前瞻晶体硅太阳能电池未来产业化——高效N型背结前接触和背结背接触晶体硅太阳能电池

摘要 
文章综述了N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池的研究和产业化的最新进展。从原理上阐述了N型背结背接触电池高效率的原因。从研究的角度，综述和点评了国际上个研究小组在N型背结前接触晶体硅电池方面的研究工作。论述了丝网印刷Al烧结法制备N型背结背接触电池方面的研究进展。 

关键词 ：N型晶体硅，背结背接触，背结前接触，丝网印刷Al烧结，太阳能电池 

0 引言 
截至目前，世界上量产转化效率超过20%的电池有两种，均制备在磷(P)掺杂的N型单晶硅衬底上。2010年，美国SunPower公司的D. D. Smith 等人成功实现了面积为125×125 mm 2 的N 型背结背接触(Back-junction Back-contact)单晶硅太阳能电池，其转化效率高达24.2%。这成为了目前世界上量产效率最高的晶体硅电池结构之一。另一种 N 型电池是日本 Panasonic公司的HIT(Hetero-junction Intrinsic Thin-film)电池，量产转化效率为 23%。展望未来，转化效率超过 20%的N型晶体硅电池已成为传统晶体硅太阳能电池的发展趋势，是当今国际研究和产业化的前沿。 

本文旨在综述N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池的研究和产业化的最新进展。从原理上阐述N型背结背接触电池高效率的原因。从研究的角度，综述和点评了国际上个研究小组在N型背结前接触晶体硅电池方面的研究工作。论述了Al推进法制备N型背结背接触电池方面的研究进展。采用成本和效率两个衡量标准考量这一技术方案的应用前景。并对未来进一步提高N型晶体硅电池的转化效率给出了建议。 

1 N 型背结背接触晶体硅电池高转化效率机理 
首先，与掺硼(B)的P型晶体硅材料相比，掺磷(P)的N型晶体硅材料具有如下优势：（1）N型材料中的杂质（如一些常见的金属离子）对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获能力。（2）选用掺磷的N型硅材料形成的电池则没有光致衰减效应的存在。因此，N型晶体硅电池的效率不会随着光照时间的加长而逐渐衰减。（3）N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率。因此，采用N型晶体硅材料少子空穴的复合将远低于P型材料中的少子电子的复合。上述三大优势是 N 型晶体硅电池获得高转化效率的前提。

其次，背结背接触也是此类电池的另一重要特征。与传统的常规电池相比，背结背接触电池具有：（1）受光面无电极遮挡损失。（2）背电极优化使得电池的串联电阻提高。因此可进一步优化电极宽度从而达到提高串联电阻的目的。（3）提供更好的优化前表面陷光和实现极低反射率的潜力。 

2 高效率 N 型背结前接触太阳能电池的研究 
在N型晶体硅太阳能电池中，背结前接触电池是目前较容易产业化的方向之一，如图1所示。早在 2009 年，荷兰国家能源研究中心(ECN)采用液态 B 扩散技术在 N 型太阳能级衬底上形成背部p 型发射极，并实现了N型 125×125cm 2电池片的规模化生产。然而，采用液态B扩散技术存在着扩散温度过高(950～1000oC)，扩散均匀性差，表面掺杂浓度低不易形成很好的电极接触等诸多问题。因此，研究人员开始寻求其他形成pn结的技术用来替代液态B扩散，制备N型高效电池。 

Al烧结技术在P型晶体硅电池中被广泛应用于形成铝背场，是产业化中非常成熟的技术之
一，它采用了丝网印刷Al浆烧结形成pn结。丝网印刷机和高温烧结炉都是目前p型晶体硅电池生产所采用的设备，因此和目前生产线具有完全的兼容性。此外，该工艺还具有制备工艺步骤少的特点，和液态B扩散相比具有相当的成本优势，具有很好的产业化应用前景。然而，将丝网印刷Al浆烧结工艺用在N型电池中形成p型发射极还处在研究阶段。在工艺条件优化方面还存在很多有待解决的问题，因此，国际上不少研究机构都开展了相应的前沿研究。 


图 1：N型背结前接触太阳能电池结构示意图 

2.1 德国弗朗霍夫太阳能研究所 (Fraunhofer ISE, German) 

对于丝网印刷Al浆烧结工艺形成p型发射极及其在高效N型电池应用方面，德国弗朗霍夫太阳能研究所开展了大量的研究工作。2008 年，该研究所的Christian Schmiga等人在 EUPESEC大会上发表了采用Al推进技术制备N型背结前接触电池的计划，其效率预计会突破 20%。在背结前接触N型高效电池中大多采用n + np +结构，前表面采用P扩散的方式形成n +浅表面场，扩散后的方块电阻达到：120Ω／□。注意到在Al推进形成N型电池的发射极工艺方面，高温链式烧结后，背发射极表面的Al浆料和Al-Si共晶层被浓HCl和KOH溶液腐蚀去掉。通过该工艺优化了背发射极表面的掺杂浓度达到10 19 cm -3，通过随后生长的叠层介质膜钝化发射极表面降低复合。除此之外，丝网印刷用的Al浆料成分、厚度、质量等，还有随后的烧结条件都需要特别的优化和设计以确保N型背发射结的特性。 

2009年第24届 EUPVSEC 大会上，Christian Schmiga等人报道了大规模生产的面积为148.5 cm 2的N型背结前接触电池，量产转化效率达到18.2%。该电池仍然沿用了丝网印刷Al浆料高温烧结形成p型发射极技术。前表面的电极则是采用气溶胶印刷种子层然后电镀实现的。同年，该研究所的Michael Rauer等人发表文章分别研究了该电池的两大关键技术：Al推进形成p型发射结的优化和发射极的表面钝化优化。文章重点研究了在丝网印刷Al高温烧结后形成的发射极表面采用Al2O3和氢化非晶硅(a-Si:H)钝化薄膜的特性。该文章认为烧结峰值温度的持续时间极大影响了p型发射极的特性，时间过长或过短都不能形成完美的pn结，并且指出当烧结峰值时间增加时，结深会随之增加，最终背结前接触电池的开路电压则表现出下降的趋势。实验证明采用DuPont PV322 的Al浆料经烧结后的Al-p型发射极结深为3 µm，在经过Al2O3钝化后的开路电压达到685mV。2011年，该研究小组的Robert Woehl等人通过测试发射极饱和电流密度的方式进一步研究和优化了丝网印刷Al高温烧结形成p型发射极的特性。 

N型背结前接触电池的受光面(前表面)存在一个n + /n结(前表面场)。它的掺杂浓度和结深无法形成很好的欧姆接触，导致串联电阻增加影响最终的填充因子和转化效率。2010 年，德国ISFH的Robert Bock等人首次引入了电极下方的高掺杂区以解决此问题。随后，弗朗霍夫研究所的Marc Rudiger 等人也采纳了该方案，开展了相关研究。 

2.2 中国科学院微电子研究所太阳能电池研究中心 
从2009年，中国科学院微电子研究所利用自主研发的铝浆料，通过链式烧结炉推进形成Al-p +发射极。在N型太阳能级硅衬底上制备了背结前接触太阳能电池。目前，已研发了四代N型高效背结前接触太阳能电池，开路电压达到620mV。此外，从机理上通过模拟研究了优化该电池结构的方案，并通过改变烧结条件和丝网印刷铝浆的质量研究了对电池的影响。图2展示了我所太阳能研究中心研制的高效N型背结前接触太阳能电池。 



图2: 中科院微电子研究所太阳能研究中心采用Al推进法形成p型发射极，研制的高效N型背结前接触太阳能电池 

3 高效N型插指背结背接触(Interdigitated Back Contact Solar Cell, IBC)太阳能电池的研究

N型插指背接触太阳能电池的所有电极完全分布在电池的背面，受光面没有任何电极。和传统 P 型晶硅电池相比，IBC电池完全消除了遮光损失，电池的光吸收特性可进一步得以优化。除此之外，这一特点也为电极的接触特性提供了优化的空间，IBC电池的串联电阻普遍低于传统电池。因此，IBC电池在光吸收和电极接触特性两个方面都优于P型晶体硅电池，是目前效率突破20%的N型高效电池结构之一(美国的SunPower公司于2011年报道了产业化的N型高效IBC电池，转化效率达到22.4%)。 

目前，在IBC电池中用于形成pn结的工艺主要有：液态B扩散、丝网印刷Al烧结、B离子注入等。下表1总结了这三种工艺的研究和产业化前景。从表1分析可以看出，目前已经用于产业化初步生产的是液态B扩散技术。然而，丝网印刷Al烧结形成pn技术的成本最低，也是最接近产业化的技术。对于丝网印刷Al烧结技术如果能够将最终IBC电池的效率提高到20%以上则非常具有产业化前景。因此，国际相关研究机构也纷纷将研究的重点集中在了采用丝网印刷Al烧结技术形成p型发射极上，此方面的典型代表为美国佐治亚理工大学。此外，在IBC电池的研究和产业化方面比较突出的研究机构有：德国的弗朗霍夫、ISFH 研究所、比利时IMEC等。但是，每个研究所的研究侧重点有所不同，各具特色，从中可以了解到丝网印刷Al烧结技术在IBC电池方面的应用现状和未来产业化前景。 

3.1 美国佐治亚理工大学光伏研究与教育中心 

美国佐治亚理工大学光伏研究与教育中心早在2001年便开展的了关于丝网印刷Al形成p型发射极的研究工作了，是国际上开展此项研究工作较早的机构之一，工作非常系统。但是，遗憾的是该研究组并没有开展Al-p+型发射极的IBC电池的应用研究。研究的方向主要有两个：1、不同的烧结峰值温度和丝网印刷Al层厚度对Al-p+发射极的结深和均匀性的影响。在V. Meemongkolkiat等人发表的文章中给出了形成p型发射极所需要的烧结温度和丝网印刷Al层厚度。并通过实验系统的研究了对传统P型晶体硅电池的开路电压的影响。随着Al层厚度的增加，峰值烧结温度的降低，最终电池的开路电压随之增加，最高值可达到634 mV。 

该研究小组还研究并发表了绒面和非绒面上进行丝网印刷Al浆料后烧结形成p型发射极的对比数据。从对比结果看在绒面上，电池的开路电压会受到烧结工艺的影响，但是在非绒面的衬底上这种影响就可忽略不计。这为随后的IBC电池的特性优化提供了实验依据。 

3.2 德国弗朗霍夫太阳能研究所 (Fraunhofer ISE, German) 

早在2008年，F. Granek等人在第23届EUPVSEC大会上就公布了采用液态B扩散技术形成的N型IBC电池，制备在N型FZ衬底上的IBC电池实验室效率高达21.3%。早在当时该研究所已经掌握了N型IBC电池高效率的关键技术和核心。文章指出：前表面场的表面掺杂和浓度分布、发射区的面积比例、p型发射极的掺杂浓度和分布是优化电池效率的关键。除此之外，N型单晶硅衬底的少子寿命和表面复合速率、背表面pn结的钝化和隔离、电极的高温烧结等也是保证高效率必不可少的因素。二维Mapping光电转化效率测试(LBIC)表明：发射极具有很高的量子效率，在电池背部应增加发射极的面积，但应该和图形的周期对应共同优化。2011年，J. Krause等人系统的研究了丝网印刷Al烧结形成p型发射极，试图将丝网印刷技术应用于IBC电池的p型发射极的形成工艺中。该研究系统的分析了Al在高温烧结过程中与Si的反应过程，进而研究了烧结条件如：Al 丝网印刷层的厚度、峰值烧结温度、带速等对p型结深的影响。通过电化学电容-电压(ECV)测试出结深和表面浓度的变化规律。 

随后，R. Woehl 等人采用丝网印刷Al烧结工艺在N型FZ单晶硅衬底上制备了适合大规模量产的IBC电池，面积为16.65cm2的电池的转化效率为19.7%。N型FZ单晶硅衬底的厚度为190 µm。整个工艺流程共12步，采用和产业化兼容的设备完成。注意到：IBC电池最终的p型发射极和n型电极接触是通过共烧结完成的，极大节省了工艺步骤。由于IBC电池多采用插指结构，n型电极(Ag 浆料)和p型电极(Al浆料)交叉分布在电池的背表面。需采购可精确对准的丝网印刷机完成n和p电极的两次印刷。在成本控制方面，除了常规P型晶硅电池的设备外，一条采用丝网印刷Al烧结技术形成p型发射极的50MW插指背接触IBC电池生产线，还要添置图形化烧蚀SiN x的激光设备，或者研制低成本适合丝网印刷的抗HF酸腐蚀剂。完成电池后的总工艺步骤可以控制在10步之内，最终产业化电池的转化效率有望突破20%。 

3.3 德国ISFH研究中心 (Institute fur Solarenergieforschung Hameln,German ) 

德国ISFH研究中心的R. Bock 等人在2010年宣布了采用丝网印刷Al烧结形成的p型发射极的N型IBC电池，N型单晶CZ硅(厚度：150 µm)的IBC电池的转化效率达到19.0%。在该文章中，作者经过二维数学模拟得到采用此技术的IBC 电池的最终极限转化效率可高达21.6%。前表面场采用热氧化的SiOx 和PECVD生长的SiNx钝化，背表面则采用两种钝化方案：1、SiOx (10nm)/SiNx(150nm) 2、AlOx (20nm)/SiNx (150nm)。为了实现产业化他们尝试了采用皮秒激光器选择性的腐蚀掉SiN层，取代了成本很高的光刻技术。该电池的结构示意图如图3所示。


图3：ISFH面积为3.97cm 2的IBC电池结构图 

R．Bock等人早在2008年就已经深入研究了丝网印刷Al烧结形成的Al-p+型发射极。采用了如二次离子质谱仪(SIMS)、电化学电容-电压(ECV)和扫描电子显微镜(SEM)研究了Al在高温烧结后硅界面的形貌以及硅表面的p型发射极的结深。该研究论文首次观察到了在高温烧结后的硅表面形成了类似小金字塔形状的尖峰，进一步对这一尖峰进行观察发现外层被100～200nm的硅层覆盖，内部则完全是Al内核。 

该研究小组还非常关注丝网印刷烧结形成的Al-p+型发射极的表面钝化的优化工作。通过发射区饱和电流研究了非晶硅钝化的Al掺杂的p型发射极的钝化特性。研究小组对高温烧结后，通过去除表面残余的Al浆料，然后去除Al-Si共晶层后的表面采用PECVD沉积20nm的非晶硅层钝化，得到了490±120 fA/cm2的发射极饱和电流。该钝化方案有望进一步提高IBC电池的开路电压。 

3.4 比利时微电子研究中心(IMEC, Belgium) 

比利时微电子研究中心主要从科研角度，以高效率作为目的，采用不被产业接受的高成本技术，如光刻、电子束蒸发等方法制备丝网印刷Al烧结p型发射极的IBC电池，这成为IMEC不同于德国研究机构的特点。2010年，龚春(Chun Gong)等人在N型300 µm厚度的CZ硅衬底上制备了面积为4.5cm2的Al-p+发射极IBC电池，效率达到19.1%。在发表的文章中，系统的研究了IBC电池中的前表面场对电池的特性影响(不同的表面掺杂浓度和杂质分布，如图4所示)。从效率的对比试验结果发现：第三组样品的前表面场(表面掺杂浓度：1×10 19 cm -3，结深：0.5µm)IBC电池的效率最高，主要原因是短路电流提高，其最高值可达到39.3mA/cm2。除此之外，本文还研究测试了发射区的光电转化效率，结果表明发射区的转化效率较基区高，因此在设计中应该尽量增加发射区的比例，从而得到更高的短路电流。 


图 4：前表面场的SIMS纵向掺杂浓度分布 

值得注意的是：在IBC电池的制备过程中，该研究小组使用了微电子工艺如：分别在定义n型区域和电极的形成工艺两次用到了光学光刻。这是处于保证较高效率的需要，但是同时带来了产业化成本升高的弊端。此外，该研究组的S. Singh等人试图进一步改善Al-p+型发射极的均匀性，尝试在丝网印刷Al浆料之前，采用磁控溅射或电子束蒸发法形成一层2 µm的Al层。SEM表明这种工艺优化在烧结后会改善pn结的均匀性，从而防止漏电通道，最终提高开路电压。 

3.5 中科院微电子研究所太阳能研究中心 

中国科学院微电子研究所太阳能研究中心采用链式烧结炉推进形成Al-p+发射极。在N型太阳能级硅衬底上制备了插指背接触(IBC)太阳能电池。通过对 N 型单晶硅材料的选择(Sp、τ eff )，前表面光吸收和前表面场优化，前表面浮结的表面钝化，PN结特性的优化，N区的欧姆接触特性的优化，背表面发射区和基区图形的优化，后表面P区和N区的表面钝化和隔离等上述七大优化的研究，提高了IBC电池的转化效率。此外，还开展了B扩散技术、离子注入技术形成p型发射极的IBC电池的研究。如图5展示了中科院微电子研究所太阳能研究中心制备的IBC电池。 







图 5：中科院微电子研究所太阳能研究中心研制的N型高效IBC电池 

4、总结与展望 
综上所述，高效N型背结背接触和背结前接触晶体硅太阳能电池已经成为未来产业化的方向之一。从国际上各个研究小组在高效N型晶体硅电池方面的研究情况看，丝网印刷Al烧结法具有设备和生产效率的两大成本优势，Al-p+发射极的N型背结背接触电池是研究的重点。如能使IBC电池的转化效率突破20%，则可加速其产业化进程。未来此领域的研究趋势集中在以下两个方面：1、进一步优化电池的特性，包括：Al-p+发射极、背表面钝化、前表面场和钝化等；2、研发低成本设备，包括：激光刻蚀氮化硅设备、可丝网印刷的抗酸浆料等。