《新能源材料與器件制備技術(shù)》

第三章晶體硅太陽(yáng)電池制備技術(shù)晶體硅太陽(yáng)電池是以晶體硅為襯底材料的太陽(yáng)電池，可分為單晶硅或多晶硅太陽(yáng)電池。根據(jù)硅片導(dǎo)電類(lèi)型可分為p型或n型硅太陽(yáng)電池。晶體硅太陽(yáng)電池具有轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。晶體硅太陽(yáng)電池提升轉(zhuǎn)換效率主要涉及三個(gè)方面：（1）光子高效吸收到硅體內(nèi)；（2）光子高效轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)；（3）分離的電子和空穴能被高效地提取與傳輸?shù)酵怆娐贰?3.1晶體硅太陽(yáng)電池概述3.2Al-BSF太陽(yáng)電池Al-BSF太陽(yáng)電池主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是通過(guò)絲網(wǎng)印刷在晶體硅襯底背面沉積一層鋁漿再經(jīng)燒結(jié)后形成p+背場(chǎng)及背面電極。3圖3.1BSF晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖圖3.2為BSF太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝流程示意圖，主要有清洗制絨、擴(kuò)散制結(jié)、刻蝕和去磷硅玻璃、沉積減反射膜、絲網(wǎng)印刷電極、高溫?zé)Y(jié)、測(cè)試分檔等步驟。4圖3.2BSF太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝流程圖3.2.1清洗制絨工藝硅片清洗制絨工藝主要有兩個(gè)目的：（1）去除硅片切割時(shí)形成的表面損失層及污染物；（2）表面織構(gòu)化，以減少表面反射損失，增加光的吸收率。

5圖3.3硅片制絨前后反射率對(duì)比硅片表面織構(gòu)化有多種方法，目前產(chǎn)業(yè)化工藝大多采用化學(xué)腐蝕。單晶和多晶硅的腐蝕機(jī)理不同，使用的方法和工藝也有很大差異。（1）單晶硅制絨單晶硅制絨，利用各向異性腐蝕機(jī)理，采用堿溶液腐蝕（NaOH、KOH）。由于晶面原子密度不同，堿溶液對(duì)不同的晶面具有不一樣的腐蝕速度。6圖3.4單晶硅絨面形貌單晶硅制絨采用1-3%的NaOH溶液，添加0.5-1.5%的無(wú)醇制絨添加劑，制絨溫度75-85℃，制絨時(shí)間15-25min。制絨添加劑不直接參與化學(xué)反應(yīng)，但卻有助于形成均勻分布的大小一致的金字塔結(jié)構(gòu)，提高絨面質(zhì)量。反應(yīng)方程式為：

Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑（3-1）制絨工序流程為：堿制絨—水洗—HCl浸泡清洗—水洗—HF浸泡清洗—水洗—甩干。該法基本可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)性生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗。7（2）多晶硅制絨多晶硅由不同晶向的晶粒構(gòu)成，制絨利用各向同性腐蝕機(jī)理，采用HNO3和HF的混合液腐蝕，在硅片表面形成蠕蟲(chóng)狀凹坑形絨面。其中HNO3與硅片反應(yīng)生成SiO2，HF與SiO2反應(yīng)生成絡(luò)合物H2SiF6，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。8圖3.5多晶硅絨面形貌多晶硅制絨通常采用鏈?zhǔn)街平q設(shè)備，常用的溶液配比有兩種，HNO3:HF:DI水=3:1:2.7或HNO3:HF:DI水=1:2.7:2，制絨溫度6-10℃，制絨時(shí)間120-300s。反應(yīng)方程式如下：

3Si+4HNO3→3SiO2+2H2O+4NO↑（3-2）SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O（3-3）制絨工序流程為：酸制絨—水洗—堿洗—水洗—HCl+HF浸泡清洗—水洗—風(fēng)刀吹干。堿洗可去除亞穩(wěn)態(tài)多孔硅，中和殘留酸。使用酸液浸泡可去除殘余堿溶液和金屬雜質(zhì)，同時(shí)去除硅片表面氧化層。9為了制備太陽(yáng)電池的pn結(jié)，需對(duì)硅片摻雜。常用的摻雜工藝有熱擴(kuò)散、離子注入、合金法和化學(xué)氣相沉積等。太陽(yáng)電池的pn結(jié)采用管式熱擴(kuò)散方法摻雜制結(jié)，對(duì)于P型硅片熱擴(kuò)散一層N型磷雜質(zhì)。10pn結(jié)是太陽(yáng)電池的核心！3.2.2擴(kuò)散制結(jié)工藝圖3.6管式擴(kuò)散爐示意圖11N型擴(kuò)散源通常采用POCl3，擴(kuò)散時(shí)通入N2和O2，擴(kuò)散溫度可選取840-900℃。高純POCl3是液體，通過(guò)N2攜帶進(jìn)入石英管。POCl3在高溫下（>600℃）分解，生成PCl5和P2O5，其反應(yīng)式如下：

