選擇性發射結太陽電池技術

王國寧，蔣繼富，胡俊濤

（1.江西科技學院 機械工程學院，江西 南昌 330098；2.云南天達光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

選擇性發射結太陽電池技術

王國寧1，蔣繼富2，胡俊濤2

（1.江西科技學院 機械工程學院，江西 南昌 330098；2.云南天達光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

選擇性發射結技術是實現高效晶體硅太陽電池的主要技術之一。介紹了選擇性發射結的基本原理和優點，并對各種選擇性發射結太陽電池技術進行歸類、對每個類型的特點進行分析。另外還介紹選擇性發射結太陽電池技術在國內光伏企業中的產業化情況。

選擇性發射結；太陽電池；產業化

0 引言

目前普通單晶硅太陽電池生產線的平均轉換效率已達到19%以上接近20%，普通多晶硅太陽能電池生產線的平均轉換效率也在18%以上。單、多硅太陽能電池普通工藝繼續往前發展將會遭遇到技術瓶頸。很多太陽能電池生產企業也意識到這一點，紛紛把目光轉向高效晶體硅太陽能電池工藝技術。國內外實驗室就高效晶體硅太陽能電池技術已經進行了廣泛而充分的研究，報道了很多實現高效晶體硅太陽能電池的工藝技術路徑，其中也包括選擇性發射結技術。新南威爾士大學的趙建華博士采用選擇性發射結技術并結合其他技術，創造了單晶硅太陽能電池轉換效率24.7%的最高記錄。目前的主要任務是怎樣把這些高效晶體硅太陽能電池技術轉化為成本較低的產業化技術。在眾多高效晶體硅太陽電池技術中，選擇性發射結技術最先實現產業化。

1 選擇性發射結太陽能電池工藝技術原理分析

普通工藝制備出的晶體硅太陽能電池的結構如圖1所示，其包括P型層、N型層、背電極及正面金屬電極。當太陽能光在電池內部被吸收而產生形成發電電流的電子時，電子會沿圖1中所示的路徑1流出電池。從路徑1可以看出電流會穿過正面金屬柵線與N型層的交界面，還會在N型層發生橫向運動。電流流經的區域都有一定的電阻，電流穿過正面金屬柵線與N型層的交界面所對應的電阻被稱為前接觸電阻Rfc；在N型層發生橫向運動所對應的電阻稱為發射區電阻Re。前接觸電阻Rfc和發射區電阻Re都與N型層的擴散濃度有關，N型層的擴散濃度越高，Rfc和Re越小。Rfc和Re是太陽能電池串聯電阻Rs的組成部分，串聯電阻Rs太高會使太陽能電池的光電轉換效率下降，所以為降低串聯電阻Rs，必須在N型層實行高濃度擴散，即重摻雜；但是另外一方面如果在N型層實行重摻雜會增加電池前表面的表面復合速率，從而導致太陽能電池的光電轉換率下降。所以普通晶體硅太陽能電池工藝存在自身無法解決的矛盾，這樣就成為普通工藝電池轉換效率提升的瓶頸。

圖1 普通晶體硅太陽電池結構

如圖2所示為選擇性發射結電池的結構。其與普通電池的不同之處在于：在金屬柵線覆蓋區域實行高磷濃度重摻雜，如圖2（2）所示；而在非金屬柵線覆蓋區域實行低磷濃度輕摻雜如圖2（1）所示。在非金屬柵線覆蓋區實行輕摻雜可以降低表面復合率和N型層的俄歇復合；另外輕摻雜還可以減少死層的厚度[1]；從而有利于提高太陽能電池的光電轉換效率。金屬柵線覆蓋區域實行重摻雜可以降低前金屬和N型層的接觸電阻Rfc；金屬柵線覆蓋區域實行重摻雜還可在N型層形成一個橫向的電場，該橫向的電場對電子的運動產生加速作用，因而降低了發射區電阻Re；這樣在金屬柵線覆蓋區域實行重摻雜可以降低太陽能電池的串聯電阻Rs，也有利于提高太陽能電池的光電轉換效率。選擇性發射結技術突破了普通工藝中的矛盾，使進一步提升太陽能電池的光電轉換效率成為可能。

圖2 選擇性發射結太陽電池結構

2 選擇性發射結技術的主要類型及特點分析

國內外實驗室就選擇性發射結電池已經進行了廣泛的研究，報道了很多實現選擇性發射結的方法。有的實現工藝較為復雜，需要在現有的基礎上增加很多設備和工藝環節，有的則較為簡單。不管用何種方法實現選擇性發射結電池，關鍵的問題在于怎樣實現在金屬柵線覆蓋區域實現重摻雜，在非金屬柵線覆蓋區域實現輕摻雜。由于擴散摻雜工藝在先、金屬柵線制作工藝在后，使得選擇性發射結太陽能電池的另外一個工藝難點是如何使金屬電極剛好覆蓋在重摻雜區域上。如果金屬柵線和重摻雜區域重合得不好，則暴露在光學活性區的重摻雜區域將會成為嚴重的復合中心，另外金屬電極將會落入輕擴區使接觸電阻Rfc變得非常大，這樣不但不能提高電池的轉換效率反而會損害電池的轉換效率；所以對于選擇性發射結電池對印刷精度或電鍍精度要求很高。

