面向TOPCon晶體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)應用的 管式PECVD裝備及其配套技術分析

曾俞衡，陳 暉，張文博，程海良，廖明墩，謝利華， 李旺鵬，劉景博，張青山，劉 偉，王玉明，閆寶杰,2，葉繼春,2*

(1. 中國科學院寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201；2. 中國科學院大學，北京 100049； 3. 蘇州拓升智能裝備有限公司，蘇州 215000；4. 營口金辰機械股份有限公司，營口 115004； 5. 營口市科技創(chuàng)新服務中心，營口 115099)

0 引言

據(jù)彭博社測算，2020年，在全球85%的國家和地區(qū)(覆蓋約2/3的世界人口和72%的全球GDP經(jīng)濟體范圍)內(nèi)，光伏發(fā)電均已發(fā)展成為最便宜的電能之一。同年，光伏發(fā)電在中國已總體實現(xiàn)平價上網(wǎng)，將成為支撐中國實現(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標的主要清潔能源電力之一。據(jù)國家發(fā)展和改革委員會能源研究所等機構預測，2060年，光伏發(fā)電量將占中國總發(fā)電量的39%左右。

晶體硅太陽電池兼具光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、穩(wěn)定性高、技術成熟等優(yōu)點，一直是光伏發(fā)電的主流技術，占據(jù)95%的市場份額。在目前其他太陽電池技術尚未取得重大突破的情況下，晶體硅太陽電池仍將長期保持主導地位。堅持高性能晶體硅太陽電池的研究，推動太陽電池產(chǎn)業(yè)技術升級換代，對增強光伏發(fā)電競爭力、促進中國及世界能源結(jié)構轉(zhuǎn)型具有重要意義。

隧穿氧化硅鈍化接觸(TOPCon)晶體硅太陽電池(下文簡稱為“TOPCon太陽電池”)被廣泛認為是產(chǎn)業(yè)用下一代主流高效晶體硅太陽電池技術，目前仍處于產(chǎn)業(yè)化應用開發(fā)階段，在技術路線選擇、核心材料制備等方面仍存在不少難題有待解決，尚未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)推廣。本文首先介紹了TOPCon太陽電池技術的研究進展，并分析了該太陽電池現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)技術的不足；然后詳細分析了等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術的優(yōu)、缺點及其產(chǎn)業(yè)應用現(xiàn)狀，重點介紹了管式PECVD裝備及其配套技術(下文簡稱為“管式PECVD裝備技術”)的特點及發(fā)展進程，并分析了該裝備技術在TOPCon太陽電池量產(chǎn)推廣方面的應用潛力。

1 TOPCon太陽電池技術研究進展及現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)技術的不足

自20世紀90年代起，產(chǎn)業(yè)用晶體硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率以每年約0.5%～0.6%的速度提升。截至2021年9月，主流的鈍化發(fā)射極及背面接觸(PERC)太陽電池的最高量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到23.3%，(截至本文刊發(fā)，PERC太陽電池的最高量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率達到23.5%)。因此，光伏行業(yè)迫切需要開發(fā)光電轉(zhuǎn)換效率更高且成本可控的新型高效晶體硅太陽電池技術。

鈍化接觸技術是近10年快速發(fā)展的新型晶體硅太陽電池技術，可以避免PERC技術中的背面金屬接觸復合損失，有效提升鈍化效果及太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通常用隱含開路電壓(iVoc)和單面飽和電流密度(J0,s)這2個鈍化接觸技術指標來表征晶體硅鈍化接觸技術的優(yōu)劣，硅片的隱含開路電壓越高、單面飽和電流密度越低，則代表鈍化效果越好。目前，采用傳統(tǒng)鋁背場(Al-BSF)技術的硅片的單面飽和電流密度在1000 fA/cm2以上，采用主流的PERC技術的硅片的單面飽和電流密度約為60 fA/cm2[1]，而采用基于鈍化接觸的異質(zhì)結(jié)(SHJ)技術[2]和TOPCon技術[3-4]的硅片的單面飽和電流密度均能控制在3 fA/cm2以下。