（3-4）在通有O2的情況下，PCl5將與O2反應(yīng)，進(jìn)一步分解成P2O5，化學(xué)反應(yīng)式為：

（3-5）12生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與Si反應(yīng)生成SiO2和P原子，并在硅片表面形成一層磷硅玻璃，然后磷原子再?gòu)牧坠璨ＡЮ锵蚬柚羞M(jìn)行擴(kuò)散：

（3-6）

13三氯氧磷液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率高，pn結(jié)均勻平整，擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于制備具有大面積pn結(jié)的太陽(yáng)電池非常有益。在生產(chǎn)中常采用“兩步擴(kuò)散法”，如圖3.7所示。

圖3.7“兩步擴(kuò)散法”示意圖及磷擴(kuò)散發(fā)射極形成過(guò)程14兩步擴(kuò)散法：

①預(yù)沉積擴(kuò)散，即PSG沉積。擴(kuò)散溫度較低，硅片始終處于飽和雜質(zhì)氣氛中，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程硅片表面雜質(zhì)濃度不變，被稱(chēng)為恒定表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散雜質(zhì)呈余誤差分布。②再分布擴(kuò)散，即將PSG中的P原子推進(jìn)到硅片中，得到預(yù)定的結(jié)深。擴(kuò)散溫度較高，在無(wú)外來(lái)雜質(zhì)氣氛和富氧氣氛中進(jìn)行，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中硅片表面雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化，被稱(chēng)為有限表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散雜質(zhì)呈高斯分布。15擴(kuò)散制結(jié)影響因素：（1）管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源濃度（決定硅片摻雜濃度大?。?）擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間（溫度決定摻雜源在硅晶體中擴(kuò)散速度大小，時(shí)間決定擴(kuò)散濃度和深度）

擴(kuò)散層的方塊電阻是反應(yīng)擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求的重要指標(biāo)之一。摻雜濃度和擴(kuò)散結(jié)深，決定著方塊電阻的大小。方塊電阻的大小與雜質(zhì)摻雜濃度和擴(kuò)散結(jié)深成正比。3.2.3濕法刻蝕工藝硅片在擴(kuò)散制結(jié)時(shí)，其背面和四周邊緣均會(huì)形成擴(kuò)散層和磷硅玻璃層。濕法刻蝕通過(guò)滾輪和刻蝕液表面張力使硅片漂浮在刻蝕面上，只有硅片背面和邊緣與刻蝕液接觸，發(fā)生腐蝕反應(yīng)將硅片背面和邊緣的磷硅玻璃層和pn結(jié)刻蝕去除，同時(shí)實(shí)現(xiàn)背面拋光，提高電池轉(zhuǎn)換效率。16圖3.8硅片濕法刻蝕示意圖17濕法刻蝕工藝流程：

酸刻蝕—水洗—堿洗—水洗—酸洗—水洗—風(fēng)刀吹干。堿洗主要是使用NaOH或KOH，去除硅片背表面的多孔硅，并中和殘留酸。使用HF浸泡清洗，是為了去除磷硅玻璃。采用HNO3和HF的混合液，HNO3將硅片背面和邊緣氧化形成SiO2，HF與SiO2反應(yīng)生成H?SiF?，同時(shí)去除擴(kuò)散層，包括磷硅玻璃層和pn結(jié)。硅片正面的磷硅玻璃，用HF去除。目的：為了降低硅片表面反射，增加硅片表面光吸收，除了硅片表面絨面化外，還可以在電池受光面沉積減反射膜。在硅片表面沉積一層減反射膜，光入射后將在膜層兩個(gè)界面發(fā)生反射，使得兩個(gè)界面上的反射光相互干涉，從而抵消了反射光，達(dá)到減反射的效果。3.2.4減反射膜工藝18圖3.9減反射作用19制備方法及設(shè)備：晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中普遍使用管式PECVD制備SiNx膜。使用硅烷（SiH4）和氨氣（NH3）作為源氣體，在等離子體氣氛下反應(yīng)生成，其反應(yīng)方程式：

SiH4+NH3→SiNx:H+H2↑

（3-7）

圖3.10管式PECVD設(shè)備示意圖20PECVD方法制備SiNx膜的優(yōu)點(diǎn)：

（1）折射率大。SiNx膜具有良好的光學(xué)性質(zhì)，其折射率大，通過(guò)調(diào)整SiH4和NH3比例，可調(diào)節(jié)SiNx膜的折射率。

（2）增強(qiáng)鈍化效果。在沉積時(shí)引入的H鈍化材料的體缺陷和晶界，降低了表面復(fù)合速率，增加了少子壽命。

（3）掩蔽作用好。SiNx膜有卓越的抗氧化和絕緣性能，同時(shí)具有良好的阻擋鈉離子、掩蔽金屬和水蒸汽擴(kuò)散的能力。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性好。除HF和熱H3PO4能緩慢腐蝕外，與其它酸基本不發(fā)生反應(yīng)。

