晶体硅太阳电池技术及进展研究浅析

刘良玉，张威，禹庆荣

（1.国家光伏装备工程技术研究中心，2.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111）

晶体硅太阳电池技术及进展研究浅析

刘良玉1，张威2，禹庆荣2

（1.国家光伏装备工程技术研究中心，2.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111）

高效低成本是光伏行业发展不变的主题。进入21世纪，中国光伏发展突飞猛进，电池光电转换效率从14%提升到超过21%，成本降幅90%。本文结合近年来晶体硅太阳电池技术的特点，分析了高效晶体硅太阳电池技术和进展。

高效；晶体硅太阳电池；技术；进展；研究

高效率晶体硅太阳电池的理念最早是在20世纪80年代提出的，主要融合了表面钝化技术与陷光观念。本文主要是对多样化高效率晶硅电池技术中的几种进行分析。

1 选择性发射极太阳电池

太阳电池表面有一层浓度较为平衡的磷扩散层，也叫做发射极。选择性发射极的基本理念主要是指对金属栅线下的发射区实施高浓度融合，减少电池串联电阻，以此提升电池开路电压；对非栅线接触范围实施轻掺杂，减少少数载流子复合，提升电池的短波光谱响应能力，提升短路电流密度。设计选择性发射极有多种技术途径，如丝网印刷磷浆、激光刻槽埋栅、激光掺杂等。

在实际研究的过程中，中科院宁波材料所万青教授研究组提出一种自对准激光掺杂工艺技术，结合标准丝网印刷设施设计出高效晶硅体太阳电池。电池工艺技术在通过磷扩散之后，表层会构成很高磷浓度的磷硅玻璃层，之后通过图形化激光退火，促使磷硅玻璃层中的磷元素扩散到硅中，在电池片表层局部区域构成重点掺杂。在丝网印刷细栅线的过程中，垂直交叉激光重掺线条，精巧的达到自对准激光掺杂技术。结合实际性能检测试验证明可知，扩散方块电阻是75欧姆的单晶硅太阳电池，填充因子会依据以往的65%提升到79%。

钝化发射极、背面局部接触晶体硅太阳电池，简称为PERL电池，是有光伏之父之称的新南威尔士大学Martin Green格林教授首先提出的，其主要是结合了选择性发射极理念，并在1999年创造了光电转换效率25%的世界纪录。

PERL电池实现高转换效率的原因主要有以下几点：第一，电池正面制备标准的“倒金字塔”构成，其光吸收效率要高于一般电池绒面，拥有较低的反射率，有助于提升光生电流。第二，选择性的磷融合拓散，金属栅电极下重点融合可以构成优质的欧姆接触，非栅极接触范围的轻融合在达到横向电阻最优化的基础上可以提升短波光谱响应。第三，电池背面实施定域、选择性的硼融合构成了p区，这样不但可以减少背电极的接触电阻，还可以提升背面场，以此在实际发展中不断减少复合速度，从而提升电池的短路电流密度，增加实际电池的转换效率。第四，发射极钝化，发射极钝化减少了表层密度，降低了光生载流子的符合。结合这一技术，新南威尔士大学与尚德企业一起研发的冥王星电池转换效率达到了20.3%，高出行业内单晶硅电池平均转换效率绝对值2个百分点。

2 异质结太阳电池

异质结太阳电池，简称为HIT电池。其最初是由日本三洋公司提出，通过高质量超薄本征非晶硅层对晶体硅本底材料的两面进行钝化，减少表层复合，提升了器件对光生载流子的收集能力，以此构成高效率的新型晶体硅太阳电池。同时，在产业过程中，技术不断进行突破，且结合背面局部接触技术，2014年，松下企业研发的HIT太阳电池的转换效率达到了25.6%，打破了新南威尔士大学保持了15年的世界纪录。

HIT太阳电池技术在产业化过程中主要具备以下几个优势：第一，低温技术。因为HIT太阳电池技术用a-Si薄膜掺杂形成pn结，整体工艺过程都在低温下完成（＜300℃），减少能源消耗。第二，高转换效率。晶体硅太阳电池通常使用SiO2或SiNx薄膜作为钝化层，但是HIT电池技术采用独特的氢化非晶体硅薄膜作为表面钝化层，钝化效果达到最佳。第三，节约面积。HIT电池具有较高的光电转换效率，因此在相同功率输出的情况下，实际占地面积最小化，从而可以减少组件电站端的综合成本支出。第四，稳定性能优越。因为衬底为n型单晶硅，没有B-O复合体导致的光衰效应，并且对于金属杂质的容忍度要高于p型衬底。此外，晶体硅电池随着温度的升高，发电效率会有衰减，HIT电池的温升系数要远小于其他结构的晶硅电池，在沙漠、热带地区发电增益明显。第五，低耗材。HIT电池的厚度可以低至50μm，可大幅度降低硅材料成本，并可实现柔性化，一方面满足特殊领域内对高效电池的需求，另一方面可以大幅度减少组件辅材的支出。