根據(jù)德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(F-ISE)預測[5]，鈍化接觸太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率約為25%～26%，比目前主流的PERC太陽電池的最高量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率高出約1.5%～2.5%。德國F-ISE預測的晶體硅太陽電池技術發(fā)展趨勢如圖1所示。

圖1 德國F-ISE預測的晶體硅太陽電池技術發(fā)展趨勢Fig. 1 Development trend of crystalline silicon solar cell technology predicted by F-ISE in Germany

開發(fā)量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率高且兼具經(jīng)濟可行性的新型晶體硅太陽電池是光伏行業(yè)的研究重點。SHJ技術和TOPCon技術均是具有量產(chǎn)潛力的鈍化接觸技術，但TOPCon太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率不僅與SHJ太陽電池的相近，且其具有成本低、可與現(xiàn)有PERC太陽電池生產(chǎn)線兼容等優(yōu)勢，因此國際光伏技術路線圖(ITRPV)等重要研究結(jié)果均認定TOPCon太陽電池具有更大的市場潛力。IHS Market數(shù)據(jù)和ITRPV預測的不同太陽電池技術的市場份額情況如圖2所示。

圖2 IHS Market數(shù)據(jù)和ITRPV預測的 不同太陽電池技術的市場份額情況Fig. 2 Market shares of different solar cell technologies predicted in ITRPV and IHS Market data

TOPCon太陽電池的核心結(jié)構由超薄氧化硅層(常見厚度為1.2～2.5 nm)和重摻雜多晶硅層組成，可同時實現(xiàn)高質(zhì)量的表面鈍化和載流子選擇性收集[3-5]。基于磷摻雜的n型TOPCon太陽電池的關鍵結(jié)構示意圖如圖3所示。

圖3 基于磷摻雜的n型TOPCon太陽電池的 關鍵結(jié)構示意圖Fig. 3 Diagram of key structure of n-type TOPCon solar cell based on phosphorus-doped

TOPCon技術于2013年由德國F-ISE報道后引起國際關注[6]，諸多國際一流的光伏研究機構，例如：德國哈梅林太陽能研究所(ISFH)、美國國家可再生能源實驗室(NREL)、澳大利亞國立大學(ANU)、新加坡太陽能研究所(SERIS)等均快速跟進。各個光伏研究機構對氧化硅/多晶硅這一結(jié)構也有不同的命名，比如：POLO、PERPolyTM、MonoPolyTM、Polysilicon、iTOPCon、PERTOPTM等，而中國光伏行業(yè)普遍沿用TOPCon這一命名。

經(jīng)過短短幾年的研究和發(fā)展，TOPCon技術在基礎應用研究和產(chǎn)業(yè)應用研究方面均取得顯著進展。

1)在基礎應用研究方面：采用n型和p型TOPCon技術的硅片的最低單面飽和電流密度可分別低至0.2～0.5 fA/cm2[7-8]和1.0 fA/cm2[9]，對應的隱含開路電壓最高可達到750 mV[8,10]和737 mV[9]；同時，德國F-ISE和德國ISFH分別開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率為26.0%[11]和26.1%[12]的p型TOPCon太陽電池，證明了TOPCon技術在開發(fā)高效太陽電池方面的巨大潛力。

2)在產(chǎn)業(yè)應用研究方面：2019年，天合光能股份有限公司率先報道了其在由PERC生產(chǎn)線升級改造成的TOPCon生產(chǎn)線上制備出了平均量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率為23.0%的TOPCon太陽電池[13]，隨后又將最高實驗室光電轉(zhuǎn)換效率提升至24.58%[14]。截至2021年9月，晶科能源股份有限公司和隆基綠能科技股份有限公司等的TOPCon太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率已超過24.5%，最高光電轉(zhuǎn)換效率已超過25.2%。由此可見，TOPCon技術完全可以制備高效的量產(chǎn)晶體硅太陽電池。

