a）所示；2、采用光刻技術(shù)或化學(xué)腐蝕技術(shù)去掉預(yù)制作金屬柵線區(qū)域的掩膜如圖3（b）所示；3、進(jìn)行一次重磷擴散，使預(yù)制作金屬柵線區(qū)域形成重?fù)诫s如圖3（c）所示；4、去掉其余掩膜如圖 3（d）所示；5、進(jìn)行一次輕磷擴散，使非金屬覆蓋區(qū)域形成輕摻雜如圖3（e）所示；6、采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)或電鍍技術(shù)在重擴散區(qū)域制作金屬柵線金如圖3（f）所示。

也有將如圖3（e）所示工藝步驟提前到如圖3（a）所示工藝步驟之前；也有在如圖3（c）所示的工藝步驟中同時進(jìn)行金屬柵線覆蓋區(qū)域重?fù)诫s和非金屬覆蓋區(qū)域形成輕摻雜兩步工藝，比如利用多孔硅掩膜，只需一次擴散即可。

圖3 掩膜法工藝流程

掩膜法最常用的掩膜是二氧化硅（SiO2），除了用二氧化硅用作掩膜外還有多孔硅[3]、氮化硅[9]及其他擴散障礙物質(zhì)[4]。

2.2 自摻雜漿料法

此方法較為簡單，不用增加新的設(shè)備和新的工藝流程；只需在常規(guī)的工藝基礎(chǔ)上，將絲印工序正面銀漿更換成摻入了高濃磷漿的銀漿即可[12]。這樣在高溫?zé)Y(jié)過程中，電極中的磷向電極接觸區(qū)擴散而獲得高摻雜，實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)。在此方法中，由于高溫處理時間非常短，擴散到電極接觸區(qū)的磷原子數(shù)量有限，因此電極接觸區(qū)的重?fù)诫s效果并不明顯。且高濃度磷摻入到電極中，將會使電極的電阻率增加，從而使太陽電池串聯(lián)電阻增加、填充因子降低。

2.3 反腐蝕法

反腐蝕法主要是先進(jìn)行重擴散，然后采用腐蝕溶液腐蝕非電極接觸區(qū)[7]。反腐蝕技術(shù)的工藝流程如圖3所示：1、先對電池發(fā)射區(qū)進(jìn)行重擴（方塊為40歐左右），如圖 4（a）所示；2、制作掩膜將金屬電極接觸區(qū)域掩蔽起來如圖4（b）所示；3、將非電極接觸區(qū)剝離一層使方塊達(dá)到 80～120 歐，如圖 4（c）所示；4、去除掩膜，如圖（4）d所示；5、制作金屬柵線。非電極接觸區(qū)的剝離則可以通過酸溶液腐蝕或自對準(zhǔn)等離子體刻蝕等方法實現(xiàn)，直至達(dá)到合適的方塊電阻。此法在對非電極接觸區(qū)進(jìn)行剝離處理時，雖然有掩膜保護(hù)，但還是不可避免地會對金屬電極接觸區(qū)產(chǎn)生一定的損害。

2.4 非均勻磷源擴散法

非均勻磷源擴散法是在電極接觸區(qū)使用高磷濃度磷源實現(xiàn)重?fù)诫s，在非電極接觸區(qū)使用低濃度磷源實現(xiàn)輕摻雜[5]。常用實現(xiàn)途徑有絲印磷漿法、PECVD磷硅玻璃法、機械織構(gòu)對齊擴散法、激光刻槽法等方法。

圖4 反腐蝕法工藝流程

絲印磷漿法是采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在金屬柵線覆蓋區(qū)域印刷高磷濃度磷漿，來實現(xiàn)金屬柵線覆蓋區(qū)域的重?fù)诫s。在非金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輕摻雜的方式有下幾種：1、在非金屬柵線覆蓋區(qū)域印刷低磷濃度磷漿[2]；2、利用在高溫下金屬柵線覆蓋區(qū)域高磷濃度磷漿揮發(fā)出來的磷氣氛擴散到非金屬柵線覆蓋區(qū)域[6]；3、在擴散過程中通入少量的POCl3。

PECVD磷硅玻璃法是利用低溫常壓化學(xué)氣相沉積的方法并結(jié)合掩膜，在電極接觸區(qū)沉積含磷濃度高的磷硅玻璃，在非電極接觸區(qū)沉積含磷濃度低的磷硅玻璃,從而實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)。

機械織構(gòu)對齊擴散法[12]是采用機械織構(gòu)的方法先對硅片表面如圖5(1)所示的非電極接觸區(qū)進(jìn)行織構(gòu)處理，以氧化物源作為磷擴散源，面對待擴散硅片放置。擴散過程中，由于磷源在單位時間和單位面積上揮發(fā)的量一定，而在平行于源面方向上有更小的有效表面積，所以在沒有織構(gòu)的如圖5（2）所示的電極接觸區(qū)會有更多的磷沉積，而在非電極接觸區(qū)由于織構(gòu)而使得有效表面積增大，因此會有更少的磷沉積，從而形成選擇性發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)。該法工藝較復(fù)雜，效果也難以保證擴散的均勻性及重復(fù)性。

