SE選擇性發(fā)射極晶體硅太陽(yáng)能電池

1、選擇性發(fā)射極晶體硅太陽(yáng)能電池1、概論所謂選擇性發(fā)射極(SE-selectiveemitter)晶體硅太陽(yáng)能電池，即在金屬柵線(電極)與硅片接觸部位進(jìn)行重?fù)诫s，在電極之間位置進(jìn)行輕摻雜。這樣的結(jié)構(gòu)可降低擴(kuò)散層復(fù)合，由此可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，使得短路電流、開(kāi)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(yáng)能電池的概念由來(lái)已久。早在1984年Schroder就全面綜述了硅太陽(yáng)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(duì)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(yùn)用在高效晶體硅太陽(yáng)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(dá)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(méi)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(lái)隨著激光、精準(zhǔn)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(kāi)始興起，例如無(wú)錫尚德研發(fā)的Pluto電池，平均效率已達(dá)18.5%。國(guó)外先進(jìn)的太陽(yáng)能電池設(shè)備商，如Centrotherm、Schmidt、Roth&Rau等也開(kāi)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(diǎn)，并結(jié)合這些turnkey生產(chǎn)線工藝，重點(diǎn)分析幾種SE一次擴(kuò)散法的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望。2、選擇性發(fā)射極太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)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(yáng)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(kāi)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(huì)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(kāi)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(jìn)行重?fù)诫s，在電極之間位置進(jìn)行輕摻雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池n+擴(kuò)散層一般在40-50Q/sqr,而SE結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的淺擴(kuò)散方阻一般在80-100Q/sqr，在電極下的重?fù)椒阶鑴t低于40Q/sqr。這樣的結(jié)構(gòu)有

4、以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：降低串聯(lián)電阻，提高填充因子太陽(yáng)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(kuò)散層薄層電阻、硅片體電阻、背電極接觸電阻和背場(chǎng)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(kuò)散層薄層電阻對(duì)串聯(lián)電阻貢獻(xiàn)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(shì)壘(barrierheight)和表面摻雜濃度(Nd)有關(guān)，勢(shì)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(shí)，Auger復(fù)合是半導(dǎo)體中主要的復(fù)合機(jī)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(kuò)散可以有效減少載流子在擴(kuò)散層橫向流動(dòng)

5、時(shí)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(kāi)路電壓對(duì)于AM1.5G而言，約20%能量的入射光的吸收發(fā)生在擴(kuò)散層內(nèi)，所以淺擴(kuò)散可以提高這些短波段太陽(yáng)光的量子效率，提高短路電流；同時(shí)，由于存在一個(gè)橫向的(n+-n+)高低結(jié)，和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，還可提高開(kāi)路電壓。3、一次擴(kuò)散SE太陽(yáng)電池制備方案過(guò)去制備SE太陽(yáng)電池常采用二次擴(kuò)散的方法，重?cái)U(kuò)散和淺擴(kuò)散分兩次進(jìn)行，工藝步驟比較復(fù)雜而且給硅片帶來(lái)的熱損傷較大，尤其對(duì)于多晶硅影響更嚴(yán)重。目前，多晶硅太陽(yáng)電池占據(jù)市場(chǎng)份額越來(lái)越大，單步擴(kuò)散法制備SE也應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)掩

6、膜等工藝可在一次熱擴(kuò)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(kuò)散印刷法燒結(jié)SP前背電極、背場(chǎng)鍍膜去刻邊此為Centrotherm的turnkeyline制備方案。該方案要點(diǎn)是，在清洗制絨后通過(guò)熱氧生長(zhǎng)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(kāi)槽，再用弱堿清洗激光損傷層。這樣，在擴(kuò)散時(shí)，沒(méi)有開(kāi)槽的區(qū)域由于氧化層的阻擋作用形成淺擴(kuò)，開(kāi)槽的區(qū)域形成重?cái)U(kuò)。根據(jù)公開(kāi)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(dá)18%。該方案的優(yōu)點(diǎn)是增加設(shè)備較少，步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，要解決的主要問(wèn)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(kāi)槽所帶來(lái)?yè)p傷層，需清洗干凈?？捎闷渌_(kāi)槽方式代替激光，如絲網(wǎng)印刷刻蝕膏，或材料打印機(jī)打印刻蝕液（氟化銨）等；二、硅片需經(jīng)歷氧化和擴(kuò)散兩次高溫過(guò)程，高溫?fù)p傷比常規(guī)片要大，對(duì)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?yàn)檫@直接影響到n+層的擴(kuò)散質(zhì)量；四、需解決絲網(wǎng)印制的精確對(duì)位，對(duì)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(kuò)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(diǎn)是:分別處理前后電極，淺擴(kuò)散（100-120Q/sqr）和鍍膜后先絲網(wǎng)印刷