實現(xiàn)TOPCon太陽電池的量產(chǎn)應用，關鍵在于制備厚度均勻可控的高質(zhì)量超薄氧化硅層和重摻雜多晶硅層。研究表明，多種技術方案組合均可用于制備超薄氧化硅層和重摻雜多晶硅層。研究人員通常以多晶硅層的制備方法來命名該技術方案，主要包括：低氣壓化學氣相沉積(LPCVD)技術[13]、PECVD技術[15-18]、磁控濺射(Sputtering)技術[19-20]、常壓化學氣相沉積(APCVD)技術[21]等。各種技術方案中，LPCVD技術和PECVD技術的相關研究最多；相比之下，磁控濺射技術與APCVD技術的研究報道極少，關鍵技術指標也不如LPCVD技術和PECVD技術，相關量產(chǎn)裝備的進展也鮮見報道。TOPCon太陽電池的超薄氧化硅層與重摻雜多晶硅層制備時采用的多種技術方案組合如圖4所示。

LPCVD技術是目前產(chǎn)業(yè)主流技術，原因在于該技術是半導體產(chǎn)業(yè)常用的多晶硅層制備技術，成熟可靠，因而被歐洲光伏設備商首先采納應用。LPCVD技術具有氧化硅層與非晶硅層可單管集成制備、非晶硅層成膜質(zhì)量高、裝備產(chǎn)能大、裝備成本適中、技術成熟等優(yōu)點，采用該技術的TOPCon太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率已超過24.5%。

然而，基于LPCVD技術的TOPCon太陽電池目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模推廣，制約因素主要有2個：1)背面銀漿價格較高；2)TOPCon太陽電池的制備成本較高。其中，第2個因素與LPCVD技術的不足有關，具體分析如下：

圖4 TOPCon太陽電池的超薄氧化硅層與重摻雜多晶硅層制備的多種技術方案組合Fig. 4 Combination of various technical schemes used in the preparation of ultra-thin silicon oxide layer and heavily doped poly-Si layer of TOPCon solar cells

1)非晶硅層的沉積速率低、原位摻雜效率低。LPCVD技術依靠溫度場分解硅烷制備非晶硅層，非晶硅層的沉積速率受限于熱力學平衡態(tài)，導致本征非晶硅層的沉積速率較低[22]。TOPCon太陽電池制備時通常先沉積1層厚度為100～200 nm的本征非晶硅層，然后通過擴散或離子注入實現(xiàn)摻雜，導致制備工藝步驟增加、工藝時間延長。如果制備原位摻雜非晶硅層，則需要引入磷烷等摻雜氣體，導致沉積速率下降更明顯，且均勻性更難控制；同時，由于磷烷氣體的價格較高，也增加了TOPCon太陽電池的制備成本。

2)非晶硅層繞鍍沉積嚴重，且不易清洗。在熱場作用下，硅烷在硅片表面發(fā)生無差別的分解沉積。對于采用背靠背插片方式沉積的非晶硅層，非晶硅在非鍍膜面會發(fā)生顯著且不均勻的繞鍍沉積，考慮到鍍膜和化學品批次間存在波動，使后續(xù)的清洗刻蝕步驟非常難控制，從而降低了器件良率。如果采用預鍍保護層結(jié)合單槽插片的方式沉積非晶硅層，可以對繞鍍非晶硅層進行有效清洗，但如此會使裝備的產(chǎn)能降低一半。

3)裝備維護成本高。非晶硅層會沉積于石英管、石英舟、石英托盤，最終導致石英部件發(fā)生破裂，因此必須每幾周更換一次石英舟及石英托盤、每2～3個月更換一次石英管，并對新更換的石英部件進行長時間的預鍍，以保證熱場的均勻性，這顯著增加了耗材成本和產(chǎn)能損失。

4) p型TOPCon技術的開發(fā)難度大。由于硼擴散所需工藝溫度高(大于950 ℃)，易引起硅片壽命顯著下降；同時，硼的擴散速率較快，擴散深度大，易導致鈍化效果下降。