按不同的實現途徑，選擇性發射結太陽能電池大致可以分為五個大類：一、掩膜法；二、自摻雜漿料法；三、反腐蝕技術法；四、非對稱磷源擴散法；五、激光摻雜法。實際上每個大類中又包括很多種方法。以下對各大類的特點進行分析。

2.1 掩膜法

掩膜法是在非電極接觸區覆蓋一層掩膜來阻止或者減緩磷向里擴散，以便在電池非電極接觸區輕摻雜；而在電極接觸區沒有掩膜覆蓋形成窗口，以便在電極接觸區實行重摻雜。掩膜法的基本原理過程如圖3所示：1、先在電池前表面制備一層掩膜如圖3（a）所示；2、采用光刻技術或化學腐蝕技術去掉預制作金屬柵線區域的掩膜如圖3（b）所示；3、進行一次重磷擴散，使預制作金屬柵線區域形成重摻雜如圖3（c）所示；4、去掉其余掩膜如圖 3（d）所示；5、進行一次輕磷擴散，使非金屬覆蓋區域形成輕摻雜如圖3（e）所示；6、采用絲網印刷技術或電鍍技術在重擴散區域制作金屬柵線金如圖3（f）所示。

也有將如圖3（e）所示工藝步驟提前到如圖3（a）所示工藝步驟之前；也有在如圖3（c）所示的工藝步驟中同時進行金屬柵線覆蓋區域重摻雜和非金屬覆蓋區域形成輕摻雜兩步工藝，比如利用多孔硅掩膜，只需一次擴散即可。

圖3 掩膜法工藝流程

掩膜法最常用的掩膜是二氧化硅（SiO2），除了用二氧化硅用作掩膜外還有多孔硅[3]、氮化硅[9]及其他擴散障礙物質[4]。

2.2 自摻雜漿料法

此方法較為簡單，不用增加新的設備和新的工藝流程；只需在常規的工藝基礎上，將絲印工序正面銀漿更換成摻入了高濃磷漿的銀漿即可[12]。這樣在高溫燒結過程中，電極中的磷向電極接觸區擴散而獲得高摻雜，實現選擇性發射結。在此方法中，由于高溫處理時間非常短，擴散到電極接觸區的磷原子數量有限，因此電極接觸區的重摻雜效果并不明顯。且高濃度磷摻入到電極中，將會使電極的電阻率增加，從而使太陽電池串聯電阻增加、填充因子降低。

2.3 反腐蝕法

反腐蝕法主要是先進行重擴散，然后采用腐蝕溶液腐蝕非電極接觸區[7]。反腐蝕技術的工藝流程如圖3所示：1、先對電池發射區進行重擴（方塊為40歐左右），如圖 4（a）所示；2、制作掩膜將金屬電極接觸區域掩蔽起來如圖4（b）所示；3、將非電極接觸區剝離一層使方塊達到 80～120 歐，如圖 4（c）所示；4、去除掩膜，如圖（4）d所示；5、制作金屬柵線。非電極接觸區的剝離則可以通過酸溶液腐蝕或自對準等離子體刻蝕等方法實現，直至達到合適的方塊電阻。此法在對非電極接觸區進行剝離處理時，雖然有掩膜保護，但還是不可避免地會對金屬電極接觸區產生一定的損害。

2.4 非均勻磷源擴散法

非均勻磷源擴散法是在電極接觸區使用高磷濃度磷源實現重摻雜，在非電極接觸區使用低濃度磷源實現輕摻雜[5]。常用實現途徑有絲印磷漿法、PECVD磷硅玻璃法、機械織構對齊擴散法、激光刻槽法等方法。

圖4 反腐蝕法工藝流程

絲印磷漿法是采用絲網印刷技術在金屬柵線覆蓋區域印刷高磷濃度磷漿，來實現金屬柵線覆蓋區域的重摻雜。在非金屬柵線覆蓋區域實現輕摻雜的方式有下幾種：1、在非金屬柵線覆蓋區域印刷低磷濃度磷漿[2]；2、利用在高溫下金屬柵線覆蓋區域高磷濃度磷漿揮發出來的磷氣氛擴散到非金屬柵線覆蓋區域[6]；3、在擴散過程中通入少量的POCl3。

PECVD磷硅玻璃法是利用低溫常壓化學氣相沉積的方法并結合掩膜，在電極接觸區沉積含磷濃度高的磷硅玻璃，在非電極接觸區沉積含磷濃度低的磷硅玻璃,從而實現選擇性發射結。

