1、 范少博范少博20140104背接触硅太阳电池研究进展任丙彦，吴 鑫，勾宪芳，孙秀菊，于建秀，褚世君，励旭东第1页，共15页。摘要 高效率、低成本是晶体硅太阳电池发展的主流方。背接触电池以其独特的器件结构、简单的制备工艺及较高的电池效率，备受光伏市场的关注。概括了目前国际上研究较多的几种背接触硅太阳电池，对其结构特点、制造技术及发展概况作了系统介绍，并在此基础上提出了需要改进的问题及未来的发展方向。第2页，共15页。一、背接触硅太阳电池及其分类 背接触硅太阳电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种硅太阳电池。背接触电池有很多优点：效率高。由于降低或完全消除了正面栅线电极的遮光损失
2、，从而提高了电池效率。易组装。采用全新的组件封装模式进行共面连接，既减小了电池片间的间隔，提高了封装密度，又简化了制作工艺，降低了封装难度。更美观。电池的正面均一、美观，满足了消费者的审美要求。根据p-n结位置不同，背接触硅太阳电池可分为两类：背结电池。p-n结位于电池背表面，发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面，如IBC电池。前结电池。p-n结依然位于电池正表面，只是通过某种方法把在正表面收集的载流子传递到背面的接触电极上，如EWT电池。第3页，共15页。二、种背接触硅太阳电池简介背结电池：背结电池的p-n结靠近电池背面，光照产生于正表面区域的光生载流子必须穿过整个衬底才能到达背电极，这
3、就对材料少子扩散长度及少子寿命提出了更高要求。若寿命较短，还未扩散到背结区域就已经被复合掉了，从而会使电池效率大大下降。尽管n型硅材料的少子迁移率较小，但其寿命较长，且对杂质沾污的敏感性较低，所以比较适合于制作背结电池。第4页，共15页。1.lBC太阳电池（图1）：电池选用n型衬底材料，前后表面均覆盖一层热氧化膜，以降低表面复合。利用光刻技术，在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成又指状交叉排列的P区、n区，以及位于其上方的P+区、n+区。重扩形成的P+和n+区可有效消除高聚光条件下的电压饱和效应。此外，P+和n+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的12，大大降低了串联电阻。IBC电池的核心
4、问题是如何在电池背面制备出质量较好、呈叉指状间隔排列的P区和n区。为避免光刻工艺所带来的复杂操作，可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层，掩蔽层上的硼经扩散后进入n型衬底形成n十区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成P+区。通过丝网印刷技术来确定背面扩散区域成为目前研究的热点。第5页，共15页。第6页，共15页。2.PCC太阳电池（图2）:A-300电池采用n型硅材料作为衬底，载流子寿命在lms以上。正表面没有任何电极遮挡，并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应L6。电池前后表面利用热氧钝化技术生成一层Si02钝化层，降低了表面复合并增加了长波响应，从而使开路电压得以提高。在前表
5、面的钝化层下又进行了浅磷扩散以形成n+前表面场，提高短波响应。背面电极与硅片之间通过Si02钝化层中的接触孔实现了点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，进一步降低了载流子在电极表面的复合速率，提高了开路电压。较为出色的陷光、钝化效果，以及采用了可批量生产的丝印技术，使A-300成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表。第7页，共15页。3.RISE太阳电池（图3）：电池以P型FZ-Si作为衬底，正面制作随机金字塔绒面，并通过PECVD沉积双层SiM薄膜，以起到减反射和表面钝化作用。电池背面利用局部激光烧蚀技术，烧蚀成高低不同、呈叉指状交叉排列的两片区域。这种台阶结构成为RISE电池最大的结构
