高效晶体硅太阳能电池介绍

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1、高效晶体硅太阳电池简介（1）PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究的高效电池。它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接[26]触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％。由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材

2、料只能选用电阻率低于0.5Ωcm以下的硅材料。为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩[27]散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示。定域掺硼的温度为900℃，时间为20min，

3、随后采用了drive-instep技术（1070℃，2h）。经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20Ω/□以下。孔间距离也进行了调整，由2mm缩短为250µm，大大减少了横2向电阻。如此，在0.5Ωcm和2Ωcm的p型硅片上制作的4cm的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记[28]录。这种PERL电池取得高效的原因是：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构

4、；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370℃的合成气氛中退火30min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中-OH离

5、子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。在这个电池中浓硼扩散区面积为30µm×30µm，接触孔的面积为10µm×10µm，孔间距为250µm，浓硼扩散区的面积仅占背面积的1.44%。定域扩散提供了良好的背面场，同时减少了背面金属接触面积，使金属与半导体界面的高复合速率区域大大减少。并且由于背面浓掺杂区域的大面积减少，也大大降低了背面的表面复合。综合以上技术，该电池电学2性能很好，在1.0Ωc

6、m左右的p型Fz硅片上制作的4cm的PERL2电池开路电压达到706mV，短路电流为42.2mA/cm，填充因子为82.8％，效率达24.7％。在其它类型的硅片上采用PERL结构也可实现高效，例如采用MCZ2[29]硅片制作的4cm的PERL电池效率达到23.5％。但是利用CZ（B）2硅片上制作的4cm的PERL电池效率较低，只有18.7％，这是因为CZ硅里含有大量的氧，在光照的情况下会与硼发生反应导致效率大幅降低。利用FZ硅制作大面积的PERL电池效率也很高，1997年制2[30]作的21.6cm的电池效率达到23.7％。对于多晶硅来说，它的载流子寿命较短，并且一般在高于95

7、0℃下进行处理时载流子寿命将会大幅降低。但是在利用其制作PERL电池过程中，即使有的制备工艺温度在1100℃左右，载流子寿命也不会受到很大影响，这充分说2明了PERL结构钝化工艺的完美。1997年J.Zhao制备了1cm多晶硅PERL电池，考虑到载流子寿命较短，所以背面接触孔间的距离由250μm缩短到180μm，这虽然增加了接触孔的密度，但并不影响开路电压。在正面没有采用倒金字塔陷光结构的情况下，该电池开路电压仍2然达到643mV，短路电流为34.5mA/cm，填充因子为82.0％，转换[3