選區發射在硅基納米線陣列太陽電池中的應用

中國科學院微電子研究所 ■ 陳晨 賈銳 李昊峰 金智 劉新宇

一 引言

硅基納米線陣列太陽電池是下一代新型高效太陽電池結構之一，作為國際光伏領域的研究前沿，得到了廣泛關注[1～3]。硅基納米線陣列太陽電池具有超低的表面反射率，能極大地提高傳統晶體硅太陽電池的光吸收特性，并且其具有一維載流子輸運特性，具備了未來高效晶體硅太陽電池的潛在特點。因此，納米線陣列可取代傳統電池結構中的金字塔結構形成納米線陣列太陽電池。

目前，關于硅基納米線陣列太陽電池結構可根據p-n位置分為三類：硅納米線陣列絨面晶體硅太陽電池、徑向p-n結納米線陣列太陽電池和軸向p-n結納米線陣列太陽電池。在納米線陣列的制備方面，Ag無電催化腐蝕法能夠在硅襯底表面制備出表面反射率小于2%的硅納米線陣列。然而，直至目前基于無電化學腐蝕法制備的納米線陣列太陽電池的最終轉換效率仍然不高。基于之前的研究認為：由于納米線陣列電池的電極接觸面積較小，導致電極接觸特性惡化是轉化換效率難以提高的主要原因之一。這也成為納米線陣列太陽電池的研究重點之一。然而遺憾的是此類電池的電極接觸特性的研究還很少，因此，本文針對此開展了改善納米線陣列太陽電池的電極接觸特性的研究工作。

二 實驗

硅納米線陣列太陽電池的結構示意圖如圖1所示。試驗采用了基于特殊擴散工藝在硅納米線陣列的頂部形成了高摻雜區(圖1a)。對照樣品的常規納米線陣列太陽電池結構圖如圖1b所示。通過擴散和濕法腐蝕形成了硅納米線陣列結構。隨后，通過特殊工藝過程使得納米線陣列轉變成n型，并在納米線陣列的下面形成p-n結。經PECVD生長的SiNx，通過絲網印刷形成背面Al層和前表面Ag電極。最后通過共燒結形成Al背場(BSF)和前電極的歐姆接觸。

三 結果和討論

串聯電阻是衡量電池的電極和半導體接觸特性好壞的重要參數。對電池的最終特性而言，串聯電阻的降低可顯著提高短路電流。如圖2所示，硅基納米線陣列太陽電池中，頂部高摻雜的納米線陣列電池的串聯電阻(6～8?)明顯低于有氮化硅鈍化后沒有摻雜的硅納米線陣列電池的串聯電阻(10～12?)。金屬和半導體的接觸電阻可表示為：

由式(1)可知，串聯電阻和半導體一側的摻雜濃度成反比。當增大摻雜濃度時，串聯電阻將降低。因此，當硅納米線陣列頂部的摻雜濃度增大，使得其接觸特性明顯改善，電池的串聯電阻明顯降低。對于硅基納米線陣列太陽電池，特殊擴散法能有效地降低電池的串聯電阻明顯降低，改善電池的最終特性。

為了表征特殊擴散法對電極接觸特性改善的影響，對照樣品和特殊擴散選擇性發射區的硅納米線陣列太陽電池的光伏特性進行了測試。在同樣的氮化硅鈍化的情況下，特殊擴散形成的選擇性發射極納米線陣列電池的短路電流明顯提高。如圖3所示，從原來的21.9～27.2mA/cm2提高到28.9～33.3mA/cm2。考慮到串聯電阻的浮動，可推斷出隨著串聯電阻的降低，短路電流明顯增加。根據半導體能帶理論：當半導體一側的摻雜濃度提高時，存在在金屬和半導體一側的勢壘將隨即變薄，導致載流子的隧道擊穿幾率增加，最終通過隧道穿越勢壘的載流子數目隨即增加，從而提高短路電流。

納米線陣列太陽電池光照下的I-V特性曲線如圖4所示。由圖4可知，特殊擴散選區發射納米線陣列電池的短路電流提高了40.2%，這一提高歸因于特殊擴散使得半導體一側的摻雜濃度增大，最終的電極接觸特性明顯改善。因此，在單根納米線陣列頂部實施高摻雜能有效降低歐姆接觸的電阻率，從而有效地改善接觸特性。

四 結論

基于以上研究，納米線陣列太陽電池的串聯電阻能有效降低，為進一步探究提高硅基納米線陣列太陽電池的電極接觸特性的方法提供了很好的參考。我們嘗試了采用特殊擴散的選區發射形成高摻雜的硅基納米線陣列，從而有效地提高了電池的接觸特性。串聯電阻可有效降低，使得短路電流明顯提高。通過提高電池串聯電阻能有效提高電池的短路電流，對最終電池的效率有一定的改進。

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