單晶高效PERC電池結(jié)構(gòu)與制造方法分析

苗杰　焦朋府　李艷芝　張超　賈宇龍

摘 要：?jiǎn)尉Ц咝ERC電池是近些年光伏電池行業(yè)最為熱門的電池結(jié)構(gòu)形式，本文對(duì)PERC電池的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，同時(shí)從材料方面、晶體硅的表面鈍化技術(shù)以及高效晶硅電池金屬化方法等方面論述了單晶高效電池的制造技術(shù)，為光伏電池制造工作提供一定參考。

關(guān)鍵詞：PERC;晶質(zhì)硅;電池;制造

隨著我國(guó)能源和環(huán)境雙重壓力的日益加劇，太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益而將成為我國(guó)能源發(fā)展的重要方向，也將是根本解決霧霾、酸雨和溫室氣體等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的有效手段之一。然而我們?nèi)匀磺宄乜吹?，在光伏產(chǎn)業(yè)高歌猛進(jìn)的同時(shí)，由于太陽(yáng)能光伏技術(shù)是一門綜合性的高技術(shù)行業(yè)，涉及多個(gè)交叉學(xué)科（基礎(chǔ)理論與技術(shù)科學(xué)，主要有物理特別是半導(dǎo)體物理、光學(xué)、電子學(xué)及電工學(xué)等，其制造技術(shù)仍需要人們持續(xù)進(jìn)行研究[1]。本文將對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池中的PERC電池結(jié)構(gòu)及其制造方法進(jìn)行分析。

1 PERC電池的結(jié)構(gòu)性能

PERC電池全稱是鈍化發(fā)射極及背面電池，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。PERC電池是PERL電池的前身，也是PERL電池的一個(gè)初級(jí)發(fā)展階段[2]。當(dāng)時(shí)在還沒(méi)有辦法制成低表面復(fù)合的硼擴(kuò)散之前，電池背面的金屬接觸只能由鋁直接接觸背面P型硅表面完成，但鋁與淡P型硅較難形成良好的歐姆接觸，因此PERC電池只能制造在低于0.5Ω·cm的平p型FZ硅片上，更高的襯底電阻率會(huì)使接觸電阻迅速上升，電池的FF大大下降。但0.50Ω·cm電阻率的FZ單晶的載流子壽命較低，造成比較大的電流損失。除了背面接觸區(qū)域沒(méi)有硼擴(kuò)散之外，PERC電池的所有其他工藝方法都與PERL電池相同[3]。

PERC電池的背面也像PERL電池一樣采用了局部金屬接觸，但金屬接觸區(qū)域下沒(méi)有濃硼擴(kuò)散。這樣的接觸區(qū)域的復(fù)合率仍舊很高，而且在少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度距離之內(nèi)的光生載流子仍可擴(kuò)散到背面接觸區(qū)域被復(fù)合而損失掉。為了減小這種背接觸區(qū)域的復(fù)合損失，背面的接觸區(qū)域被大距離（2mm）分隔開(kāi)來(lái)。因而PERC電池的電阻損失較大，F(xiàn)F不高。因此后來(lái)的PERL電池用濃硼區(qū)域形成金半接觸及表面鈍化，因此它允許背面接觸點(diǎn)間距離大大下降到0.25 mm，因此FF大大提高。一個(gè)PERC電池在Sandia測(cè)量得到了22.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。它達(dá)到了688mV開(kāi)路電壓，82.1%的填充因子和39.4 mA/cm2的短路電流密度。

PERC電池只是UNSW在研發(fā)電池過(guò)程中的一個(gè)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，它在1989年得到了22.3%的世界最高晶硅電池的效率記錄。然而，由于PERC電池的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它比PERL電池更便于工業(yè)生產(chǎn)，因此在二十幾年后的今天，光伏工業(yè)界對(duì)這種PERC結(jié)構(gòu)，以及PERC的變型演變結(jié)構(gòu)興起了新的研發(fā)和生產(chǎn)的興趣。

2 高效晶體硅光伏電池制造方法

2.1 材料方面的要求

由于晶體硅是間接禁帶半導(dǎo)體，它對(duì)光子的吸收系數(shù)較低，一部分長(zhǎng)波光子要穿過(guò)幾百微米厚的硅材料才能被吸收，這樣在硅體內(nèi)產(chǎn)生的少數(shù)載流子要穿過(guò)很長(zhǎng)的距離才能到達(dá)電池的發(fā)射結(jié)被吸收形成電流，如果硅體內(nèi)的載流子復(fù)合速率過(guò)高，光生載流子中的一部分在到達(dá)發(fā)射結(jié)以前就復(fù)合消失了，從而使電池的量子效率下降[3]。因而高效電池的一個(gè)基本要求就是其材料體內(nèi)的復(fù)合率要很低，即其載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于電池的厚度。這個(gè)要求與前節(jié)所述的常規(guī)晶硅電池不同，常規(guī)電池的鋁背場(chǎng)處復(fù)合較高，因此它只要求少子擴(kuò)散長(zhǎng)度覆蓋襯底的主要厚度區(qū)域，而能把這一區(qū)域的光生載流子輸運(yùn)到表面發(fā)射結(jié)就可以了。穿過(guò)這一區(qū)域的載流子大半會(huì)在鋁背場(chǎng)處復(fù)合損失掉了。圖2給出了硅晶體內(nèi)雜質(zhì)濃度對(duì)硅太陽(yáng)電池性能的影響?？梢钥吹侥墚a(chǎn)生深能級(jí)的金屬（主要是重金屬）雜質(zhì)會(huì)大大增加體復(fù)合率，從而降低載流子壽命。如：Au、Cu、Ag、Fe等[4]。

