1 晶硅電池的技術(shù)發(fā)展

1．1地面應(yīng)用推動(dòng)各種新型電池的出現(xiàn)和發(fā)展

    晶硅電池在70年代初引入地面應(yīng)用,。在石油危機(jī)和降低成本的推動(dòng)下,，太陽電池開始了一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期,，這個(gè)時(shí)期不但出現(xiàn)了許多新型電池,，而且引入許多新技術(shù),。例如：

    （1）背表面電場(chǎng)（BSF）電池——在電他的背面接觸區(qū)引入同型重?fù)诫s區(qū)，由于改進(jìn)了接觸區(qū)附近的收集性能而增加電他的短路電流,；背場(chǎng)的作用可以降低飽和電流,，從而改善開路電壓，提高電池效率,。

    （2）紫光電池一一這種電池zui早（1972）是為通信衛(wèi)星開發(fā)的,。因其淺結(jié)（0．1一0．2µm）密柵（30／cm）,、減 反射（Ta2O5—短波透過好）而獲得率。在一段時(shí)間里,，淺結(jié)被認(rèn)為是的關(guān)鍵技術(shù)之一而被采用,。

    （3）表面織構(gòu)化電池——也稱絨面電池，zui早（1974）也是為通訊衛(wèi)星開發(fā)的,。其AM0時(shí)電池效率η≥15％,，AMI時(shí)η＞18％。這種技術(shù)后來被電他和工業(yè)化電池普遍采用,。

    （4）異質(zhì)結(jié)太陽電池——即不同半導(dǎo)體材料在一起形成的太陽電池J矚SnO／Si,，In20／Si，（1n203十SnO2／Si電池等,。由于SnO2、In2O3,、（In2O3＋SnO2）等帶隙寬,，透光性好，制作電池工藝簡(jiǎn)單,，曾引起許多研究者的興趣,。目前因效率不高等問題研究者已不多，但SnO2,、In2O3,、（1n2O3＋SnO2）是許多薄膜電他的重要構(gòu)成部分，作收集電流和窗口材料用,。

    （5）M1S電池——是肖特基（MS）電他的改型,，即在金屬和半導(dǎo)體之間加入1．5一3．0nm絕緣層，使MS電池中多子支配暗電流的情況得到抑制,，而變成少子隧穿決定暗電流,，與pn結(jié)類似。

     其中i層起到減少表面復(fù)合的作用,。經(jīng)過改進(jìn)的M1S電池正面有20一40µm的SiO2膜,，在膜上真空蒸發(fā)金屬柵線，整個(gè)表面再沉積SiN薄膜,。SiN薄膜的作用是：①保護(hù)電池,，增加耐候性；②作為減反射層（ARC）,；降低薄膜復(fù)合速度：①在p-型半導(dǎo)體一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)n型導(dǎo)電反型層,。對(duì)效率產(chǎn)生決定性影響的是在介電層中使用了銀。該電池優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單,，但反型層的薄層電阻太高,。

    （6）MINP電池——可以把這種電池看作是M1S電池和p一n結(jié)的結(jié)合,，其中氧化層對(duì)表面和晶界復(fù)合起抑制作用。這種電池對(duì)后來的電池起到過渡作用,。

    （7）聚光電池——聚光電他的特點(diǎn)是電池面積小,，從而可以降低成本，同時(shí)在高光強(qiáng)下可以提高電池開路電壓,，從而提高轉(zhuǎn)換效率,，因此聚光電池一直受到重視。比較典型的聚光電池是斯但福大學(xué)的點(diǎn)接觸聚電池,，其結(jié)構(gòu)與非聚光點(diǎn)接觸電池結(jié)構(gòu)相同,，不同處是采用200 Ωcm高阻n型材料并使電池厚度降低到100一160tLm，使體內(nèi)復(fù)合進(jìn)一步降低,。這種電池在140個(gè)太陽下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到26．5％,。

1．2晶硅太陽電池向化和薄膜化方向發(fā)展

      晶硅電池在過去20年里有了很大發(fā)展，許多新技術(shù)的采用和引入使太陽電池效率有了很大提高,。在早期的硅電池研究中,，人們探索各種各樣的電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)來改進(jìn)電池性能，如背表面場(chǎng),，淺結(jié),，絨面，氧化膜鈍化,，Ti／Pd金屬化電極和減反射膜等,。后來的電池是在這些早期實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上的發(fā)展起來的。