太陽(yáng)電池制造過(guò)程中，使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在硅片上印刷金屬漿料，制備太陽(yáng)電池接觸電極，金屬漿料經(jīng)燒結(jié)后在太陽(yáng)電池表面形成正面和背面電極，通過(guò)這些電極收集輸送電流。3.2.5電極制備工藝21圖3.11太陽(yáng)電池電極收集電流示意圖絲網(wǎng)印刷具有成本低、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中普遍采用的方法。其工藝如圖3.12所示。印刷的電極厚度與印刷壓力、印刷速度、絲網(wǎng)間距、刮刀硬度、刮刀角度、漿料粘度、絲網(wǎng)線徑、乳膠厚度等工藝參數(shù)有關(guān)。

22圖3.12絲網(wǎng)印刷工藝示意圖絲網(wǎng)印刷的金屬電極漿料主要有鋁漿和銀漿，其中銀漿又有正面銀漿和背面銀漿之分。常規(guī)電極印刷工藝分三次印刷，其流程為：背銀印刷—烘干—背鋁印刷—烘干—正銀印刷—烘干—燒結(jié)。（1）背面電極印刷

對(duì)襯底為P型材料的晶硅電池，背面電極是電池的正極。背面銀電極與硅片表面間的接觸電阻越大越好，與鋁背場(chǎng)重疊處接觸電阻越小越好；應(yīng)具有良好的可焊性，與互聯(lián)帶形成良好的接觸，對(duì)外輸出電流。23（2）背電場(chǎng)印刷

通過(guò)印刷鋁漿在電池背面形成鋁背場(chǎng)。一方面收集背面載流子，傳送到背電極；另一方面形成背電場(chǎng)，在硅片背面形成p+層，可以減少金屬與硅交界處的少子復(fù)合，從而提高開(kāi)路電壓和增加短路電流。（3）正面電極印刷正面是電池的受光面，對(duì)襯底為P型材料的晶硅電池，正面電極是電池的負(fù)極。為了使電池表面接收更多的入射光，正面電極設(shè)計(jì)成柵線狀，由主柵線和副柵線兩部分構(gòu)成。24印刷的金屬漿料通過(guò)燒結(jié)工序形成接觸電極。燒結(jié)是在高溫下金屬與硅形成合金，燒結(jié)也是高溫下對(duì)硅片進(jìn)行擴(kuò)散摻雜的過(guò)程，是熔融、擴(kuò)散和物理化學(xué)反應(yīng)的綜合作用過(guò)程。太陽(yáng)電池的燒結(jié)工序要求是：

正面電極漿料中的Ag穿過(guò)SiNx膜擴(kuò)散進(jìn)硅表面，但不可到達(dá)電池的pn結(jié)區(qū)；背面漿料中的Al和Ag擴(kuò)散進(jìn)背面硅薄層，使Ag、Ag/Al、Al與硅形成合金，形成良好的歐姆接觸電極和鋁背場(chǎng)，有效地收集電池內(nèi)的電子。3.2.6燒結(jié)工藝25工業(yè)上所采用的燒結(jié)爐都為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，由紅外燈管加熱，采用快速加熱燒結(jié)形式，燒結(jié)時(shí)間很短，僅為幾分鐘。燒結(jié)曲線為“尖峰”類(lèi)型，漿料的燒結(jié)程序分為4個(gè)階段，如圖3.14所示。26圖3.14燒結(jié)爐溫度曲線27正面銀漿燒結(jié)：正面銀漿中的玻璃相在燒結(jié)過(guò)程中起到腐蝕穿透減反射膜和降低銀硅的共熔點(diǎn)的作用。銀漿燒結(jié)決定了銀與硅之間的金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸。具體燒結(jié)過(guò)程分為以下幾步：①100~200℃，溶劑揮發(fā)；②200~400℃，聚合物樹(shù)脂燒除；③400~600℃，玻璃粉料融化，銀顆?？s合及燒結(jié)；

④600~800℃，熔融玻璃粉料與溶解的銀刻蝕氮化硅表層，并刻蝕硅表面層。最后銀顆粒在硅表面結(jié)晶析出。28背面鋁漿燒結(jié)：背面鋁漿被加熱到鋁-硅共熔點(diǎn)以上，合金化后，隨著溫度下降，液相中的硅重新凝固，形成含有一定量的鋁的再結(jié)晶p+層，即鋁背場(chǎng)。具體燒結(jié)過(guò)程分為以下幾步：①漿料干燥，燒除有機(jī)溶劑和粘結(jié)劑；②鋁-硅開(kāi)始熔化為液相；③熔融的鋁和硅開(kāi)始相互的擴(kuò)散形成Al/Si互溶的液體；④在達(dá)到最高溫時(shí)，Al/Si互溶的液體完整覆蓋硅片表面；⑤在快速冷卻時(shí)，硅原子由漿料移回硅片表面，摻雜Al原子形成鋁背場(chǎng)。⑥當(dāng)溫度冷卻至557℃以下時(shí)，Al-Si液體形成固體共晶層，富余的Al析出形成金屬Al層。

