2022年选择性发射极太阳能电池的发展现状 .pdf

选择性发射极太阳能电池的发展现状Solarbe(索比 )太阳能网讯： 摘要：本文在总结选择性发射极结构的特征和理论的基础上，对实现选择性发射极结构的工艺方法和目前工业化现状进行了综述。关键词：选择性发射极；工艺引言太阳能电池的终极目标是降低成本和提高效率。目前标准的太阳能电池生产方式下，效率的提升已经接近了极限， 光伏 业界都把目光聚集在了高效电池工艺上。在众多技术中，选择性发射极结构是p-n 结晶体硅太阳能电池生产工艺中有希望实现高效率的方法之一，目前已有很多厂商实现了商业化或者正在商业化进程中。所谓选择性发射极结构是：在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区，在其他区域形成低掺杂浅扩散区。结合其特征，实现选择性发射极结构的关键便是如何形成上面所说的两个区域。其实现的技术有很多种，粗略的可以分为掩膜法、掺杂浆料法、激光辅助法和离子注入法四种。1. 选择性发射极结构的原理和优点常规的均匀发射级的优化实际上发射极暗饱和电流和接触电阻的一种平衡。对于钝化的发射极，要求其具有低的表面掺杂浓度，低于 1x1020cm-3。与此同时， 为了保持较低的发射极饱和电流Jo ，发射极必须很浅。但是对于非钝化区域，即金属接触区域,为了形成良好的欧姆接触，其掺杂浓度对于n 型硅必须在1019-1020cm-3 ，对于 P型硅必须达到1017cm-3 ，而且发射极必须相对比较厚(0.3m)。所以均匀发射极需要高的表面浓度和厚的发射极厚度(0.3-0.4m)，但是这样使得钝化效果很差。理论模拟的结果显示，对于金属区域，发射极表面浓度优化值是1020cm-3，深度是 3-10m。非金属区域的表面杂质浓度优化值为1018-1019cm-3，深度为 0.2-0.4um，并且最好是突变节。这样就要求发射极存在两个区域 ,金属区的高掺杂区和非金属区的低掺杂区域,即所谓的选择性发射极。对于 AM1.5，约有 20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内，所以浅扩散可以提高短波段太阳光的量子效率，提高短路电流。同时，存在这一个横向的高低结，还可以提高开路电压。因此，选择性发射极具有如下优点：（1）降低串联电阻，增加填充因子；（2）减少载流子在发射极内的复合，提高表面钝化效果；（3）改善电池的短波光谱响应，提高短路电流和开路电压。2. 选择性发射极的实现工艺选择性发射极自概念提出以来，一直没有产业化的原因是由于其工艺复杂、生产成本高。随着激光，精准丝网印刷技术的日趋成熟，一些具有产业化前景的新工艺产生。而无锡尚德研发的Pluto 电池的转换效率达到了 19%。国外先进的设备商，Centrotherm 、 Schmid、Roth & Rau 等也开发制造了选择性发射极的交钥匙生产线。下面就这些设备厂商发展的各种工艺路线进行比较总结。（1）两次扩散法利用光刻的两次扩散技术主要用于高效电池的制备中。通过光刻工艺可以得到很细的栅线(20-25m)。在原始的技术中，两次扩散的工艺中由氧化得到的氧化层作为扩散阻挡层，然后由光刻去除氧化层，由普通扩散方式形成选择性发射极。该方法需要高温氧化过程，增加了成本，并且对硅片本身造成了损伤，特别不适合于多晶硅。澳大利亚新南威尔士大学的PERC和 PERL高效电池使用的就是这种工艺和结构。后来的设备厂商都简化了这种工艺。（2）氧化物掩膜一次扩散法该工艺由 Centrotherm公司产业化。工艺步骤如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 该工艺是在清洗制绒后，通过热生长的方法生长一层较薄的氧化层，然后根据丝网印刷前电极的图案在氧化层上开槽，再用弱碱清洗激光损伤层。在磷扩散时，没有开槽的区域由于氧化层的阻挡作用形成浅扩，开槽的区域形成重扩区。开槽的宽度控制在250nm-300nm 。