5)熱氧化法制備氧化硅層時的不均勻性未得到徹底解決。LPCVD技術采用熱氧化法制備氧化硅層，由于處理溫度高(600 ℃)、石英舟長、氧化硅生長速率較高等原因，難以保證管內(nèi)不同區(qū)域間溫度和氧分壓的一致性，易出現(xiàn)氧化硅層厚度不均的情況，從而影響了器件良率。

2 管式PECVD裝備技術的研究現(xiàn)狀

2.1 PECVD技術的主要優(yōu)、缺點

PECVD技術借助等離子體場，對硅烷、磷烷等氣體均可實現(xiàn)高效解離，從而能夠制備沉積區(qū)域可控的原位摻雜非晶硅層，有望解決LPCVD技術存在的部分痛點。PECVD技術具有以下優(yōu)點：

1)可實現(xiàn)原位摻雜非晶硅層的高速率沉積。借助高能量等離子體對反應氣體的解離作用，PECVD技術可使高質(zhì)量摻雜非晶硅的沉積速率達到10 nm/min以上，顯著縮短了TOPCon太陽電池制備時間；同時結(jié)合后續(xù)的高溫晶化退火步驟，有利于降低工藝難度，提高器件良率。

2)邊緣非晶硅層的繞鍍較輕微且易于去除。在沒有掩模版的情況下，PECVD技術的工藝過程會在硅片側(cè)面及背面邊緣1～2 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生輕微且規(guī)則的繞鍍區(qū)。不過，PECVD技術產(chǎn)生的繞鍍非晶硅層的厚度較薄，易于去除，不會對器件良率造成顯著影響。

3)適合制備p型TOPCon太陽電池。PECVD技術易于制備原位硼摻雜非晶硅層，無明顯技術挑戰(zhàn)。

4)適合制備新型高質(zhì)量多晶硅化物層。研究表明，將新型的微量碳、氮摻雜多晶硅化物應用于TOPCon技術，有助于克服常規(guī)多晶硅層存在的寄生吸收顯著[23-24]、抗燒結(jié)能力弱[10]等問題；且只有PECVD技術才適合制備不同摻雜類型和濃度的多晶硅化物層，這也是PECVD技術的另一項重大優(yōu)勢。

在TOPCon太陽電池制備方面，PECVD技術與LPCVD技術一樣可兼容現(xiàn)有PERC生產(chǎn)線，且這2種技術制備TOPCon太陽電池時的步驟數(shù)非常接近。不過，PECVD技術在原位摻雜、晶化退火、繞鍍?nèi)コ⒀b備維護等方面具有優(yōu)勢，使整體制備工藝效率較高，在生產(chǎn)上具有一定競爭優(yōu)勢。LPCVD技術和PECVD技術分別制備TOPCon太陽電池時的工藝流程示意圖如圖5所示。

圖5 LPCVD技術和PECVD技術分別制備TOPCon太陽電池時的工藝流程示意圖Fig. 5 Process flow diagram of preparing TOPCon solar cells preparation with LPCVD technology and PECVD technology respectively

基于上述分析，PECVD技術是一種極有潛力的技術路線，受到了整個光伏行業(yè)的密切關注。當然，PECVD技術目前并未成熟，在裝備路線選擇、薄膜質(zhì)量提升、工藝路線完善、高效太陽電池開發(fā)、生產(chǎn)成本控制等方面仍有大量工作要做，多項關鍵指標與LPCVD技術相比尚未形成實質(zhì)性優(yōu)勢。總體來說，真正實現(xiàn)PECVD技術的應用推廣仍有許多挑戰(zhàn)。

2.2 PECVD裝備技術的方案對比

PECVD裝備技術可分為板式PECVD裝備技術(采用平板鏈式結(jié)構)、管式PECVD裝備技術(采用管式堆疊結(jié)構)兩大類，下文進行詳細介紹。

2.2.1 板式PECVD裝備技術

板式PECVD裝備技術的優(yōu)勢有以下2個方面：

1) 板式PECVD裝備技術是一種可用于非晶硅層制備的成熟裝備技術，在SHJ太陽電池和非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)領域均有成熟裝備機型。德國的Mayer Burger公司曾于2018年對外宣稱其已開發(fā)出板式PECVD裝備技術，并與SERIS聯(lián)合開發(fā)出實驗室光電轉(zhuǎn)換效率為22.8%的n型TOPCon太陽電池[18]。