PERC太陽(yáng)電池在高質(zhì)量區(qū)熔硅片(Floatingzonesilicon,Fz-Si)上使用氯基氧化工藝對(duì)背面進(jìn)行表面鈍化，同時(shí)在前表面選擇性地重?fù)诫s發(fā)射極，再采用光刻法制備倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)光生電流密度，器件結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。3.3PERC太陽(yáng)電池29圖3.15PERC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖此后關(guān)于PERC太陽(yáng)電池的研究不斷，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上不斷完善和改進(jìn)背表面鈍化的技術(shù)，衍生出了一系列改進(jìn)型電池結(jié)構(gòu)，如圖3.16所示。1990年，趙建華等人在PERC基礎(chǔ)上，提出在背面金半接觸區(qū)域進(jìn)行局部重?fù)诫s來(lái)降低接觸界面復(fù)合和接觸電阻，并使用氟化鎂/硫化鋅作為疊層減反膜，其電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.2%，稱(chēng)為鈍化發(fā)射極及背局部擴(kuò)散（passivatedemitterandrearlocally-diffused，PERL）晶體硅太陽(yáng)電池。30圖3.16在PERC基礎(chǔ)上衍生的晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖使PERC太陽(yáng)電池取得突破性進(jìn)展的是氧化鋁應(yīng)用于太陽(yáng)電池做界面鈍化層。PERC電池相比于傳統(tǒng)的BSF太陽(yáng)電池所增加的主要工藝設(shè)備就是背面鈍化介質(zhì)層沉積和介質(zhì)層開(kāi)槽設(shè)備。313.3.1PERC太陽(yáng)電池工藝流程圖3.17BSF太陽(yáng)電池與PERC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)對(duì)比為進(jìn)一步提升效率，PERC太陽(yáng)電池引入了新的工藝和技術(shù)改進(jìn)：選擇性發(fā)射極技術(shù)、9主柵電極取代5主柵電極、前表面多層復(fù)合減反射膜技術(shù)、背表面拋光技術(shù)、光注入或電注入再生技術(shù)、前表面二次制絨技術(shù)、精細(xì)化柵線控制技術(shù)等。32圖3.18典型的PERC太陽(yáng)電池工藝流程示意圖33圖3.19PERC電池主流工藝流程示意圖鈍化主要分為場(chǎng)效應(yīng)鈍化和化學(xué)鈍化。前者指的是在硅近表面處形成電場(chǎng)來(lái)排斥載流子，提高少子壽命，可以通過(guò)表面的高濃度摻雜和外加介電層的固定電荷實(shí)現(xiàn)；后者是通過(guò)飽和硅表面的懸掛鍵來(lái)提高少子壽命，沉積含H的鈍化膜，通過(guò)退火釋放H原子完成懸掛鍵鈍化。343.3.2鈍化技術(shù)圖3.20常見(jiàn)硅表面鈍化層的界面態(tài)密度與固定電荷關(guān)系早期的背鈍化薄膜的選擇主要是SiO2，其作用于硅片表面時(shí)可以形成很好的晶格適配，飽和懸掛鍵，降低表面缺陷態(tài)密度，但是與此同時(shí)SiO2的固定電荷密度較小，鈍化效果有限。

無(wú)論采用哪種材料和鈍化膜沉積技術(shù)，單獨(dú)一層介質(zhì)鈍化膜都不能滿足背面鈍化的需求！35PERC電池的制備另一個(gè)關(guān)鍵工藝是背膜開(kāi)槽技術(shù)。全面積鈍化不能滿足金屬化的要求，這就需要對(duì)背面鈍化層開(kāi)孔并實(shí)現(xiàn)局域金屬接觸，一方面局域接觸面積較小，將電極接觸處復(fù)合降至最低，另一方面也滿足了電流傳導(dǎo)的金屬化要求。363.3.3激光開(kāi)模技術(shù)圖3.21局域接觸圖形示意圖（a）線接觸（b）分線段接觸（c）點(diǎn)接觸在金屬柵線與硅片接觸部位進(jìn)行高濃度重?fù)诫s，在電極之間位置進(jìn)行低濃度輕摻雜。這種結(jié)構(gòu)可降低擴(kuò)散層復(fù)合，提高光線的短波響應(yīng)，同時(shí)減少前金屬電極與硅的接觸電阻，改善短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子，從而提高轉(zhuǎn)換效率373.3.4選擇性發(fā)射技術(shù)（SE）圖3.22SE-PERC太陽(yáng)電池示意圖38制備SE的方法：

