1、選擇性發(fā)射極晶體硅太陽能電池1、概論所謂選擇性發(fā)射極(SE-selectiveemitter)晶體硅太陽能電池，即在金屬柵線(電極)與硅片接觸部位進行重摻雜，在電極之間位置進行輕摻雜。這樣的結(jié)構(gòu)可降低擴散層復(fù)合，由此可提高光線的短波響應(yīng)，同時減少前金屬電極與硅的接觸電阻，使得短路電流、開路電壓和填充因子都得到較好的改善，從而提高轉(zhuǎn)換效率。選擇性發(fā)射極太陽能電池的概念由來已久。早在1984年Schroder就全面綜述了硅太陽能電池的接觸電阻理論，分析了不同金屬功函數(shù)和硅表面摻雜濃度對接觸電阻的影響。近幾年，這種選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)得到極大關(guān)注，并運用在高效晶體硅太陽能電池的研究中，例如新南威爾士大學(xué)

2、研發(fā)的效率高達24.7%的PERL電池中，就采用了選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)。SE電池一直沒有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的原因，主要是工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。近來隨著激光、精準印刷等技術(shù)的日益成熟，一些具有產(chǎn)業(yè)化前景的SE新工藝開始興起，例如無錫尚德研發(fā)的Pluto電池，平均效率已達18.5%。國外先進的太陽能電池設(shè)備商，如Centrotherm、Schmidt、Roth&Rau等也開發(fā)出制造SE電池的turnkey生產(chǎn)線，所承諾的單晶硅電池效率在18%以上。在此，介紹SE的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點，并結(jié)合這些turnkey生產(chǎn)線工藝，重點分析幾種SE一次擴散法的優(yōu)缺點并對未來進行展望。2、選擇性發(fā)射極太陽能電池的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點P傳

3、統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池盒選擇性發(fā)射極電池的結(jié)構(gòu)L在太陽能電池的眾多參數(shù)中，發(fā)射極(dopantprofile)是最能影響轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)之適當(dāng)提高方塊電阻可提高開路電壓和短路電流，但是在絲網(wǎng)印刷方式下，Ag電極與低表面摻雜濃度發(fā)射極的接觸電阻較大，最終會由于填充因子的下降從而引起轉(zhuǎn)換效率降低。為了同事兼顧開路電壓、短路電流和填充因子的需要，選擇性發(fā)射極電池是比較理想的選擇，即在電極接觸部位進行重摻雜，在電極之間位置進行輕摻雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的太陽能電池n+擴散層一般在40-50Q/sqr,而SE結(jié)構(gòu)的太陽電池的淺擴散方阻一般在80-100Q/sqr，在電極下的重摻方阻則低于40Q/sqr。這樣的結(jié)構(gòu)有

4、以下三個優(yōu)點：降低串聯(lián)電阻，提高填充因子太陽電池的串聯(lián)電阻由柵線體電阻、前柵與硅表面的接觸電阻、擴散層薄層電阻、硅片體電阻、背電極接觸電阻和背場體電阻組成。其中，在絲網(wǎng)印刷工藝下，前柵接觸電阻、體電阻和擴散層薄層電阻對串聯(lián)電阻貢獻最大。根據(jù)金屬-半導(dǎo)體接觸電阻理論，接觸電阻與金屬勢壘(barrierheight)和表面摻雜濃度(Nd)有關(guān)，勢壘越低，摻雜濃度越高，接觸電阻越小。(2)減少載流子Auger復(fù)合，提高表面鈍化效果當(dāng)雜質(zhì)濃度大于1017cm-3時，Auger復(fù)合是半導(dǎo)體中主要的復(fù)合機制，而Auger復(fù)合速率與雜質(zhì)濃度的平方成反比關(guān)系，所以SE的淺擴散可以有效減少載流子在擴散層橫向流動

5、時的Auger，提高載流子收集效率；另外，低表面摻雜濃度意味著低表面態(tài)密度，這樣也可提高鈍化效果。(3)改善光線短波光譜響應(yīng)，提高短路電流和開路電壓對于AM1.5G而言，約20%能量的入射光的吸收發(fā)生在擴散層內(nèi)，所以淺擴散可以提高這些短波段太陽光的量子效率，提高短路電流；同時，由于存在一個橫向的(n+-n+)高低結(jié)，和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，還可提高開路電壓。3、一次擴散SE太陽電池制備方案過去制備SE太陽電池常采用二次擴散的方法，重擴散和淺擴散分兩次進行，工藝步驟比較復(fù)雜而且給硅片帶來的熱損傷較大，尤其對于多晶硅影響更嚴重。目前，多晶硅太陽電池占據(jù)市場份額越來越大，單步擴散法制備SE也應(yīng)運而生，通過掩