8、鋁背場(chǎng)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(jìn)行開(kāi)槽并摻雜，形成方阻約20Q/sqr的局域重?fù)絽^(qū)最后利用光誘導(dǎo)電鍍（LIP-lightinducedplating）在這些重?fù)絽^(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(guò)19%，衰減后的平均效率可達(dá)18.5%。該電池的優(yōu)勢(shì)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(kuò)散超過(guò)100Q/sqr的淺結(jié)，這樣既提高了Voc和lsc,又能保證FF不會(huì)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(wú)需高精度的絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行二次對(duì)位需要解決的問(wèn)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(kāi)槽又要形成重?fù)剑⒈ＷC一定的表面摻雜濃度（較小的接觸電阻），激光的波長(zhǎng)、脈沖頻率和功率都需仔細(xì)權(quán)衡，并且穩(wěn)定控制才能達(dá)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(guò)一道低溫?zé)Y(jié)工序，這一燒結(jié)工藝也需控制得很好。因?yàn)楦鶕?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(huì)造成燒穿p-n結(jié)漏電（溫度過(guò)高）或接觸電阻過(guò)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(méi)有很好的解決方案，通過(guò)改進(jìn)電鍍電解液來(lái)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(kuò)散去P2刻邊鍍SINx膜LIP電鍍AG燒結(jié)EP前背電極、背場(chǎng)此方案是針對(duì)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(xì)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(shí)能擴(kuò)散入Si形成重?fù)?；inkjetprinting印刷約30-50m的細(xì)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(xì)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(kuò)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(duì)柵線進(jìn)行增厚，也需解決電鍍Ag與焊接帶之間粘合力較小的問(wèn)題。另外，inkjetprinting和LIP等這些新的印刷設(shè)備成本都較高，風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)于產(chǎn)業(yè)也是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。激光PSG摻雜一印刷法清洗制絨P0CL3擴(kuò)散黴光摻雜（PSG）去P曲、刻辺燒結(jié)SP前背電極、背場(chǎng)鍍呂Ibfe膜此方案為Manz正在研發(fā)的一條SE路線，其要點(diǎn)是：（1）使用擴(kuò)散時(shí)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(duì)線間距的限制，淺擴(kuò)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(diǎn)是工藝步驟少，除激光外無(wú)需增加其他設(shè)備，但和方案二一樣，需解決的主要問(wèn)題是：（1）激光摻雜的工藝控制，為了同時(shí)達(dá)到減小接觸電阻和避免漏電的目的，激光摻雜重?fù)絽^(qū)域?qū)诫s均勻性要求較高；（2）絲網(wǎng)印刷二次對(duì)位精度要求較高。蓿洗制絨P0CL3擴(kuò)散柵線掩膜返刻法SP前背電極、背場(chǎng)燒結(jié)、此為Schmidt的turnkeyline制備方案。該方案要點(diǎn)是：（1）使用inkjetprinting方法在重?cái)U(kuò)硅片（約40Q/sqr）

13、上打印與前柵線圖案一樣的有機(jī)材料掩膜（約300nm寬）作為腐蝕阻擋層，在HF/HN03腐蝕液中對(duì)掩膜外的重?cái)U(kuò)區(qū)域進(jìn)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(dá)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(lái)增厚，效率可進(jìn)一步提高到18.5%以上。此方案的優(yōu)點(diǎn)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(wèn)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(guò)度造成橫向擴(kuò)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(jī)打印液態(tài)石蠟等。后期絲網(wǎng)印刷的二次對(duì)位精度要求較高。印刷磷源單步擴(kuò)散法燒結(jié)SP前背電極、背場(chǎng)鍍SiNx膜燒結(jié)SP前背電極、背場(chǎng)鍍宙bfe膜此工藝路線的要點(diǎn)是：絲網(wǎng)印刷磷源，通過(guò)高溫加熱進(jìn)行擴(kuò)散，在與柵線接觸位置形成重?fù)剑谄渌恢眯纬奢p摻。在擴(kuò)散均勻性控制較好的前提下，效率也可達(dá)18.5%以上。該方案的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，不需要增加額外的設(shè)備；但一個(gè)難點(diǎn)是如何調(diào)整擴(kuò)散工藝，使得在重?fù)皆锤街诠杵?/p>