SiNx掩膜法、離子注入法、磷漿法和激光摻雜法。光伏領(lǐng)域通常采用激光摻雜PSG的方式制備SE，使用擴(kuò)散時(shí)生成的PSG作為摻雜磷源，只需增加一臺(tái)激光設(shè)備即可，與產(chǎn)線兼容性好，已在單晶PERC生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。圖3.23激光摻雜PSG示意圖P型晶體硅電池存在光衰和熱輔助光衰的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)P型單晶PERC電池更為明顯。PERC電池主要優(yōu)化的是背面鈍化，改善了長(zhǎng)波響應(yīng)，所以其對(duì)硅片體少子壽命更加敏感。針對(duì)這種現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍采用了載流子注入退火工藝處理電池，使得電池加速衰退后再恢復(fù)，減少了使用過(guò)程中的衰減。目前在產(chǎn)業(yè)中有兩種方法進(jìn)行載流子注入退火處理，即光注入退火和電注入退火。393.3.5載流子注入退火再生技術(shù)40電注入退火：電注入退火是早期普遍采用的方法，其工藝是將200~400片電池片疊放在一起，在電極上加0.5~1xImpp的電流，在110℃左右的溫度下，退火70min。這一技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格便宜，功耗低，但是由于每片。電池的柵線電極的電阻及接觸電阻有差異，導(dǎo)致同樣的電流在每片電池上產(chǎn)生的載流子數(shù)量有差距，因而造成了再生效果有差別。41光注入退火：

光注入退火是一種隧道式爐體，隧道內(nèi)有光源照射到電池表面，一般采用LED光源，LED的輻照強(qiáng)度通常能達(dá)到一個(gè)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的光通量的20~40倍。輻照溫度在200℃左右，由于高光強(qiáng)和高退火溫度，因此處理時(shí)間可以減少到數(shù)分鐘。

這種處理工藝的均勻性要比電注入退火高很多。因?yàn)檫@種工藝的載流子是光照產(chǎn)生的，與接觸電極無(wú)關(guān)，這種處理方法很便捷，非常適合于大規(guī)模生產(chǎn)，與現(xiàn)有生產(chǎn)線的兼容性好。SHJ太陽(yáng)電池指硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其基本結(jié)構(gòu)是在n型晶體硅基體兩面上分別沉積不同摻雜類(lèi)型的非晶硅薄膜用以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由導(dǎo)電類(lèi)型相反的同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)，通常稱(chēng)為同質(zhì)結(jié)，如常規(guī)p型硅經(jīng)磷擴(kuò)散后形成的p-n結(jié)；如果結(jié)由兩種不同的半導(dǎo)體材料組成，則稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)，如p型Ge與n型GaAs構(gòu)成的p-n結(jié)。3.4SHJ太陽(yáng)電池42異質(zhì)結(jié)雖然由兩種不同的材料構(gòu)成，但這兩種材料的晶體結(jié)構(gòu)必須相同或相近，還要考慮晶格失配、熱失配和內(nèi)擴(kuò)散等因素的影響。晶格失配會(huì)在兩種材料的交界處產(chǎn)生懸掛鍵，晶格常數(shù)小的半導(dǎo)體材料中會(huì)出現(xiàn)一部分不飽和懸掛鍵。433.4.1SHJ太陽(yáng)電池的能帶特點(diǎn)圖3.24異質(zhì)結(jié)界面晶格失配如果不考慮接觸界面的復(fù)雜情況，異質(zhì)結(jié)的形成只與兩種不同材料的電子親合能、禁帶寬度和功函數(shù)有關(guān)，功函數(shù)受摻雜濃度影響。以突變反型異質(zhì)結(jié)為例，接觸前后能帶圖如3.25所示。

44圖3.25突變反型p-n異質(zhì)結(jié)形成前后平衡能帶圖異質(zhì)結(jié)因由兩種不同材料形成，在交界處能帶不連續(xù)、存在勢(shì)壘尖峰和勢(shì)阱，又由于晶格失配、熱失配或內(nèi)擴(kuò)散等原因，在界面處形成界面態(tài)和缺陷，能帶圖樣式較多，與之對(duì)應(yīng)的載流子的輸運(yùn)過(guò)程復(fù)雜多樣，電流-電壓關(guān)系也比同質(zhì)結(jié)復(fù)雜。針對(duì)不同的異質(zhì)結(jié)情況，有相對(duì)應(yīng)地電流輸運(yùn)模型，尚無(wú)統(tǒng)一的電流輸運(yùn)理論，譬如擴(kuò)散模型、發(fā)射模型、發(fā)射-復(fù)合模型、隧道模型和隧道-復(fù)合模型等。

45在傳統(tǒng)太陽(yáng)電池中，以p型硅為襯底。因此，使用p型單晶硅為襯底，在正面形成異質(zhì)結(jié)、背面形成背場(chǎng)和金半接觸的結(jié)構(gòu)被大量研究，如圖（b）所示。463.4.2SHJ太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)單面a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖襯底（a）n-c-Si（b）p-c-Si從能帶角度看，當(dāng)太陽(yáng)電池p-n結(jié)兩端的材料的接觸電勢(shì)差VD越大、內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，光生載流子越能有效的分離，就能獲得更大的開(kāi)路電壓。下圖給出了硅同質(zhì)結(jié)和硅反型異質(zhì)結(jié)形成之前的能帶圖。