6、特点。背面经磷扩散后，台阶的底面及侧面区域形成电池的发射区。台阶的顶面区域因siQ薄膜阻挡了磷的扩散，成为电池的基区。随后，在电池背面蒸铝，并采用湿化学腐蚀法除掉沉积在基区与发射区衔接区域的铝浆，以实现发射区电极与基区电极的分离。最后，利用LFC技术穿透Si02薄膜制作基区导电接点。RISE电池利用一层超薄的隧道氧化物形成高质量的AISiqn+电池Si接触。这些独特的结构设计，使电池效率达到195(4crnz)。为了进一步降低基极接触区的复合速率，在其他区域保持不变的情况下，用局部硼扩散制作的硼背场(B-BSF)替换LFC制作的铝背场(AI-BSF)，提高了短路电流，使效率提升到215。由于背
7、面电极是通过单步铝蒸发制作而成，因此，如何很好地分离基区电极和发射区电极，成为制作RISE电池的一项技术难题。该研究所开创的自对齐接触分离法成功地解决了这一问题，并经试验证实，此方法同样适用于大面积RISE电池的制作。第8页，共15页。前结电池：前结电池的p-n结位于电池正表面，可以有效收集载流子，降低对衬底材料的要求。前结电池的关键在于如何实现正面p-n结与背面接触电极的连接。电池结构不同，其连接方式也不相同。第9页，共15页。4.MWT太阳电池（图5）：采用激光技术在细栅上作出这些导电孔，然后在孔内进行扩散及金属化，使其能导通到背面的主栅上。在主栅的电极接触区重扩形成选择性发射极结构，而在
8、基区电极接触区制作铝背场。MWT电池同样需要考虑背面电极的理想绝缘问题。正面栅线电极及背面接触电极既可采用丝网印刷技术制作，又可采用激光刻槽埋栅电极(LGBG)及化学镀技术制作。采用LGBG技术制作的MWT电池，效率已达到172(Cz-Si)。Konstanz大学利用化学镀技术，在大面积(140cm2)Cz-Si衬底上成功地制作出效率为17的MWT电池。第10页，共15页。5.EWT太阳电池（图6）：EwT电池完全去除了正表面的栅线电极，依靠电池中的无数导电小孔来收集载流子，并传递到背面的发射区电极上。导电孔的制作，早期主要采用光刻和湿法化学腐蚀法，目前最常用的是激光钻孔。孔内进行重磷扩散以降
9、低接触电阻及接触复合。电池背面是间隔排列的P型电极凹槽和n型电极凹槽。分别在13型电极凹槽和P型电极凹槽内进行磷硼扩散以降低接触复合。FraunhoferISE采用Si02钝化及光刻技术，在FZ-Si衬底上制作出效率为214的EwT电池(6cm2)，成为EwT电池的最高效率保持者1引。Konstanz大学采用丝网印刷技术，在Cz-Si衬底上制作出低成本大面积EwT电池，效率为158孵”。美国Advent Solar公司采用双面收集结结构，并利用激光钻孔及丝网印刷技术，批量生产低成本、大面积(156cmz)的EWT电池，效率均在15以第11页，共15页。6.POWER-EWT太阳电池（图7）既具
10、有P0wER电池半透明、机械柔韧性好等特点，又具有EwT电池连接简单、表面均一美观等优点。电池正反两面通过机械方法刻凿出相互正交的矩形凹槽，槽深大于衬底厚度的12，由此在两面凹槽的相交区域就会形成透光孔，孔的大小由槽宽决定。槽宽的设计要适中，既要考虑到印刷电极的技术需要，又要满足两种接触电极的绝缘要求。磷扩散后，这些透光孔起到了连接表面发射区与背表发射区电极的作用。P()WER-EWT电池独特结构的优点是：正表面的凹槽结构增加了表面的陷光效果；电池中任一点到收集结的距离都相应变短，可以在低质衬底上获得很高的收集效率。但由于电池背面基区主栅的绝缘效果欠佳，致使效率仅仅达到83。第12页，共15页
11、。第13页，共15页。7.RISEEWT太阳电池（图8）：其结构和制作工艺与RISE电池相似，只是p-n结位于电池正表面，随后采用EWT电池结构概念，利用激光钻孔连接正面发射区和背面发射区电极。RISE-EWT电池的整个制作流程只采用了激光烧蚀、PECVD、磷扩散等无直接机械接触的加工技术，便于加工面积较大的薄晶片。目前，RISE-EWT电池的最高效率为20(FZ-Si，93CITl2)，通过优化单步磷扩散工艺及激光烧蚀工艺，有望使性能获得进一步提升。第14页，共15页。结论 经过多年的研究，已经开发出许多不同结构的背接触硅太阳电池，取得了骄人的成绩，但仍有许多不足之处需要改进，主要集中在3个方面：降低成本。包括降低对衬底质量的要求、制作工艺易于工业化、简化工艺步骤等，性能优化。包括电池结构的设计、陷光及钝化效果的优化、背面接触电阻的降低等，大面积化。薄衬底、大面积电池成为未来发展的趋势。背接触硅太阳电池已经朝低成本、高效率、大面积方向发展。第15页，共15页。