6、膜等工藝可在一次熱擴散中形成SE結(jié)構(gòu)，具體方案大概有以下六種：氧化層淹膜擴散印刷法燒結(jié)SP前背電極、背場鍍膜去刻邊此為Centrotherm的turnkeyline制備方案。該方案要點是，在清洗制絨后通過熱氧生長的方法在硅片表面形成一層較薄的氧化層,然后根據(jù)絲網(wǎng)印刷前電極的圖案在氧化層上開槽，再用弱堿清洗激光損傷層。這樣，在擴散時，沒有開槽的區(qū)域由于氧化層的阻擋作用形成淺擴，開槽的區(qū)域形成重擴。根據(jù)公開提供的數(shù)據(jù)，n+層寬度控制在250-300m,柵線寬度80-100m,效率可達18%。該方案的優(yōu)點是增加設(shè)備較少，步驟相對簡單，要解決的主要問題是：一、激光工藝的穩(wěn)定性要保證，在幾百m寬的區(qū)域激

7、光開槽所帶來損傷層，需清洗干凈?？捎闷渌_槽方式代替激光，如絲網(wǎng)印刷刻蝕膏，或材料打印機打印刻蝕液（氟化銨）等；二、硅片需經(jīng)歷氧化和擴散兩次高溫過程，高溫損傷比常規(guī)片要大，對硅片質(zhì)量要求較高，普通多晶硅可能滿足不了要求；三、氧化層厚度和均勻性需要控制得較好，因為這直接影響到n+層的擴散質(zhì)量；四、需解決絲網(wǎng)印制的精確對位，對位越精確，n+層的寬度就可越窄，效率提高越多。蓿洗制絨POCL3擴散鍍SINx膜前表面涂磷源燒結(jié)印背銀、背鋁激光涂源摻雜電鍍法（尚德冥王星技術(shù)）此為ROth&Rau的turnkey制備方案，該方案的要點是:分別處理前后電極，淺擴散（100-120Q/sqr）和鍍膜后先絲網(wǎng)印刷

8、鋁背場并燒結(jié)，然后在前表面旋涂磷源（磷酸+酒精）再用激光（532nm,綠光）按照柵線圖案進行開槽并摻雜，形成方阻約20Q/sqr的局域重摻區(qū)最后利用光誘導(dǎo)電鍍（LIP-lightinducedplating）在這些重摻區(qū)上電鍍Ni/Cu/Ag金屬層作為前電極由于采取電鍍的方式，柵線寬度可減少至約30pm,與硅片接觸寬度約20pm,Pluto電池的最高效率已超過19%，衰減后的平均效率可達18.5%。該電池的優(yōu)勢在于非常小的有效遮擋面積（小于5%）和線間距（約1mm）,在這樣的線間距下，可擴散超過100Q/sqr的淺結(jié)，這樣既提高了Voc和lsc,又能保證FF不會下降得太多另外從設(shè)備上而言，由于

9、采取電鍍制作柵線，無需高精度的絲網(wǎng)印刷機進行二次對位需要解決的問題是：（1）激光摻雜工藝的控制，激光在Pluto中起到了關(guān)鍵作用，既要在SiNx上開槽又要形成重摻，并保證一定的表面摻雜濃度（較小的接觸電阻），激光的波長、脈沖頻率和功率都需仔細權(quán)衡，并且穩(wěn)定控制才能達到生產(chǎn)需求；（2）金字塔絨面需控制得比較小而均勻；（3）如采用電鍍Ni作為種子層，還要經(jīng)過一道低溫?zé)Y(jié)工序，這一燒結(jié)工藝也需控制得很好。因為根據(jù)Ni/Si合金相圖，期間形成的歐姆接觸的溫度區(qū)間較小，稍有差池就會造成燒穿p-n結(jié)漏電（溫度過高）或接觸電阻過大（溫度偏低）；（4）電鍍Ag與焊接帶之間的粘合力較小，做成組件后容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)