47硅同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)形成之前能帶圖（a）p-c-Si/n-c-Si（b）p-a-Si:H/n-c-Si（c）n-a-Si:H/p-c-Si因此，非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池最終定型為p-c-Si/n-c-Si異質(zhì)結(jié)電池，并且具有雙面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖3.26所示。48圖3.26晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖49雙面異質(zhì)結(jié)電池的能帶圖3.27非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池能帶示意圖（a）n型硅襯底；（b）p型硅襯底SHJ電池制作工藝為制絨清洗、雙面非晶硅沉積、雙面透明導(dǎo)電氧化物沉積、雙面面金屬柵線印刷固化以及光注入退火增效，與同質(zhì)結(jié)硅電池相比工序較少，如圖3.28所示。503.4.3SHJ太陽(yáng)電池工藝圖3.28硅異質(zhì)結(jié)電池生產(chǎn)工藝

（1）清洗制絨目前主流清洗方式有兩種：RCA清洗和O3清洗。這兩種方法各有優(yōu)劣，產(chǎn)線采用RCA清洗較多?；镜墓杵逑粗平q工藝包括四大步驟，如圖3.32所示。51圖3-29SHJ電池清洗工藝

（2）非晶硅薄膜沉積目前非晶硅沉積主要有兩種工藝方法：HWCVD(熱絲化學(xué)氣相沉積)與PECVD。VHFCVD受限于駐波效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，產(chǎn)能會(huì)受一定的限制。目前量產(chǎn)基本采用PECVD，過(guò)程如圖334所示。52圖3-30非晶硅膜的沉積過(guò)程

（3）透明導(dǎo)電膜沉積

SHJ電池與硅同質(zhì)結(jié)電池相比，需要沉積TCO來(lái)輸運(yùn)電荷。目前主流TCO一般選用錫摻雜In2O3，TCO薄膜制備工藝中最常用的是磁控濺射技術(shù)（Sputter）和反應(yīng)等離子體沉積（reactiveplasmadeposition，RPD）鍍膜兩種方式。53圖3-31

TCO膜磁控濺射原理反應(yīng)等離子體沉積原理：

采用直流電弧離子鍍膜方式。氬等離子體槍產(chǎn)生的等離子體進(jìn)入生長(zhǎng)腔室后，由磁場(chǎng)引導(dǎo)轟擊靶材，靶材升華產(chǎn)生的氣體再沉積到襯底上。54圖3-32

反應(yīng)等離子體沉積離子反應(yīng)鍍膜原理

（4）電極制作與硅同質(zhì)結(jié)電池的電極相比，區(qū)別在于異質(zhì)結(jié)電池的摻雜非晶硅膜對(duì)高溫特別敏感，溫度超過(guò)250℃性能會(huì)大幅度退化，所以收集電流的電極材料是在低于200℃以下的溫度下烘干固化低溫導(dǎo)電銀漿。55

異質(zhì)結(jié)電池的銀漿耗量較高，導(dǎo)致成本過(guò)高，影響了其發(fā)展。隨著多主柵封裝技術(shù)出現(xiàn)，或電鍍技術(shù)的突破，未來(lái)異質(zhì)結(jié)電池有望解決成本過(guò)高問(wèn)題。（1）高轉(zhuǎn)換效率：由于異質(zhì)結(jié)接觸電勢(shì)差遠(yuǎn)高于普通電池，量產(chǎn)最高效率達(dá)到26.5%。（2）低溫度系數(shù)：SHJ電池的溫度系數(shù)約為-0.28/℃。（3）光照穩(wěn)定性好：SHJ電池一般采用n型硅片作為襯底，在光照一段時(shí)間后不會(huì)有B-O復(fù)合對(duì)引起的光致衰減問(wèn)題。（4）低溫工藝：SHJ電池中，TCO導(dǎo)電膜層使得雜質(zhì)濃度和導(dǎo)電性的分離，載流子橫向輸運(yùn)過(guò)程中的損耗低于同質(zhì)結(jié)。（5）雙面發(fā)電：SHJ電池結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，正反面受光后都能發(fā)電563.4.4SHJ太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)TOPCon太陽(yáng)電池指隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)電池，其主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在硅基體背表面采用超薄氧化膜疊加重?fù)诫s多晶硅薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成鈍化接觸。在PERC太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，為了有效地收集背面的光生載流子，通常需要采用激光技術(shù)在背面沉積的疊層SiNx鈍化膜上進(jìn)行局部開(kāi)槽，然后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬化電極用于導(dǎo)出電流。3.5TOPCon太陽(yáng)電池57圖3.33展示了兩種常見(jiàn)的TOPCon太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)。這兩種TOPCon太陽(yáng)電池最核心的結(jié)構(gòu)都是位于晶體硅太陽(yáng)電池背面的鈍化接觸層，即一個(gè)由超薄隧穿氧化層和重?fù)诫s多晶硅組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。583.5.1TOPCon太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及原理圖3-33TOPCon太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖（a）單面（b）雙面59TOPCon結(jié)構(gòu)不同材料協(xié)同作用以及鈍化接觸機(jī)理（1）使用SiO2材料作為晶體硅和摻雜多晶硅間的隔離層。SiO2材料是硅的天然氧化物，優(yōu)異的晶格匹配帶來(lái)了高質(zhì)量的界面特性，可以有效填補(bǔ)晶體硅硅表面的懸掛鍵和缺陷，實(shí)現(xiàn)極佳的表面鈍化性能。（2）光生載流子通過(guò)SiO2層的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，由于中間SiO2隔離層的厚度極薄（小于<2nm），光生多數(shù)載流子有較高的幾率以量子共振隧穿機(jī)制從吸收器透射過(guò)SiO2層，并被重?fù)诫s的多晶硅層收集、輸送到金屬電極。60（3）重?fù)诫s氫化多晶硅的作用：為了重排硅表面的自由電子和空穴的濃度分布，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)鈍化的作用，超薄SiO2層上的氫化多晶硅層應(yīng)該有足夠高的雜質(zhì)凈摻雜。