2.2 表面鈍化

晶體硅內(nèi)的硅原子是有序排列的，每（下轉(zhuǎn)第85頁(yè)）（上接第83頁(yè)）個(gè)硅原子與相鄰四個(gè)同樣的原子以共價(jià)鍵相結(jié)合，從而很少有斷鍵（斷鍵在禁帶中產(chǎn)生的能級(jí)會(huì)大大增加復(fù)合作用），因而體復(fù)合很低。而到了晶體的表面，所有的共價(jià)鍵全都斷掉，這會(huì)產(chǎn)生極高的表面態(tài)密度。如果不把這些界面態(tài)鈍化，也就是與某種其他的原子相結(jié)合，這就會(huì)產(chǎn)生極高的表面復(fù)合率。

目前已知的幾種表面鈍化方法如下：①PECVD氮化硅膜鈍化;②含氯氧化（TCA，HCl等），或干氧氧化，以及Forming gas退火;③擴(kuò)散形成的表面勢(shì)壘鈍化;④非晶硅與硅形成的異質(zhì)結(jié)鈍化;⑤Al2O3能極好地鈍化p型硅表面。

2.3 高效晶硅電池金屬化方法

主要以絲網(wǎng)印刷為主，還有噴墨印刷來(lái)制造電池的金屬化。但這種方法在燒結(jié)時(shí)金屬與硅片共熔，這對(duì)硅片表面損傷較大，電池的性能一般只能達(dá)到20%～21%。采用這種方法的以各家公司為主，也有很多實(shí)驗(yàn)室，如荷蘭的ECN研究中心和新加坡的SERIS實(shí)驗(yàn)室，而且電池設(shè)計(jì)多為PERC型電池[4-5]。

但印刷金屬的最難的地方其實(shí)是在電池背面的金屬化。這也是要以激光或印刷方法在背面鈍化介質(zhì)層上打開(kāi)接觸孔，然后印刷鋁漿，燒結(jié)形成背面點(diǎn)接觸，在這個(gè)過(guò)程中還要防止破壞背面鈍化層。雖然各大漿料公司都已在大力開(kāi)發(fā)這種鋁漿，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)還是很難達(dá)到最佳效果，這也是印刷金屬化方法的電池效率不很高的另一個(gè)原因。但由于這種方法的成本最低，絕大部分以生產(chǎn)為目標(biāo)的高效電池研發(fā)還是采用了這種方法。

3 結(jié)語(yǔ)

高效晶體硅太陽(yáng)能電池近些年來(lái)發(fā)展十分迅猛，同時(shí)市場(chǎng)應(yīng)用也十分廣泛。高效電池與普通電池的一個(gè)最主要的區(qū)別在于背表面的鈍化。目前生產(chǎn)上采用的傳統(tǒng)電池都是用全面積背面鋁燒結(jié)形成鋁背面場(chǎng)，這種鋁背場(chǎng)雖然比金屬直接接觸的表面復(fù)合有所下降，但下降并不很多。鋁背場(chǎng)比絕緣層形成的表面鈍化作用相差甚遠(yuǎn)，因此傳統(tǒng)電池的開(kāi)路電壓都不很高。在本文的論述中，PERC電池的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比PERL電池更為有利于工業(yè)生產(chǎn)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，PERC結(jié)構(gòu)仍是業(yè)界主導(dǎo)的電池結(jié)構(gòu)形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹慶磊，姜辰明，王學(xué)孟，等.薄晶體硅PERC電池的工藝研究[J].可再生能源，2015，33（10）：1445-1449.

[2]康冬妮.單晶PERC電池片Al2O3鈍化層劃痕的解決方法[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2017（5）：141-142.

[3]陳龍，盧玉榮，王仕鵬，等.PERC電池激光開(kāi)窗技術(shù)應(yīng)用研究[J].太陽(yáng)能，2017（1）：28-31.

[4]白焱輝，王學(xué)孟，梁宗存，等.PERC電池背表面開(kāi)膜參數(shù)的模擬及優(yōu)化[C]//中國(guó)光伏大會(huì)暨中國(guó)國(guó)際光伏展覽會(huì)，2014.

[5]張群芳，朱美芳，劉豐珍.高效薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池的研究[J].太陽(yáng)能，2006（4）：41-42.