1．2．1單晶硅電池

    單晶硅電池的典型代表是斯但福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池（PCC）,，新南威爾士大學(xué)（UNSW）的鈍化發(fā)射區(qū)電池（PESC,，PERC，PERL以及德國Fraumhofer太陽能研究所的局域化背表面場(chǎng)（LBSF）電池等,。

我國在“八五”和“九五”期間也進(jìn)行了電池研究,，并取得了可喜結(jié)果。近年來硅電他的一個(gè)重要進(jìn)展來自于表面鈍化技術(shù)的提高,。從鈍化發(fā)射區(qū)太陽電池（PESC）的薄氧化層（＜10nm）發(fā)展到PCC／PERC／PER1,。電池的厚氧化層（110nm）。熱氧化鈍化表面技術(shù)已使表面態(tài)密度降到

10卜cm2以下,，表面復(fù)合速度降到100cm／s以下,。此外，表面V型槽和倒金字塔技術(shù),，雙層減反射膜技術(shù)的提高和陷光理論的完善也進(jìn)一步減小了電池表面的反射和對(duì)紅外光的吸收,。低成本硅電池也得到了飛速發(fā)展。

      （1）新南威爾士大學(xué)電池

      （A）鈍化發(fā)射區(qū)電池（PESC）：PESC電池1985年問世,，1986年V型槽技術(shù)又被應(yīng)用到該電池上,，效率突破20％,。V型槽對(duì)電他的貢獻(xiàn)是：減少電池表面反射；垂直光線在V型槽表面折射后以41”角進(jìn)入硅片,，使光生載流子更接近發(fā)射結(jié),，提高了收集效率，對(duì)低壽命襯底尤為重要,；V型槽可使發(fā)射極橫向電阻降低3倍,。由于PESC電他的*發(fā)射極方塊電阻在150 Ω／口以上，降低發(fā)射極電阻可提高電池填充因子,。

     在發(fā)射結(jié)磷擴(kuò)散后,，…m厚的Al層沉積在電他背面，再熱生長(zhǎng)10nm表面鈍化氧化層,，并使背面Al和硅形成合金,，正面氧化層可大大降低表面復(fù)合速度，背面Al合金可吸除體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷,，因此開路電壓得到提高,。早期PESC電池采用淺結(jié)，然而后來的研究證明,，淺結(jié)只是對(duì)沒有表面鈍化的電他有效，對(duì)有良好表面鈍化的電池是不必要的,，而氧化層鈍化的性能和鋁吸除的作用能在較高溫度下增強(qiáng),，因此*PEsC電他的發(fā)射結(jié)深增加到1µm左右。值得注意的是,，目前所有效率超過20％的電池都采用深結(jié)而不是淺結(jié),。淺結(jié)電池已成為歷史。

     PEsC電池的金屬化由剝離方法形成Ti-pd接觸,，然后電鍍Ag構(gòu)成,。這種金屬化有相當(dāng)大的厚／寬比和很小的接觸面積，因此這種電池可以做到大子83％的填充因子和20．8％（AM1．5）的效率,。

      （B）鈍化發(fā)射區(qū)和背表面電池（PERC）：鋁背面吸雜是PEsC電池的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),。然而由于背表面的高復(fù)合和低反射，它成了限制PESC電池技術(shù)進(jìn)一步提高的主要因素,。PERC和PERL電池成功地解決了這個(gè)問題,。它用背面點(diǎn)接觸來代替PEsC電他的整個(gè)背面鋁合金接觸，并用TCA（氯乙烷）生長(zhǎng)的110nm厚的氧化層來鈍化電他的正表面和背表面,。TCA氧化產(chǎn)生極低的界面態(tài)密度,，同時(shí)還能排除金屬雜質(zhì)和減少表面層錯(cuò)，從而能保持襯底原有的少子壽命,。由于襯底的高少子壽命和背面金屬接觸點(diǎn)處的高復(fù)合,，背面接觸點(diǎn)設(shè)計(jì)成2mm的大間距和2001Lm的接觸孔徑,。接觸點(diǎn)間距需大于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度以減小復(fù)合。這種電池達(dá)到了大約700mV的開路電壓和22．3％的效率,。然而,，由于接觸點(diǎn)間距太大，串聯(lián)電阻高,，因此填充因子較低,。