激光刻槽法[12]是首先利用激光在硅片表面電極接觸區(qū)刻槽，再在硅片表面覆蓋磷漿，在刻槽中得到磷漿的量比槽外的要多，擴散后在刻槽附近就可以形成重?fù)诫s區(qū)，而在刻槽以外其他區(qū)域形成輕摻雜區(qū)，而后在刻槽中制作電極實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)。此方法成本昂貴，工藝復(fù)雜。

圖5 機械織構(gòu)對齊擴散法

2.5 激光摻雜法

激光摻雜法是最近出現(xiàn)的一種實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)太陽電池的方法，目前此法也推出了整線解決方案。目前激光摻雜也有多種實現(xiàn)方法。主要的實現(xiàn)方法有：

1、先在表面涂上一層磷源，如圖6（a）所示；然后采用激光束照射金屬柵線覆蓋區(qū)域，利用激光束的局部熱效應(yīng)使磷向里擴散而實現(xiàn)該區(qū)域的重?fù)诫s，如圖 6（b）所示；再清除表面的磷源，如圖 6（c）所示；再進(jìn)行一次低磷濃度輕擴散，使非金屬柵線覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輕摻雜如圖6（d）所示，這樣就形成了選擇性發(fā)射結(jié)結(jié)構(gòu)。

2、先進(jìn)行一次低磷濃度輕擴散，如圖7（a）所示，擴散后會在表面形成一層高磷濃度的磷硅玻璃層；利用磷硅玻璃層作為磷源，采用激光照射金屬柵線覆蓋區(qū)域，以實現(xiàn)該區(qū)域的重?fù)诫s，如圖7（b）所示；再清除磷硅玻璃層，如圖7（c）所示。

圖7 激光摻雜法工藝流程Ⅱ

3、如圖8（a）所示先進(jìn)行輕摻雜，隨后進(jìn)行去磷硅玻璃和PE鍍膜兩道工藝，在前表面先鍍上一層氮化硅薄膜；然后在氮化硅薄膜涂上一層磷源，如圖8（b）所示；然后采用激光照射金屬柵線覆蓋區(qū)域，以實現(xiàn)該區(qū)域的重?fù)诫s，如圖8（c）所示；接著去除磷源及制作金屬柵線，如圖 8（d）、（e）所示。

圖8 激光摻雜法工藝流程Ⅲ

根據(jù)重擴散磷源的不同可分為：1、利用輕擴磷硅玻璃中的磷作為重擴磷源，激光摻雜應(yīng)在去磷硅玻璃前進(jìn)行，見圖（7）所示；2、正面覆蓋磷作為重擴磷源，如圖（6）所示；3、磷酸隨激光束同步流到正面作為重擴磷源[8]。

3 選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化

目前在國內(nèi)，已有多個類型的選擇性發(fā)射結(jié)技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；包括掩膜法、激光摻雜法、反腐蝕法以及硅墨法。并且在國內(nèi)都有相應(yīng)的生產(chǎn)線。

南京中電公司率先實現(xiàn)選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，其在2007年就建成了一條2MW的選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池生產(chǎn)線，當(dāng)年單晶硅太陽電池的平均轉(zhuǎn)換效率為17%，平均轉(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)高于普通單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。南京中電公司采用的選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池技術(shù)采用是掩膜法，采用二氧化硅作為掩膜。緊隨南京中電公司之后，無錫尚德也開始研究選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，采用的是激光摻雜法[10]。在2009年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)100MW，單晶硅太陽電池達(dá)到19%的平均轉(zhuǎn)換效率。2009年晶澳太陽能與美國的Innovalight公司進(jìn)行合作，采用Innovalight研發(fā)的硅墨水技術(shù)[11]，進(jìn)行選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。另外德國schmid公司研制出了利用反腐蝕技術(shù)產(chǎn)生選擇性發(fā)射結(jié)太陽能電池的生產(chǎn)線。

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（責(zé)任編輯：陳 輝）

Technology of Selective Emitter Solar Cells

WANG Guo-ning1JIANG Ji-fu2HU Jun-Tao2
（1 Jiangxi University of technology,Nanchang 330098,China;2 Yunnan Tian da Photovoltaic Co.Ltd,Kunming 650091,China）

The technology of selective emitter is one of main technologies of high efficiency crystalline silicon solar cells.This article suggests the basic principle and advantage of selective emitter,and classifies the selective emitter solar cells technology,analyzes the characteristic of each type selective emitter technology,introduces the progress of industrialization of selective emitter solar cells technology.

selective emitter;solar cells;industrialization

A

123（2014）03-0042-05

2014-04-17

王國寧（1974-），男，江西吉安人，江西科技學(xué)院，碩士。研究方向：太陽能光伏。