2) 板式PECVD裝備技術通常采用臥式放片方式，具有消除非晶硅層繞鍍的潛在優(yōu)勢，有利于簡化TOPCon太陽電池的制備工藝流程。

然而，板式PECVD裝備技術的劣勢也很明顯，主要問題為：

1) 裝備價格較高。板式PECVD裝備的真空腔室、電源、真空泵等的成本較高，導致裝備總體價格居高不下。

2) 維護成本高。板式PECVD裝備的電極固定于反應腔室，需要定期開腔清理電極表面硅層及腔室內(nèi)部粉塵，裝備稼動率提升困難，顯著增加了生產(chǎn)維護成本。

3) 占地面積大。由于板式PECVD裝備采用平板鏈式結(jié)構，因此大產(chǎn)能裝備需要占用大量廠房，尤其不利于舊產(chǎn)線的升級改造。

4) 裝備可靠性要求高。板式PECVD裝備技術采用高節(jié)拍的鏈式連續(xù)沉積方法，一旦發(fā)生故障將導致整線停機，因而對裝備部件的可靠性要求極高。

5) 難以釋放大硅片產(chǎn)能。板式PECVD裝備的鍍膜電極和腔室尺寸固定，對于不同尺寸硅片的產(chǎn)能無差別。

2.2.2 管式PECVD裝備技術

管式PECVD裝備使用圓柱狀石英管作為沉積腔室，以電阻爐作為加熱體，采用平行式石墨舟作為載具，將硅片豎直貼合在石墨舟上，然后進行薄膜沉積。管式PECVD裝備的反應腔室及石墨舟的結(jié)構示意圖如圖6所示，圖中：RF為射頻電源。

基于管式PECVD裝備技術獨到的設計，其在生產(chǎn)管理方面比板式PECVD裝備技術更具優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：

圖6 管式PECVD裝備的反應腔室及石墨舟的 結(jié)構示意圖Fig. 6 Structural diagram of reaction chamber and graphite boat of tubular PECVD equipment

1) 裝備產(chǎn)能大且成本低。管式PECVD裝備采用石墨舟載具，巧妙地將電極與載板進行了集成，顯著增加了電極面積；同時，管式PECVD裝備的爐體、電源、真空泵等的成本均低于板式PECVD裝備的成本。

2) 維護成本低，裝備稼動率高。管式PECVD裝備生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵和附著在石墨舟上的非晶硅層可以通過定期清洗石墨舟來去除，無需定期停機維護，保證了裝備稼動率及產(chǎn)能。

3) 裝備占地面積小。管式PECVD裝備可以實現(xiàn)爐管豎直堆疊，占地面積小，可節(jié)省廠房面積，也有利于舊產(chǎn)線的升級改造。

4) 裝備可靠性高。管式PECVD裝備各爐管之間無耦合關系，單一爐管發(fā)生故障并不影響其他爐管，顯著增加了裝備可靠性。

5) 有利于產(chǎn)能擴大。通過增大石英管管徑、改造石墨舟以兼容更大尺寸硅片等方式，可在不顯著增加裝備成本和占地面積的前提下提高產(chǎn)能。

德國F-ISE非常重視管式PECVD裝備技術，聯(lián)合德國Centrotherm公司于2018年3月首次報道了基于管式PECVD裝備技術開發(fā)的TOPCon太陽電池，證明了管式PECVD裝備技術在制備高質(zhì)量摻雜非晶硅層及TOPCon結(jié)構方面的應用潛力[15]；但該裝備技術存在鍍膜穩(wěn)定性差等問題[25]，迄今尚無這方面性能改進的后續(xù)報道。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所(下文簡稱為“中科院寧波材料所”)于2018年11月在中國率先開展了管式PECVD裝備技術的開發(fā)研究，并從次年起陸續(xù)報道了其研究進展。最終，中科院寧波材料所聯(lián)合營口金辰機械股份有限公司旗下子公司蘇州拓升智能裝備有限公司(下文簡稱為“蘇州拓升”)成功研發(fā)出具有獨立知識產(chǎn)權的量產(chǎn)型管式PECVD裝備及全套工藝技術，解決了多項關鍵技術難題。其主要研究進展如下：