由于雙面太陽(yáng)電池背面能夠吸收地面反射光與漫射光，可進(jìn)一步提高光伏發(fā)電效益，這也逐漸成為各類(lèi)商業(yè)化晶體硅太陽(yáng)電池的主流技術(shù)路線。圖3-34隧穿鈍化接觸結(jié)構(gòu)的TEM圖像商業(yè)化主流的n-TOPCon太陽(yáng)電池制備流程中常用到的工藝如圖3.35所示。613.5.2TOPCon太陽(yáng)電池工藝圖3-35TOPCon太陽(yáng)電池工藝流程示意圖

62

第二步，停止BBr3的通入，提高腔室溫度到1000℃左右，以有限表面源擴(kuò)散的方式，高溫和表體濃度差驅(qū)動(dòng)著硼原子以間隙式擴(kuò)散的方式向內(nèi)部遷移，形成具有一定摻雜濃度和深度的pn結(jié)，這一步稱(chēng)為推結(jié)過(guò)程。6364

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66圖3-36ALDSiO2薄膜沉積原理67研究人員開(kāi)發(fā)出兩種在TOPCon結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的技術(shù)路線。其一是時(shí)間分離性管式PEALD設(shè)備。另一種是空間分離性ALD設(shè)備，即硅片在一系列鏈?zhǔn)脚挪嫉那皇抑型ㄟ^(guò)，每一個(gè)腔室充斥著不同的反應(yīng)氣體，包括HSi(CH3)3和O2。圖3-37空間隔離型ALD設(shè)備運(yùn)行68多晶硅薄膜沉積方法按硅烷分解方式可以分為兩類(lèi)，其一是熱分解硅烷的鍍膜技術(shù)；其二是等立體輔助分解硅烷的鍍膜技術(shù)。按照腔室加熱方式分為熱壁技術(shù)和冷壁技術(shù)。表3-1不同種類(lèi)多晶硅薄膜沉積技術(shù)的特性比較技術(shù)類(lèi)型最大沉積速率（?/s）優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)LPCVD0.8（本征）；0.5（摻雜）工藝成熟、控制容易難以原位摻雜，有繞鍍，石英件沉積嚴(yán)重PECVD微波法100沉積速率高、可原位摻雜、無(wú)繞鍍、冷壁難以沉積超薄SiO2、非晶硅膜含氫量高、維護(hù)成本高管式3原位摻雜、無(wú)繞鍍熱壁導(dǎo)致石英管沾污、非晶硅膜含氫量高板式3原位摻雜、無(wú)繞鍍、冷壁非晶硅膜含氫量高、易出現(xiàn)爆膜、維護(hù)成本高管式PEALD>1.67原位摻雜、繞鍍小、SiO2膜質(zhì)量高熱壁導(dǎo)致石英管和石墨舟沾污、含氫量高、易爆膜PVD3原位摻雜、輕微繞鍍、冷壁技術(shù)成熟度有待驗(yàn)證

（3）前表面鈍化及減反射背面TOPCon結(jié)構(gòu)制備完成后，為了抑制硼發(fā)射極表面的載流子復(fù)合和光學(xué)反射，通常會(huì)在正面連續(xù)進(jìn)行原子層沉積(ALD)Al2O3薄膜與PECVDSiNx:H薄膜的沉積。

具體步驟為：

將去除繞鍍多晶硅的硅片清洗干凈，插入到ALD設(shè)備的石墨舟上。采用三甲基鋁(TMA)和水(H2O)分別作為鋁和氧的前驅(qū)體源，在250℃的腔室環(huán)境中進(jìn)行熱ALDAl2O3薄膜的生長(zhǎng)。69