该工艺需要解决的问题是：a. 硅片经历氧化和扩散两次高温过程，高温损伤比常规工艺要大，对硅片质量要求较高.b. 氧化层的厚度和均匀性需要控制的较好.c. 需要丝网印刷的精准对位，尤其是当开口的宽度变小时对位要求会更高。（3）返刻工艺该工艺由德国Konstanz 大学开发，并由Schmid 公司商业化，其工艺如下：其原理是在重扩(40/)之后，在金属区域用喷墨打印的方法打印与前栅线图案相同的石蜡作为掩膜(200-300nm 宽)，然后利用HF/HNO3 的混合溶液将掩膜以外的重掺杂层表层刻蚀掉几十纳米的薄层形成浅扩散层 (40/)，然后将石蜡清洗掉。掩膜制备和丝网印刷栅线之间具有二次定位系统，使栅线印刷在掩膜区域。该工艺的优点是流水线作业，产量大，易于产业化，缺点是：a.Etch-back 工艺步骤比较难于控制，要求方块电阻均匀性较好。b. 喷墨打印 (inkjet printing) 掩膜成本较高，设备本身维护比较麻烦c. 丝网印刷电极需要精准对位。（4）印刷刻蚀浆料工艺和 Schmid 的 Etch-back工艺有着相似性的工艺是德国的Merk 公司开发的腐蚀浆料工艺。其具体工艺如下：该工艺的要点是在重掺杂发射极(40/)表面印刷含有磷酸的腐蚀浆料，然后于300-400oC 加热促进腐蚀浆料与硅片进行反应，并让有机物挥发，将表面的重掺杂层腐蚀成轻掺杂区(90/ )，然后通过超声波水洗将浆料去掉。与 Schmid 的工艺相比较，原理相同，然而丝网印刷的方法使成本更低，使用的化学品耗量较少，特别是HF 和 HNO3 用量，从另一方面降低了成本。所用浆料反应后只需用纯净水清洗即可，环保性更好。需要注意的问题是：a. 扩散方阻的均匀性和腐蚀的均匀性.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - b. 丝网印刷需要精确对准。另外，重掺杂区和轻掺杂区的区别在多晶硅上不是很明显，对位有些难度.c. 对丝网有较高的要求，需要具有防酸腐蚀性能。（5）硅墨水技术该技术由 Innovalight 公司开发。其工艺流程如下：图 1 (a)纳米颗粒的透射图像(b)硅纳米粉末(c)硅墨水名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图 2 (a)单晶硅上的重掺杂区(b)多晶硅上的重掺杂区此工艺的要点是：丝网印刷掺杂的纳米硅墨水，通过高温加热烧结形成掺杂层，然后进行扩散。在印刷硅墨水的位置形成重掺层，结深在1m 左右，在其他位置形成轻掺区。该工艺的优点是工艺简单，不需要增加额外设备。工艺的难点是调整扩散工艺，使得在重掺杂源存在的情况下，保证周围区域扩散的均匀性，在印刷硅墨水时，要保证不能引入金属离子，污染硅片。丝网印刷步骤也需要精准对位。Honeywell 公司开发的工艺与硅墨水技术很相近。所不同的是采用丝网印刷的是带有掺杂源的磷源，烘干后扩散。如下：而 OTB和 Roth & Rau公司则采用喷墨打印的方法打印掺杂浆料。（6）激光掺杂法 (喷涂磷源 )该工艺的要点是在硅片进行浅扩散(100-120/)，沉积氮化硅薄膜后进行丝网印刷铝背场并烧结。然后在前表面喷涂磷源 (磷酸 +酒精 )。再用激光 (532nm，激光 )按照栅线图案进行开槽并掺杂，形成方阻约20 的局域重掺杂区域。最后利用光诱导电镀在这些重掺杂区上电镀Ni/Cu/Ag 金属层作为前电极。图 3 镀铜镍的扫描电镜截面图由于采用了激光刻槽和电镀的方式，栅线宽度可减少至30um，与硅片接触宽度约12um 左右。无锡尚德量产的 Pluto 单晶电池的平均效率达到19%。该电池的优势在于非常小的遮光面积和线间距(0.9mm) 。这样既提高了开路电压和短路电流，又不至于使填充因子下降太多。由于采用了自对准电镀工艺，无需高精度的丝网印刷机进行二次对位。工艺的难点在于：a. 