1)解決了非晶硅層的高溫脫膜問題，并實現(xiàn)了不同硅片表面的高質(zhì)量鈍化，例如，堿拋光鈍化硅片的隱含開路電壓大于等于740 mV、酸刻蝕鈍化硅片的隱含開路電壓大于等于736 mV。

2)克服了管式PECVD裝備技術常見的系統(tǒng)阻抗降低問題，實現(xiàn)了連續(xù)上百次穩(wěn)定鍍膜。

3)克服了粉塵的影響，避免了非晶硅層脫膜，長期使用對鈍化質(zhì)量無顯著影響。

4)實現(xiàn)了在210 mm大尺寸硅片上均勻鍍膜。

5)開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率大于24%的量產(chǎn)型TOPCon太陽電池。

6)初步開發(fā)了兼容管式PECVD裝備的原位氧化技術，其鈍化質(zhì)量、可重復性、均勻性等指標均接近產(chǎn)業(yè)應用需求。同期，江蘇微導納米科技股份有限公司、深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司等中國公司也開展了管式PECVD裝備技術的開發(fā)，并獲得顯著進展。

基于上述分析，管式PECVD裝備技術是一種更為理想的TOPCon太陽電池量產(chǎn)的裝備技術，也獲得了光伏行業(yè)的廣泛關注。然而，管式PECVD裝備技術在裝備技術成熟度、關鍵工藝集成、高效太陽電池開發(fā)、生產(chǎn)成本控制等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。截至2021年9月，管式PECVD裝備技術仍處于開發(fā)驗證階段(至論文發(fā)表時，管式PECVD裝備技術已開始產(chǎn)業(yè)化應用)。

2.3 管式PECVD裝備技術的主要挑戰(zhàn)及研究現(xiàn)狀

2.3.1 非晶硅層高溫脫膜現(xiàn)象

通常認為，PECVD技術沉積的非晶硅層在高溫退火過程中易產(chǎn)生脫膜，這是制約PECVD技術最終實現(xiàn)量產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)應用的關鍵難題。

研究表明，膜層脫落與PECVD技術沉積的非晶硅層中含有高濃度的氫有重大關系[10,26]。常規(guī)PECVD技術沉積的非晶硅層中含有原子百分比高達10%以上的氫原子；氫原子在高溫下快速溢出，造成顯著的內(nèi)應力集中，導致膜層在界面、晶界處等地方發(fā)生開裂和剝落，最終造成鈍化質(zhì)量顯著下降。

針對上述問題，研究人員通過采用微晶硅取代非晶硅[27-28]，改變沉積工藝、退火處理及硅片形貌[29-33]，采用摻碳納米晶層作為緩沖層[34]，改用碳或氮摻雜非晶硅化物[10,26]等方法，可以消除脫膜現(xiàn)象，從而解決了PECVD技術量產(chǎn)應用的關鍵難題。市面現(xiàn)有正在研發(fā)的量產(chǎn)型PECVD裝備主要是通過調(diào)節(jié)沉積工藝來抑制薄膜中的氫含量，最終達到消除脫膜的效果。

2.3.2 氧化硅層原位制備技術

氧化硅層原位制備技術是另一個制約管式PECVD裝備技術量產(chǎn)應用的關鍵難題，目前尚無成熟的低成本原位氧化技術，原因主要在于：

1)熱氧化技術是產(chǎn)業(yè)主流技術。然而，石墨舟無法承受600 ℃及以上溫度的氧化處理，因而無法兼容熱氧化技術。如果堅持采用熱氧化硅，則需要在額外的管式爐制備氧化硅層并通過自動化設備進行轉(zhuǎn)移，且氧化硅層質(zhì)量易受自動化吸盤及車間不潔環(huán)境的影響。