機械織構對齊擴散法[12]是采用機械織構的方法先對硅片表面如圖5(1)所示的非電極接觸區進行織構處理，以氧化物源作為磷擴散源，面對待擴散硅片放置。擴散過程中，由于磷源在單位時間和單位面積上揮發的量一定，而在平行于源面方向上有更小的有效表面積，所以在沒有織構的如圖5（2）所示的電極接觸區會有更多的磷沉積，而在非電極接觸區由于織構而使得有效表面積增大，因此會有更少的磷沉積，從而形成選擇性發射結結構。該法工藝較復雜，效果也難以保證擴散的均勻性及重復性。

激光刻槽法[12]是首先利用激光在硅片表面電極接觸區刻槽，再在硅片表面覆蓋磷漿，在刻槽中得到磷漿的量比槽外的要多，擴散后在刻槽附近就可以形成重摻雜區，而在刻槽以外其他區域形成輕摻雜區，而后在刻槽中制作電極實現選擇性發射結。此方法成本昂貴，工藝復雜。

圖5 機械織構對齊擴散法

2.5 激光摻雜法

激光摻雜法是最近出現的一種實現選擇性發射結太陽電池的方法，目前此法也推出了整線解決方案。目前激光摻雜也有多種實現方法。主要的實現方法有：

1、先在表面涂上一層磷源，如圖6（a）所示；然后采用激光束照射金屬柵線覆蓋區域，利用激光束的局部熱效應使磷向里擴散而實現該區域的重摻雜，如圖 6（b）所示；再清除表面的磷源，如圖 6（c）所示；再進行一次低磷濃度輕擴散，使非金屬柵線覆蓋區域實現輕摻雜如圖6（d）所示，這樣就形成了選擇性發射結結構。

2、先進行一次低磷濃度輕擴散，如圖7（a）所示，擴散后會在表面形成一層高磷濃度的磷硅玻璃層；利用磷硅玻璃層作為磷源，采用激光照射金屬柵線覆蓋區域，以實現該區域的重摻雜，如圖7（b）所示；再清除磷硅玻璃層，如圖7（c）所示。

圖7 激光摻雜法工藝流程Ⅱ

3、如圖8（a）所示先進行輕摻雜，隨后進行去磷硅玻璃和PE鍍膜兩道工藝，在前表面先鍍上一層氮化硅薄膜；然后在氮化硅薄膜涂上一層磷源，如圖8（b）所示；然后采用激光照射金屬柵線覆蓋區域，以實現該區域的重摻雜，如圖8（c）所示；接著去除磷源及制作金屬柵線，如圖 8（d）、（e）所示。

圖8 激光摻雜法工藝流程Ⅲ

根據重擴散磷源的不同可分為：1、利用輕擴磷硅玻璃中的磷作為重擴磷源，激光摻雜應在去磷硅玻璃前進行，見圖（7）所示；2、正面覆蓋磷作為重擴磷源，如圖（6）所示；3、磷酸隨激光束同步流到正面作為重擴磷源[8]。

3 選擇性發射結太陽能電池的產業化

目前在國內，已有多個類型的選擇性發射結技術實現了產業化；包括掩膜法、激光摻雜法、反腐蝕法以及硅墨法。并且在國內都有相應的生產線。

南京中電公司率先實現選擇性發射結太陽能電池的產業化，其在2007年就建成了一條2MW的選擇性發射結太陽能電池生產線，當年單晶硅太陽電池的平均轉換效率為17%，平均轉換效率要遠高于普通單晶硅太陽能電池的轉換效率。南京中電公司采用的選擇性發射結太陽能電池技術采用是掩膜法，采用二氧化硅作為掩膜。緊隨南京中電公司之后，無錫尚德也開始研究選擇性發射結太陽能電池的產業化技術，采用的是激光摻雜法[10]。在2009年實現產業化生產，產能達100MW，單晶硅太陽電池達到19%的平均轉換效率。2009年晶澳太陽能與美國的Innovalight公司進行合作，采用Innovalight研發的硅墨水技術[11]，進行選擇性發射結太陽能電池產業化生產。另外德國schmid公司研制出了利用反腐蝕技術產生選擇性發射結太陽能電池的生產線。

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（責任編輯：陳 輝）

Technology of Selective Emitter Solar Cells

WANG Guo-ning1JIANG Ji-fu2HU Jun-Tao2
（1 Jiangxi University of technology,Nanchang 330098,China;2 Yunnan Tian da Photovoltaic Co.Ltd,Kunming 650091,China）

The technology of selective emitter is one of main technologies of high efficiency crystalline silicon solar cells.This article suggests the basic principle and advantage of selective emitter,and classifies the selective emitter solar cells technology,analyzes the characteristic of each type selective emitter technology,introduces the progress of industrialization of selective emitter solar cells technology.

selective emitter;solar cells;industrialization

A

123（2014）03-0042-05

2014-04-17

王國寧（1974-），男，江西吉安人，江西科技學院，碩士。研究方向：太陽能光伏。