      （C）鈍化發(fā)射區(qū)和背面局部擴(kuò)散電池（PERL）：在背面接觸點(diǎn)下增加一個(gè)濃硼擴(kuò)散層，以減小金屬接觸電阻,。由于硼擴(kuò)散層減小了有效表面復(fù)合,，接觸點(diǎn)問距可以減小到250µm、接觸孔徑減小到10µm而不增加背表面的復(fù)合,，從而大大減小了電他的串聯(lián)電阻,。PERL電池達(dá)到了702mV的開路電壓和23．5％的效率。PERC和PER1,。電池的另一個(gè)特點(diǎn)是其*的陷光效應(yīng),。由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，對(duì)紅外的吸收系數(shù)很低,，一部分紅外光可以穿透電池而不被吸收,。理想情況下入射光可以在襯底材料內(nèi)往返穿過4n2次，n為硅的折射率,。PER1,。電池的背面，由鋁在SiO2上形成一個(gè)很好反射面,，入射光在背表面上反射回正表面,，由于正表面的倒金字塔結(jié)構(gòu)，這些反射光的一大部分又被反射回襯底,，如此往返多次,。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的P。Basore博士發(fā)明了一種紅外分析的方法來測(cè)量陷光性能,，測(cè)得PERL電池背面的反射率大于95％,，陷光系數(shù)大于往返25次。因此PREL電他的紅外響應(yīng)*,，也特別適應(yīng)于對(duì)單色紅外光的吸收,。在1．02µm波長(zhǎng)的單色光下，PER1,。電他的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到45．1％,。這種電池AM0下效率也達(dá)到了20．8％。

    （D）埋柵電池：UNSW開發(fā)的激光刻槽埋柵電池，在發(fā)射結(jié)擴(kuò)散后,，用激光在前面刻出20µm寬,、40µm深的溝槽，將槽清洗后進(jìn)行濃磷擴(kuò)散,。然后在槽內(nèi)鍍出金屬電極,。電極位于電池內(nèi)部，減少了柵線的遮蔽面積,。電池背面與PESC相同,，由于刻槽會(huì)引進(jìn)損傷，其性能略低于PESC電池,。電他效率達(dá)到19．6％,。

    （2）斯但福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池（PCC）                                      

    點(diǎn)接觸電他的結(jié)構(gòu)與PER1。電池一樣,，用TCA生長(zhǎng)氧化層鈍化電池正反面,。為了減少金屬條的遮光效應(yīng)，金屬電極設(shè)計(jì)在電池的背面,。電池正面采用由光刻制成的金字塔（絨面）結(jié)構(gòu),。位于背面的發(fā)射區(qū)被設(shè)計(jì)成點(diǎn)狀，50µm間距,，10µm擴(kuò)散區(qū),，5µm接觸孔徑，基區(qū)也作成同樣的形狀,，這樣可減小背面復(fù)合,。襯底采用n型低阻材料（取其表面及體內(nèi)復(fù)合均低的優(yōu)勢(shì)），襯底減薄到約100µm,，以進(jìn)一步減小體內(nèi)復(fù)合。這種電他的轉(zhuǎn)換效率在AM1．5下為22．3％,。

    （3）德國Fraunhofer太陽能研究所的深結(jié)局部背場(chǎng)電池（LBSF）

    LBSF的結(jié)構(gòu)與PERL電池類似,，也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔正面結(jié)構(gòu)。由于背面硼擴(kuò)散一般造成高表面復(fù)合,，局部鋁擴(kuò)散被用來制作電池的表面接觸,，2cmX2cm電池電池效率達(dá)到23．3％（Voc=700mV，Isc－～41．3mA,，F(xiàn)F一0．806）,。

    （4）日本sHARP的C一Si／µc-Si異質(zhì)pp+結(jié)電池

    SHARP公司能源轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室的電池，前面采用絨面織構(gòu)化,，在SiO2鈍化層上沉積SiN為A只乙后面用RF-PECVD摻硼的µc一Si薄膜作為背場(chǎng),，用SiN薄膜作為后表面的鈍化層，Al層通過SiN上的孔與µcSi薄膜接觸,。5cmX5cm電他在AM1．5條件下效率達(dá)到21．4％（Voc＝669mV,，Isc＝40.5mA,，F(xiàn)F=0．79）。

    （5）我國單晶硅電池

    天津電源研究所在國家科委“八五”計(jì)劃支持下開展電池研究,，其電池結(jié)構(gòu)類似UNSw的V型槽PEsC電池,，電池效率達(dá)到20．4％。北京市太陽能研究所“九五”期間在北京市政府支持下開展了電池研究,，電池前面有倒金字塔織構(gòu)化結(jié)構(gòu),，2cmX2cm電池效率達(dá)到了19．8％，大面（5cmX5cm）激光刻槽埋柵電池效率達(dá)到了18．6％,。