2)等離子體增強原子層沉積(PEALD)技術是市面上已有的低溫氧化硅技術。該技術通過循環(huán)沉積硅薄膜、進而氧化的方法，可以在低溫下制備超薄氧化硅層，因而可兼容石墨舟載具，是一種能與管式PECVD裝備結(jié)合的技術[35]。然而，該技術的問題在于硅源氣體的價格高且工藝時間相對較長，在實際應用中仍有不足之處。

開發(fā)兼容石墨舟的低成本原位氧化技術對于推動管式PECVD裝備技術的推廣應用具有重大意義，目前已有2種具有潛力的氧化硅技術正在開發(fā)中。

1)第1種是等離子體輔助氧化法。即利用等離子體場對惰性含氧氣體進行解離，以產(chǎn)生的活性氧原子對硅片表面進行氧化，進而制備高質(zhì)量氧化硅層[36-37]。然而，管式PECVD裝備采用了40 kHz中頻電源，其離子轟擊顯著高于13.56 MHz射頻電源，因而通常認為難以制備高質(zhì)量氧化硅層。

不過，中科院寧波材料所與蘇州拓升團隊通過降低電源功率、調(diào)節(jié)壓力、改變放電脈沖、改變氣體種類等方法，成功降低了離子轟擊，制備出整舟厚度均勻的高質(zhì)量氧化硅層，其鈍化硅片的平均隱含開路電壓達到745 mV以上。該技術無需增加額外設備，采用一氧化二氮(笑氣)等惰性氣體，成本低廉且無安全隱患，更重要的是具有實現(xiàn)氧化硅層及摻雜非晶硅層在單管中“二合一”制備的潛力，極具應用前景。

2)第2種是臭氧氣氧化法。即利用臭氧氣的強氧化性，在適當溫度下對硅片進行氧化，以制備高質(zhì)量的氧化硅層[38]。由于臭氧氣在300 ℃以上會迅速分解，因而其工作溫度通常不會過高，使石墨舟可以承受該條件下的氧化氣氛。

目前，中科院寧波材料所與蘇州拓升團隊已經(jīng)初步證實了該方法的有效性：整舟實驗表明，臭氧氣氧化法獲得的氧化硅具有很好的均勻性，鈍化硅片的平均隱含開路電壓同樣可達到745 mV。該方法的優(yōu)勢包括：工藝簡單、反應溫度低、采用廉價氧氣；由于工藝溫度低，可減少溫區(qū)波動對氧化硅層厚度均勻性的影響，有利于提高氧化硅層厚度控制的穩(wěn)定性；有望成為一種低成本的氧化硅層制備技術。

上述2種新型氧化硅技術仍處于產(chǎn)業(yè)驗證和改進階段，一旦產(chǎn)業(yè)驗證成功，預計將推動管式PECVD裝備技術的產(chǎn)業(yè)化應用。

2.3.3 高效TOPCon太陽電池的開發(fā)

目前，基于管式PECVD裝備技術獲得的鈍化硅片在經(jīng)過模擬燒結(jié)后，其平均隱含開路電壓大于738 mV、接觸電阻率小于0.003 Ω?cm2，相關指標已可完全滿足制備量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率大于25%的TOPCon太陽電池的要求。然而，由于管式PECVD裝備技術于2020年才開始進入企業(yè)實驗室展開研發(fā)，開發(fā)應用的時間較短，TOPCon太陽電池制備工藝和漿料等輔材尚未匹配到位，導致采用PECVD技術制備的TOPCon太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率剛達到24.2%，與采用LPCVD技術制備的TOPCon太陽電池的實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率(25.2%)仍有較大差距。因此，進一步優(yōu)化TOPCon太陽電池制備工藝、開發(fā)適用型漿料來提升TOPCon太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率是一項重點研究內(nèi)容。

