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高效晶体硅太阳能电池技术

摘要：晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池。本文在

解释常规太阳能电池能量损失机理的基础上，介绍了可应用于商业化生产的高效晶体硅太阳能电池技术及其工艺流程，并对每种电池技术的优、缺点及工艺难度进行了评价。

关键词：晶体硅电池；高效电池；商业化

1 引言

能源是一个国家经济和社会发展的基础. 目前广泛使用的石油、天然气、煤炭等化石能源面临着严峻的挑战. 2005年2 月我国通过了《中华人民共和国可再生能源法》,从立法角度推进可再生能源的开发和利用,这是解决我国能源与环境、实现可持续发展的重要战略决策。

不论从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠成熟性来说,太阳能在可再生能源中都具有更大的优越性,光伏发电已成为可再生能源利用的首要方式。而晶硅太阳电池一直占据着光伏市场的最大份额. 与其它的可再生能源一样,目前要使之从补充能源过渡到替代能源,太阳电池光伏发电推广的最大制约因素仍然是发电成本。围绕着降低生产成

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本的目标,以高效电池获取更多的能量来代替低效电池一直是科学研究的的热门. 近年来高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在美国、德国和日本,高效太阳能电池研究正如火如荼，特别是美国，商品化高效电池的转换效率已超过20%。 .

2 硅太阳能电池能量损失机理

目前研究成果表面，影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面： ①光学损失. 包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失,其中反射和阴影损失是可以通过技术措施减小的,而长波非吸收损失与半导体性质有关； ②电学损失. 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的体电阻以及金属-半导体接触（欧姆接触）电阻损失. 相对而言,欧姆损失在技术上比较容易降低,其中最关键的是降低光生载流子的复合,它直接影响太阳电池的开路电压。而提高电池效率的关键之一就是提高开路电压Voc。光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入了大量的复合中心。此外,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度Sb 对太阳电池特性的影响也很明显。而从商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本和提高效率,现在生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格.因此必须有减少前、背两个表面的光生载流子复合的结构和措施.

3 高效晶体硅太阳能电池技术

3.1 背接触电池IBC/MWT/EWT （1）IBC电池（PCC电池）

背接触电池是由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背面，量产效率可达19%～20%。

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这种把正面金属栅线去掉的电池结构有很多优点：（1）减少正面遮光损失，相当于增加了有效半导体面积，有利于增加电池效率；（2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面所替代。

由于光生载流子需要穿透整个电池被电池背表面的pn结所收集，故IBC电池对硅片本身的质量要求较高，需采用载流子寿命较高（纯度较高）的硅晶片材料，一般采用质量较高的n型FZ单晶硅作为衬底材料。正面采用氧化硅或氧化硅/氮化硅复合膜与n+层结合作为前表面电场, 并形成绒面结构以抗反射。背面利用扩散法做成p+与n+交错间隔的交叉式接面，并通过在氧化硅上开金属接触孔，实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区

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与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分有利于电流的引出。结构见图1。

图1(a) IBC电池基本结构图

图1(b) IBC电池基本结构图

这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也

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十分复杂，工艺中的难点包括P扩散、金属电极下重扩散（丝印光阻）以及激光烧结等。

IBC电池的工艺流程大致如下：

清洗→制绒→扩散（n＋）→丝印刻蚀光阻→刻蚀P扩散区→扩散（p＋）→减反射镀膜→热氧化→丝印电极→烧结→激光烧结

（2）MWT电池

如前所述，IBC电池是在电池背面的PN结收集载流子，除此之外，还有一类背接触电池是两面均可收集载流子，并可将电流由正面传导至背面。这类电池包括金属环绕穿通（MWT）电池和发射极环绕穿通（EWT）电池。金属环绕穿通（MWT）电池和发射极环绕穿通（EWT）电池技术，是基于激光表面和背面加工技术的新型太阳能电池技术。

MWT技术是荷兰规模最大的太阳能电池生产商 Solland Solar 开发的用于其Sunweb 电池的方法。即通过激光钻孔将电池正面收集的能量穿过电池再转移至电池背面。这种将电池能量汇集到电池背面的方法使每块电池的输出效率提高了2%，再经过处理并与一个太阳能电池组件相连接，所得的输出效率甚至能提高9%。

在金属环绕穿通（MWT）器件（如图2所示）中，较薄的金属接触“手指”被移到背面。通过激光钻微型通孔，将上表面与下表面接触连接起来，一般MMT每块硅片需要钻约200个通孔。

图2 MWT电池及其结构

MWT电池的制作流程大致为：

激光打孔→清洗制绒→发射极扩散(包括孔内) →去PSG →沉积SiN →印刷正面电极→印刷背面电极→印刷背电场→烧结→激光隔绝→测试分选

工艺中的难点包括：激光打孔和划槽隔绝的对准以及重复性、孔的的大小及形状的控制、激光对硅衬底造成的损伤及孔内金属的填充等。

（3）EWT电池

与MWT电池不同的是，在发射极环绕穿通（EWT）器件（如图3所示）中，传递功率的栅线也被转移至背面，使得上表面完全没有金属。与MWT电池类似，EWT电池也是通过在电池上钻微型通孔来连接上、下表面。相比较于MMT的每块硅片钻约200个通孔，EWT要求每块硅片上大约有2万个这种通孔，故激光钻孔成为唯一可满足商业规模速度的工艺。

图3(a) EWT电池基本结构

与IBC电池相似，EWT电池由于正面没有栅线和电极，使模组装配更为简便，同时由于避免了遮光损失且实现了双面收集载流子，使光生电流有了大幅度的提高。但相对光生电流而言，EWT电池填充因子和光生电压仍需进一步提高。

用于工业化大面积（大于10×10cm2）硅片的EWT电池工艺多采用丝网印刷和激光技术，并对硅片质量具有一定的要求，这为EWT电池工艺技术提出了诸多要求，比如无损伤激光切割的实现、丝网印刷对电极形状的限制、孔内金属的填充深度以及发射极串联电阻的优化（发射极串联电阻受硅片厚度、发射极体电阻和孔洞直径的影响）等。

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EWT电池的主要工艺流程如图3(b)所示：