7071覆蓋在ALDAl2O3表面SiNx:H薄膜的作用：

（1）利用SiNx:H薄膜中大量的H原子，在480℃的沉積溫度下，H原子擴(kuò)散到Al2O3/Si的界面處，增強(qiáng)化學(xué)鈍化效果。（2）通過(guò)調(diào)整SiNx:H薄膜沉積過(guò)程中的反應(yīng)氣體比例、時(shí)間等參數(shù)，來(lái)控制SiNx:H薄膜的折射率梯度與厚度分布。合理的折射率和厚度的設(shè)計(jì)可大幅降低前表面反射率。TOPCon太陽(yáng)電池的研發(fā)重點(diǎn)主要分兩個(gè)方向：（1）提高背面TOPCon結(jié)構(gòu)的表鈍化質(zhì)量

①優(yōu)化隧穿SiO2層的鈍化質(zhì)量和隧穿電流密度。②優(yōu)化摻雜多晶硅層的鈍化質(zhì)量。③加強(qiáng)TOPCon結(jié)構(gòu)的鈍化性能。（1）正面的改善

①降低正面復(fù)合速率。②增強(qiáng)正面光學(xué)吸收。723.5.3TOPCon太陽(yáng)電池發(fā)展方向光伏組件是太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)封裝工藝加工而成。封裝除了可以保證光伏組件具有一定的機(jī)械強(qiáng)度外，還具有絕緣、防潮、耐候等方面的作用，具體包括以下幾個(gè)方面：（1）足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能抵抗風(fēng)沙及冰雹，能在運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)受震動(dòng)和沖擊。（2）良好的絕緣性，確保組件在雷雨天氣不被雷電擊穿。（3）良好的密封性，能夠保護(hù)組件抵抗水汽、潮氣的侵入。3.6光伏組件技術(shù)73常規(guī)晶體硅光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-38所示，采用密封材料（EVA）將上蓋板（光伏玻璃）與太陽(yáng)電池和下蓋板（光伏背板）粘結(jié)在一起，周邊采用鋁邊框加固，背面安裝接線盒。743.6.1組件工藝流程圖3-38晶體硅光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖晶體硅光伏組件常規(guī)生產(chǎn)工藝流程如圖3-39所示。在整個(gè)工藝流程中，電池的焊接和層壓是最關(guān)鍵的兩個(gè)工序，它們直接影響光伏組件的成品率、輸出功率和可靠性。75圖3-39晶體硅光伏組件生產(chǎn)工藝流程晶體硅光伏組件生產(chǎn)工藝流程：

（1）電池片分選：根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行再次分選，將性能一致或相近的電池組合在一起，以提高組件輸出功率。

（2）單片焊接：將焊帶焊接到電池正面的主柵線上，以準(zhǔn)備與其它電池串焊。焊帶為鍍錫銅帶。（3）串焊：串焊是指將若干焊接好的單個(gè)電池片從背面互相焊接成一個(gè)電池串。通常是10片或12片為一串。（4）層疊：將一定數(shù)量的電池串串聯(lián)成一個(gè)電路并引出正負(fù)電極，并將電池串、背板、EVA和玻璃按照順序疊放。76（5）層壓：將層疊好的組件放入層壓機(jī)內(nèi)，通過(guò)抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化，熔融的EVA在擠壓的作用下，流動(dòng)充滿玻璃、電池片和背板之間的間隙，同時(shí)排出中間的氣泡，從而將電池、玻璃和背板粘接在一起。

（6）修邊：層壓時(shí)EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢后應(yīng)將其切除。（7）裝框：給組件安裝鋁邊框可以增加組件的強(qiáng)度。邊框與組件間的縫隙用硅膠填充，進(jìn)一步密封組件，延長(zhǎng)組件的使用壽命。77（8）安裝接線盒：將組件背板的引出線連接到接線盒里對(duì)應(yīng)的正負(fù)極，并把接線盒粘結(jié)在背板上。在接線盒中安裝有旁路二極管，有效緩解了熱斑效應(yīng)對(duì)整個(gè)組件性能造成的影響。

（9）檢測(cè)：使用光伏組件模擬器對(duì)光伏組件的電性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為標(biāo)準(zhǔn)條件，即；AM1.5，25℃，1000W/m2。高壓測(cè)試是在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測(cè)試組件的耐壓性和絕緣強(qiáng)度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。

78光伏組件封裝材料主要包括涂錫焊帶、光伏玻璃、密封材料、光伏背板、鋁邊框、密封膠和接線盒等。（1）涂錫焊帶

太陽(yáng)電池之間連接采用涂錫銅帶，根據(jù)不同使用功能分為互聯(lián)條和匯流條。互聯(lián)條主要用于單片電池之間的連接。匯流條則主要用于電池串之間的相互連接和接線盒內(nèi)部電路的連接。焊帶一般都是以純度大于99.9%的銅為基材，表面鍍一層10~25μm的錫鉛合金，以保證良好的焊接性能。793.6.3組件封裝材料（2）助焊劑

當(dāng)涂錫銅帶暴露于空氣中時(shí)，表面會(huì)氧化產(chǎn)生氧化物。因此焊帶使用前需去除氧化物，同時(shí)保證焊帶表面不會(huì)再次氧化。（3）光伏玻璃

光伏玻璃位于組件正面的最外層，在戶