3 全背电极接触晶硅太阳电池

全背电极接触晶硅太阳电池，简称为IBC电池。IBC电池结构在表层产生的光生载流子一定要通过硅基体才可以达到背电极，这就要求硅衬底材料的使用寿命要长，对硅本体材料提出了较高的要求。

IBC电池选择N型硅衬底，有助于减少表面复合，前后表面结合热氧化膜实施钝化处理。引用半导体工艺中的光刻技术，在电池背面分别实施磷、硼精确局部掺杂，以此构成指状交叉排列的p/n区域，以及处于其上方的p+/n+重掺杂区域。因为p+与n+区域的接触电极覆盖面积较大，所以具有非常低的串联电阻。

IBC电池在产业化过程中具有以下几点优势：第一，入射光子数的最大化。因基区与发射区的金属栅交错设计都在电池背面，有效避免了电池表层金属栅线的遮光损耗。第二，IBC电池表面的轻掺杂解决了其他结构电池“死层”的问题，提升了短波光谱响应。电池背面结合SiO2为实际钝化层，提升了背反射率与长波的光谱响应，使IBC电池拥有更高的光电转换效率。第三，基区与发射区的电极都设计在背面，可以达到电池正、负极焊线的现侧拼装，减少了光伏组件设计工艺的步骤，便于自动化设计，提升生产效率。

4 金属环绕穿孔电池

金属环绕穿孔电池，简称为MWT电池。其与IBC太阳电池相同为背接触式电池，其构成与丝网印刷金属化电池的结构比较接近。

MWT电池技术中，因为发射区在电池的浅表层与金属化孔中，减少了少数载流子复合的扩散长度，提升了光生电流的收集效率，在低品质的硅衬底材料上即可获取高电流密度。因此MWT太阳电池可以结合多晶硅片设计出高效太阳电池。

虽然在现阶段MWT太阳电池技术得到了有效的推广和应用，但是在产业化过程中，MWT电池依旧存在很多问题：如低损伤孔洞的设计、精确而有效的激光穿孔、防止孔洞与周边硅本体材料出现热损伤、隐裂与漏电等问题。另外，设计优质的金属化孔洞、减少串联电阻也是必须要攻克的重点研究内容。

荷兰能源研究中心结合长时间的分析和研究，其已经将MWT电池技术在产业化的方向取得了较大的进步，并且提出了一种称为PUM的太阳电池。其与传统意义上电池的主栅构成不同，主要是依据电池背面特定划分的接触电极，降低主栅构成的遮光损耗，并且减少了发射区域电极界面中少数载流子复合概率，提升了电池的转换效率。

5 发射极环绕贯穿太阳电池

发射极环绕贯穿太阳电池，简称为EWT电池。与MWT太阳电池一样，也是背接触式电池，其主要特点是在电池上打孔达到上下两面的贯通。与MWT太阳电池不同之处在于EWT电池技术中光生电流的栅线从电池正表层转移到电池的背面。

在二十世纪九十年代初期就研发出EWT太阳电池，电池的p-n结处于正表层，为了降低光反射，优化金字塔结构与减反射膜；然后设计出局部重掺杂或者是金属化孔洞的方案，将电池正面发射区与背面区域发射区连接到一起，将前后表面的电流都传递到背面电极之中，正、负电极栅线交叉排列在电池背面，主栅处于背面的两边。

EWT太阳电池技术正表层并没有栅线电极，结合太阳电池中大部分微型导电孔收集电子，同时传递到背面的发射区电极中，不但可以提升光子收集效率，还可以满足双面集电的效果，提升光生电流的密度，增加了实际转换效率。此外，便于光伏组件的封装和自动化发展。由此，EWT太阳电池具备IBC和MWT太阳电池技术的优势。

6 结语

晶体硅太阳电池在太阳电池发展的市场中占据重要的地位，预计未来相当长一段时间内，其市场主导地位不会发生变化。伴随着国内装备行业的技术进步，晶硅电池将率先实现平价上网，促使光伏发电成为国家常规供给能源，解决影响人类发展的两大难题。

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[5] http://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480&z=0&ipn=d&word=IBC%20.

[6] http://www.solarzoom.com/index.php/marticle/66677.

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