1．3多晶硅電池

    多晶硅太陽電他的出現(xiàn)主要是為了降低成本,，其優(yōu)點(diǎn)是能直接制備出適于規(guī)模化生產(chǎn)的大尺寸方型硅錠,，設(shè)備比較簡(jiǎn)單,，制造過程簡(jiǎn)單、省電,、節(jié)約硅材料,，對(duì)材質(zhì)要求也較低。晶界及雜質(zhì)影響可通過電他工藝改善,；由于材質(zhì)和晶界影響,，電池效率較低。電池工藝主要采用吸雜,、鈍化,、背場(chǎng)等技術(shù)。

    近年來吸雜工藝再度受到重視,，包括三氯氧磷吸雜及鋁吸雜工藝,。吸雜工藝也在微電子器件工藝中得到應(yīng)用，可見其對(duì)純度達(dá)到一定水平的單晶硅硅片也有作用,，但其所用的條件未必適用于太陽電他,，因而要研究適合太陽電池的吸雜工藝。研究證明,，在多晶硅太陽電池上,，不同材料的吸雜作用是不同的，特別是對(duì)碳含量高的材料就顯不出磷吸雜的作用,。有學(xué)者提出了磷吸雜模型,，即吸雜的速率受控干兩個(gè)步驟：①金屬雜質(zhì)的釋放／擴(kuò)散決定了吸雜溫度的下限；②分凝模型控制了吸雜的*溫度,。另有學(xué)者提出,，在磷擴(kuò)散時(shí)硅的自間隙電流的產(chǎn)生是吸雜機(jī)制的基本因素。

    常規(guī)鋁吸雜工藝是在電池的背面蒸鍍鋁膜后經(jīng)過燒結(jié)形成，也可同時(shí)形成電他的背場(chǎng),。近幾年在吸雜上的工作證明,，它對(duì)單晶硅太陽電池及多晶硅太陽電池都會(huì)產(chǎn)生一定的作用。

    鈍化是提高多晶硅質(zhì)量的有效方法,。一種方法是采用氫鈍化,，鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長(zhǎng)中受應(yīng)力等影響造成缺陷越多的硅材料,，氫鈍化的效果越好,。氫鈍化可采用離子注入或等離子體處理。在多晶硅太陽電池表面采用pECVD法鍍上一層氮化硅減反射膜,，由于硅烷分解時(shí)產(chǎn)生氫離子,，對(duì)多晶硅可產(chǎn)生氫鈍化的效果。

    在太陽電池上常采用表面氧鈍化的技術(shù)來提高太陽電他的效率,，近年來在光伏級(jí)的晶體硅材料上使用也有明顯的效果,，尤其采用熱氧化法效果更明顯。使用PECVD法在更低的溫度下進(jìn)行表面氧化,，近年來也被使用,，具有一定的效果。

    多晶硅太陽電他的表面由于存在多種晶向,，不如（100）晶向的單晶硅那樣能經(jīng)由腐蝕得到理想的絨面結(jié),、構(gòu)，因而對(duì)其表面進(jìn)行各種處理以達(dá)減反射的作用也為近期研究目標(biāo),，其中采用多刀砂輪進(jìn)行表面刻槽,，對(duì)10cmX10cm面積硅片的工序時(shí)間可降到30秒，具有了一定的實(shí)用潛力,。

    多孔硅作為多晶硅太陽電他的減反射膜具有實(shí)用意義,，其減反射的作用已能與雙重減反射膜相比，所得多晶硅電他的效率也能達(dá)到13,。4％,。我國北京有色金屬研究總院及中科院感光化學(xué)研究所共同研制的在絲網(wǎng)印刷的多晶硅太陽電池上使用多孔硅也已達(dá)到接近實(shí)用的結(jié)果。

    由于多晶硅材料制作成本低于單晶硅cZ材料,，因此多晶硅組件比單晶硅組件具有更大的降低成本的潛力,，因而提高多晶硅電池效率的研究工作也受到普遍重視,。近10年來多晶硅電他的發(fā)展很快,，其中比較有代表性的工作是Geogia  Tech．電池，UNSW電池,，Kysera電池等,。