激光掺杂工艺的控制，激光在Pluto 中起到了关键作用，既要在氮化硅上开槽又要形成重掺杂层，并保名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 证具有一定的表面掺杂浓度，减小对表面的损伤，激光的波长，脉冲频率和功率都要仔细选择。并且稳定控制才能达到生产需求。b. 金字塔绒面要控制的小而且均匀。c. 如果采用电镀Ni 作为种子层，还要经过一道低温烧结工艺。d. 电镀 Ag 与焊带之间的粘结力较小，在制造组件过程中串焊流程容易发生脱焊。目前还没有很好的解决方案。e. 在电池制备过程中， 对氮化硅的致密性要求很高，任何划伤和针孔都会造成电镀时产生花片。Centrotherm的管式 PECVD要比 Roth & Rau 的板式 PECVD制备的氮化硅致密性要好。f. 在制造过程中也要防止镀膜电池片的相互堆叠，造成氮化硅薄膜的擦伤。g. 此外，对于100-120 方阻的扩散要求也较高，国产的扩散炉较难做到比较均匀，而进口的扩散炉价格要昂贵的多。该工艺是由澳大利亚新南威尔士大学开发，现由Roth&Rau 公司商业化。（7）激光 PSG掺杂该工艺由 Stuttgart 大学开发，由Manz 和 Centrotherm 公司商业化。其工艺如下：。此方法的要点是采用扩散时产生的磷硅玻璃作为掺杂源进行重掺杂，该方案实现的工艺简单，增加的设备和工艺步骤在所有选择性发射极技术中最少。技术的难点在于：a. 扩散中形成的轻掺杂区域对扩散炉的要求较高，高方阻下的扩散均匀性是一个难点。b. 在丝网印刷电极工艺需要精确对准。c. 对电池效率的提升有限。（8）化学激光法该方法由 Fraunhofer 的 ISE开发， Rena公司正在商业化。其工艺步骤如下：该工艺类似于激光掺杂技术，所不同的是激光掺杂过程不是先在硅片上喷涂上磷源，而是直接在含有磷源的液体中进行，通过液相诱导激光去除氮化硅和实现重掺杂。简化了工艺步骤和设备投入，同时减少了化学品的用量。该工艺的难点是：激光掺杂过程的工艺控制比较困难，同激光掺杂一样，激光的各种参数都需要很好的配合。同样的后续的电镀工艺栅线的粘附性还是很大的挑战。（9）离子注入法该工艺由 Varian 公司商业化，其工艺为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 该方法的关键是利用离子注入方法将高能的P粒子注入到硅的体内，然后通过退火激活。优点在于可以灵活控制掺杂的浓度和深度，也省去了常规扩散中去除磷硅玻璃和背结的步骤。工艺的难点在于如何控制离子注入的能量等参数形成很好的发射极掺杂浓度曲线和之后的退火工艺。在退火过程中，通过通入氧气形成氧化层可以使钝化效果更好。更由于表面浓度的不同而造成氧化层厚度的不同，使得重掺杂层和轻掺杂区可以明显的分辨出来，便于后续的对准印刷。另外由于 Varian 公司采用的是单片式工艺，产能受到限制，成本比较高。从效率上来看，见图1.可以看到了众多技术在单晶上都可以实现18.5%的平均效率。其中激光掺杂电镀前栅线的方法已由国内的尚德量产了多年，平均效率已达到19%。在多晶硅上的效率的增益，虽然很多厂商宣称为 0.4-0.5%，然而量产的效率却不尽如人意，在 0.2%左右。由于适合高方阻的杜邦PV17A浆料的出现，对各种选择性发射极是个不小的冲击。图 4 各种技术的效率和增加步骤3. 结语选择性发射极技术是目前比较产业界力推的高效电池技术，虽然众多厂商都推出了各自的工艺，然而究竟是哪种技术会更占主流还要看它是否满足以下的几个条件：（1）最少的额外步骤（2）与现在生产线的相容（3）高稳定性和可靠性（4）高效率（5）高的效率和价格比，对于每一个额外的步骤，效率至少要提高0.2%的绝对效率值目前一些工艺在生产成本上还比较高，效率还不太稳定，尤其是在多晶硅电池上的效果不太理想。也有的电池生产商将选择性发射极技术和其他技术相结合，试图寻求更高的效率。未来，选择性发射极技术的发展还充满着不确定性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -