晶硅太阳能电池与微电子之间的技术交流

索比光伏网讯:作者：J.Poortmans、K.Baert、J.Horzel、N.Posthuma、J.John、I.Gordon、R.Mertens，IMEC

光伏与微电子何处可以再相遇

为了在未来十年实现与主流市场的电网同价，PV产业必须系统地降低其制造成本。目前，晶硅太阳能电池主宰着PV市场（市场份额的85%以上），预期这种情况将至少在未来十年持续。2011年已经宣布晶硅太阳能电池的工业生产成本达到1美元/Wp。从组件制造流程中材料成本的巨大影响看，不断提高电池效率是得到低成本的主要途径。为了进一步降低美元/Wp成本，最终达到0.5美元/Wp的水平，现有的Si基微（纳米）电子方面的知识及设备基础仍是实现高效率晶硅太阳能电池的灵感源泉，尽管二种情况下的成本驱动因素本质上是不同的：微电子是减少成本/功能比，而光伏是成本/Wp比。为了实现雄心勃勃的上述目标，比较仔细地审视微电子领域可提供的工艺及分析工具箱如何能用来有助于基于晶硅的光伏器件的进一步开发。本文介绍了在IMEC正在跟踪研究的一些方法，把微电子和微系统范围广泛的纳米技术工具箱用于晶硅太阳能电池。

公认的晶硅太阳能电池路线图 

现今的主流制造方法是在约180μm厚的晶体Si硅片上加工太阳能电池，在正面有Ag金属栅，背面完全覆盖Al-BSF。由于金属化（浆料、丝网）方面的进步，工业生产中似乎能达到18.5-19%的效率。下一步，我们希望像PERC和PERL这种局部接触电池(locally contacted cell)概念进入市场。这些是现在正面接触电池生产线的合理延伸，有可能使工业生产的电池效率＞20%，硅片厚度降至120μm。

现在按路线图前行（如SEMI-PV Group中推出）的实践证实如下看法，2020年电池片厚度将减少到从他们的路线图文件取得的图1示出的值。



背接触（BC）电池在效率（没有阴影）和工艺集成（二电极均在同一面也有利于薄电池集成到组件中）方面具有很多固有的优点。Sunpower公司的结果证明这种方法有高效率的潜力，效率高达24.2%。一旦薄硅片加工成为工业标准，BC电池就可能取代正面电池的市场份额。按SEMI-PV Group路线图前行的实践引出如下结论：到2020年，BC电池可能达到40-50%市场份额。我们内部的路线图设想，PV产业将逐步进入厚度薄至80μm，甚至可能更薄至40μm的背接触太阳能电池。这样的薄电池只能通过在i-module概念中提出的组件级加工进行处理，其中，电池与组件的加工最终将融合起来。图2是IMEC的高水平晶硅太阳能电池路线图。



为了应对这些挑战，现在可看到微电子半导体加工技术大量涌入PV，这同时顺应了人力资本大量涌入PV部门的趋势。很明显，晶硅太阳能电池制造过去已经从微电子方面现有的关于材料、工艺技术、加工设备、器件物理和的特性描述等方面的知识基础受益匪浅。对于未来十年期待的发展，这种情况也许是不会改变的。像注入、选择性外延、Cu接触等技术可能开辟其在晶硅太阳能电池制造中的使用途径，从而实现图3示意图指出的PERL和IBC电池。



晶体硅太阳能电池结构中微电子技术工具箱的使用

注入

最终的电池性能意味着最佳的掺杂剖面尺寸控制。具有极好面积均匀性和批次-批次重复性的离子注入，给高电阻率发射极或用扩散难以达到的掺杂剖面提供了可能的扩散方法。基于P-注入的120Ω/square硅片-硅片间重复性是1.4%（1σ），而硅片内的不均匀性低至0.6%（1σ）。B注入避免了与B扩散和去除B-氧化物有关的难点。与硬掩膜结合也能使工艺步骤数显著减少，实现PERL和IBC电池概念中的局部掺杂区。对于IBC-电池的发射极和正面场，剂量能保持在1015cm-2以下，而对于背场，剂量明显高于1015cm-2，这要求注入损伤退火调整。有文献报道，采用对P-发射极注入获得了高达18.8%的效率。目前，我们在基于丝网印刷的接触与局部Al-BSF的节省成本的太阳能电池工艺中采用P-注入。此工艺流程得到了效率为18.8%的125×125mm2电池。图4的RTA活化步骤在常规的烧结炉中进行。



注入区的TEM分析清楚揭示，退火后没有与注入有关的缺陷，然而，Joe测量结果给出了有些与直觉相反的结果，较高的剂量对退火行为反而有利。这也许与被注入发射极在氮化物烧结后的情况下发射极中的H浓度较高的有关。

Al2O3的原子层淀积

在寻求尺寸缩小的晶体管中实现低栅极漏电流所必需的高-k介质过程中，过去对AL2O3做了广泛的研究。尽管在Si-AL2O3界面处的界面陷阱密度低，但由于其对MOS器件阈值电压的影响，此材料中存在的高负电荷对尺寸缩小的晶体管来说是一个问题。可是，在光伏器件中使用却非常有意思，此时，负电荷在p-型衬底中引起了高积累表面，或在n-型衬底中引起了高反转面。结果，在n-型及p型衬底上测出的表面复合速度非常低，B-及P-发射极上的的发射极饱和电流密度也低。因此，AL2O3层在效率达23%的高效晶硅太阳能电池中得到证明是毫不奇怪的。

当前的挑战是在太阳能电池工业生产流程中引入这些薄层。这里有二个因素是至关重要的：具有抗烧结AL2O3层和避免热处理起泡。起泡是较厚AL2O3层部分叠合脱离引起的，是在临界温度以上热处理时AL2O3层中气体解吸附引起的：AL2O3层成为气体的阻挡层，形成气泡。数量级为10nm的较薄层及避免无法控制的氢释放的工艺步骤对于避免负侧效应是非常重要的。进行这些测定时，其结果表明，基于由氧化物/氮化物组成的背面介质堆叠的大面积局部Al-BSF电池的行为与AL2O3/氮化物堆叠类似，而且效率稍高于19%。电流水平有小损失，可能是因为背面反射率比较低，如IQE-分析指出的。但是，具有AL2O3/氮化物堆叠的电池与注入水平无关，仍有低水平照明时的优点。



很明显，挑战在于AL2O3淀积系统的尺寸加大。淀积方法或是基于等离子淀积（PECVD），或是基于原子层淀积（ALD）。后者能控制到亚纳米，可能有较高的化学产额，因为在原理上淀积限于吸附表面。可是，在批次系统中，ALD的淀积速度极低。因此人们希望设备厂商注意新的解决方法（空间ALD对时间ALD）以应付PV 所要求的拥有成本。这使淀积速度比批次型系统高一个数量级。此外，在空间ALD设备中专用的硅片传送机构与薄晶硅片是兼容的。

用Cu替代Ag

SEMI-PV Group发布的路线图中，Ag/Wp的量是减少的，影响总成本中的Ag成本。同时，为确保晶硅太阳能电池生产的长期可持续性要求，减少或最后完全避免使用Ag。Ag的使用会排除远高于100GWp/year的生产水平。 替代Ag的代用金属是Al或Cu，后者的优点是电阻率比较低。

微电子部门中，先进CMOS内用Cu替代Al发生在2000年左右。这种替代之所以能实现是因为采用了ALD与阻挡层技术，避免了Cu与Si之间的直接接触，这种直接接触会导致在中等温度下Cu快速内扩散造成结的破坏。这些阻挡层是基于像Ti或Ta这样的元素金属、氮化物（TaN等）或硅化物。其他可能的问题是错异电镀、可靠性问题和腐蚀。

IMEC将Cu接触引入太阳能电池的方法是基于在介质钝化层中综合激光烧蚀开窗口、接着是阻挡层物理气相淀积（PVD）或无电镀复（e-less plating）。此流程中采用如Ti、Ta、TaN和NiSi2的阻挡层，在大面积太阳能电池上得到19-20%的转换效率。事实是正面的金属栅还没有调整得适应发射极方块电阻120Ω/square的情况，这肯定为达到分析模型及仿真所证明的20.5%效率开辟了道路。

清洗

对于下一代晶硅太阳能电池，清洗是一个被低估的方面。若要获得＞20%的效率，要求维持高的本体寿命。光伏制造中现在的清洗程序已完全不适应了。从金属污染看，高寿命加工将要求完全不一样的清洗和处理方法。很明显，微电子中的宝贵知识库可以被利用，然而必须认识到，对于潜在效率＞21%的晶硅太阳能电池，在被清洗表面的允许污染程度最终将比CMOS加工中典型的清洗表面低。对于后者，1010cm-2这种较低水平的金属污染是可以接受的，但对于晶硅太阳能电池则可能必须低一个数量级。就清洗和干燥的成本-效益，以及关于在非镜面抛光或甚至于绒化的Si表面测量如此低水平金属污染来说，这显然是一个严峻的挑战。

这允许我们通过用Marangoni干燥机进行合适的清洗与干燥，提高用于表面钝化的ALD生长的Al2O3层的同质性。在a-Si:H异质结情况下减少界面污染也是获得高开路电压的关键。

结论

对于晶硅太阳能电池来说，仍有大量空间吸收采用到目前为止仍局限于微电子中的技术。文中给出了一些例子，表明目前确确实实在发生，如注入、原子层淀积、镀Cu和阻挡层工艺等技术，明确的要求是应该降低成本，使其与PV成本要求一致。二者之