10、象，目前還沒有很好的解決方案，通過改進電鍍電解液來改善電鍍Ag表面形貌可能是其中一條途徑。印刷摻雜電鍍法二二潔洗制絨P0CL3擴散去P2刻邊鍍SINx膜LIP電鍍AG燒結(jié)EP前背電極、背場此方案是針對Pluto電池在激光和Ni/Si合金燒結(jié)工藝難于控制的不足，使用其他方法代替電鍍Ni做LIP的種子層。代替的方案有：(1)finelinepriting印刷小于80m的細柵。但要提高電池效率，印刷漿料必須(a)在低表面濃度下也能保證低接觸電阻，或者(b)本身含磷摻雜源并在燒結(jié)時能擴散入Si形成重摻；inkjetprinting印刷約30-50m的細柵。同樣，要形成SE結(jié)構(gòu)，ink中也需含n+摻雜質(zhì)

11、；其他印刷細柵的方法，如lasertrasferplating(LTP)等。與激光相比，這些印刷工藝都較難做到1mm的柵線距離，所以淺擴層方阻不能高于100Q/sqr，效率在18%-18.5%之間。同樣，由于最后需采取LIP對柵線進行增厚，也需解決電鍍Ag與焊接帶之間粘合力較小的問題。另外，inkjetprinting和LIP等這些新的印刷設(shè)備成本都較高，風(fēng)險較大，對于產(chǎn)業(yè)也是一個必須考慮的問題。激光PSG摻雜一印刷法清洗制絨P0CL3擴散黴光摻雜（PSG）去P曲、刻辺燒結(jié)SP前背電極、背場鍍呂Ibfe膜此方案為Manz正在研發(fā)的一條SE路線，其要點是：（1）使用擴散時生成的PSG代替磷酸作為

12、laserdoping的磷酸；（2）采取絲網(wǎng)印刷制作電極，避免電鍍工藝。由于印刷工藝對線間距的限制，淺擴層方阻不能高于100Q/sqr，所以效率也在18%-18.5%之間。該方案的優(yōu)點是工藝步驟少，除激光外無需增加其他設(shè)備，但和方案二一樣，需解決的主要問題是：（1）激光摻雜的工藝控制，為了同時達到減小接觸電阻和避免漏電的目的，激光摻雜重摻區(qū)域?qū)诫s均勻性要求較高；（2）絲網(wǎng)印刷二次對位精度要求較高。蓿洗制絨P0CL3擴散柵線掩膜返刻法SP前背電極、背場燒結(jié)、此為Schmidt的turnkeyline制備方案。該方案要點是：（1）使用inkjetprinting方法在重擴硅片（約40Q/sqr）

13、上打印與前柵線圖案一樣的有機材料掩膜（約300nm寬）作為腐蝕阻擋層，在HF/HN03腐蝕液中對掩膜外的重擴區(qū)域進行腐蝕形成淺結(jié)（約90Q/sqr）；（2）掩膜制備和絲網(wǎng)印刷柵線之間具有二次定位系統(tǒng)，使柵線印刷在掩膜區(qū)域。采用此工藝路線，電池效率可達到18.2%以上，如果使用絲網(wǎng)印刷小于80um的柵線做種子層，再用LIP來增厚，效率可進一步提高到18.5%以上。此方案的優(yōu)點是流水線作業(yè)，產(chǎn)量大，易于產(chǎn)業(yè)化；避免采用激光工藝，保證碎片率比較低。需要考慮的問題是：返刻腐蝕步驟比較難控制，要求方塊電阻均勻性較好，有可能腐蝕過度造成橫向擴散電阻增大，增大串聯(lián)電阻；Inkjetprinting做掩膜成本較高，可考慮其他方法代替，如絲網(wǎng)印刷掩膜，材料打印機打印液態(tài)石蠟等。后期絲網(wǎng)印刷的二次對位精度要求較高。印刷磷源單步擴散法燒結(jié)SP前背電極、背場鍍SiNx膜燒結(jié)SP前背電極、背場鍍宙bfe膜此工藝路線的要點是：絲網(wǎng)印刷磷源，通過高溫加熱進行擴散，在與柵線接觸位置形成重摻，在其他位置形成輕摻。在擴散均勻性控制較好的前提下，效率也可達18.5%以上。該方案的優(yōu)點是工藝簡單，不需要增加額外的設(shè)備；但一個難點是如何調(diào)整擴散工藝，使得在重摻源附著在硅片