2.3.4 TOPCon太陽電池的生產(chǎn)成本控制

由于管式PECVD裝備技術還未完全開發(fā)成功，采用管式PECVD裝備技術制備TOPCon太陽電池的生產(chǎn)成本仍較高。事實上，管式PECVD裝備技術的生產(chǎn)成本存在很大的優(yōu)化空間，在工藝時間、氣體耗量、產(chǎn)能提升、流程優(yōu)化等方面仍有大量工作要做，其生產(chǎn)成本在該技術走向真正產(chǎn)業(yè)應用之前仍需大幅縮減。

3 討論分析

德國F-ISE于2021年發(fā)表的論文[39]中針對LPCVD技術、PECVD技術、APCVD技術等的生產(chǎn)成本進行了深入分析。通過測算，該研究認為在銀漿成本下降、太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提升的前提下，由于PECVD技術和APCVD技術的薄膜沉積速率更高，在降低太陽電池生產(chǎn)成本方面更具競爭力。上述研究結(jié)論表明，提升薄膜沉積速率在成本控制方面具有重大作用。

考慮到光伏發(fā)電是一項面向滿足人類能源需求的重大基礎產(chǎn)業(yè)，要求不斷降低能源的生產(chǎn)成本。因此，通過提高生產(chǎn)過程中的材料與能源利用率來降低太陽電池的平準化度電成本是光伏技術不斷迭代的內(nèi)在邏輯。

LPCVD技術通過熱效應對反應氣體進行分解，受限于熱力學平衡效應的制約，無法顯著提升非晶硅層的沉積速率；同時也受限于不同反應氣體熱力學分解條件的差異，難以靈活調(diào)控摻雜類型和濃度。相比之下，PECVD技術通過等離子體場對反應氣體進行分解，在非平衡態(tài)下實現(xiàn)提升沉積速率、引入摻雜原子、改變薄膜組分、控制沉積區(qū)域等目標，可以顯著提升薄膜沉積速率，實現(xiàn)高效原位摻雜。因此，PECVD技術在非晶硅層的沉積速率和雜質(zhì)摻雜等關鍵步驟的實現(xiàn)效率顯著優(yōu)于LPCVD技術，這或是其最終能在產(chǎn)業(yè)技術路線競爭中脫穎而出的根本原因。

目前，管式PECVD裝備技術的理論優(yōu)勢尚未轉(zhuǎn)化為實際優(yōu)勢，在關鍵技術工藝、高效太陽電池開發(fā)、全流程成本降低等方面仍有大量工作要做。另外，受限于銀漿成本與硅料成本均較高等行業(yè)共同面臨問題的影響，n型TOPCon太陽電池的量產(chǎn)推廣進程仍在推遲，這也影響了管式PECVD裝備技術的開發(fā)進程。

基于上述分析，管式PECVD裝備技術具有較大概率實現(xiàn)規(guī)模化應用，但目前仍存在較大挑戰(zhàn)，需要全行業(yè)有識之士的共同努力才能最終走向真正的產(chǎn)業(yè)化應用。

4 結(jié)論

本文詳細闡述了當前TOPCon晶體硅太陽電池的研究進展、產(chǎn)業(yè)化應用推廣的現(xiàn)狀及面臨的主要問題，通過詳細對比不同技術路線的工作原理、工藝制程、裝備技術等方面的優(yōu)點與不足，指出管式PECVD裝備技術在制備低成本、高性能TOPCon晶體硅太陽電池用重摻雜多晶硅層和超薄氧化硅層等方面具有綜合優(yōu)勢。管式PECVD裝備技術在非晶硅層沉積和原位摻雜等關鍵步驟的實現(xiàn)方面效率更高，可集成超薄氧化硅層的原位制備，又兼具裝備價格低、維護簡易、可靠性高、占地面積小等優(yōu)點，有望成為TOPCon太陽電池生產(chǎn)的一種重要的產(chǎn)業(yè)化技術路線。

致 謝：感謝博威爾特(越南)太陽能科技有限公司及其總經(jīng)理吳中瀚博士在中科院寧波材料所科研項目初期提供的支持，感謝常州時創(chuàng)能源股份有限公司及其董事長符黎明博士在管式PECVD裝備及其配套技術研發(fā)初期提供的支持。