   （1）Geogia  Tech．電池

    Geogia工業(yè)大學(xué)光伏中心使用電阻率0.65 Ωcm、厚度280µm的HEM（熱交換法）多晶硅片制作電池，n+發(fā)射區(qū)的形成和磷吸雜結(jié)合,，采用快速熱過程制備鋁背場(chǎng),，用lift一off法制備Ti／Pd／Ag前電極，并加雙層減反射膜,。1cm2電他的效率AM1.5下達(dá)到18．6％,。

   （2）UNSw電池

    uNsw光伏中心的多晶硅電池工藝基本上與PER1。電池類似,，只是前表面織構(gòu)化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結(jié)構(gòu),。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供，lcm2電他的效率AMI·5下,達(dá)到19.8％,，這是目前水平zui高的多晶硅電他的研究結(jié)果,。該工藝打破了多晶硅電池不適合采用高溫過程

的傳統(tǒng)觀念。

   （3）Kysera電池

     日本ky0cera公司在多晶硅電池上采用體鈍化和表面鈍化技術(shù),，PECVDSiN膜既作為減反射膜,，又作為體鈍化措施，表面織構(gòu)化采用反應(yīng)性粒子刻邊技術(shù),。背場(chǎng)則采用絲印鋁獎(jiǎng)燒結(jié)形成,。電池前面柵線也采用絲印技術(shù)。15cmX15cm大面積多晶硅電池效率達(dá)17．1％,。目前日本正計(jì)劃實(shí)現(xiàn)這種電池的產(chǎn)業(yè)化,。

    （4）我國多晶硅電他

     北京有色金屬研究總院在多晶硅電池方面作了大量研究工作，目*cmX10cm電池效率達(dá)到11．8％,。北京市太陽能研究所在“九五”期間開展了多晶硅電池研究,，1cm2電池效率達(dá)到14·5％。我國中試生產(chǎn)的10cmX10cm多晶硅太陽電他的效率為10一11％,，zui率為12％,。

1．4多晶硅薄膜電池

    自70年代以來，為了大幅度降低太陽電池的成本,，光伏界一直在研究開發(fā)薄膜電池,，并先后開發(fā)出非晶硅薄膜電他，硫化鎬（CdTe）電他,，銅鋼硒（C1S）電池等,。特別是非晶硅電池，80年代初一問世,，很快實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn),。1987年非晶硅電他的*超過40％。但非晶硅電池由于效率低,、不穩(wěn)定（光衰減）,，*逐年降低,，1998年*降為13％。cdTe電池性能穩(wěn)定,，但由于資源有限和Cd毒性大,，近10年來*一直維持在：13％左右；c1S電他的實(shí)驗(yàn)室效率不斷攀升：zui近達(dá)到18．％,，但由于中試產(chǎn)品的重復(fù)性和一致性沒有根本解決,，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程一再推后，至今仍停留在實(shí)驗(yàn)室和中試階段,；與此同時(shí),，晶體硅電池效率不斷提高，技術(shù)不斷改進(jìn),，加上晶硅穩(wěn)定,，無毒，材料資源豐富,，人們開始考慮開發(fā)多晶硅薄膜電池,。多晶硅薄膜電池既具有晶硅電他的、穩(wěn)定,、無毒和資源豐富的優(yōu)勢(shì),，又具有薄膜電池工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省材料,、大幅度降低成本的優(yōu)點(diǎn),，因此多晶硅薄膜電池的研究開發(fā)成為近幾年的熱點(diǎn)。另一方面,，采用薄片硅技術(shù),，避開拉制單晶硅或澆鑄多晶硅、切片的昂貴工藝和材料浪費(fèi)的缺點(diǎn),，達(dá)到降低成本的目的,。嚴(yán)格說，后者不屬于薄膜電他技術(shù),，只能算作薄片化硅電池技術(shù),。

    （1）CVD多晶硅薄膜電池

    各種cvD（PECVD，RTCVD,，cat一CVD,，Hot一wire  CVD等）技術(shù)被用來生長(zhǎng)多晶硅薄膜，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有些技術(shù)獲得了重要的結(jié)果,。例如日本kaneka公司采用PECVD技術(shù)在550℃以下和玻璃襯底上制備出具有pin結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池,，電池總厚度約2尸m，效率達(dá)到10％,；德國Fraunhofer太陽能研究所使用SiO2和siN包覆陶瓷或sic包履石墨為襯底,，用快速熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）技術(shù)沉積多晶硅薄膜，硅膜經(jīng)過區(qū)熔再結(jié)晶（ZMR）后制備太陽電池,，兩種襯底的電池效率分別達(dá)到9．3％和11％,。

    北京市太陽能研究所自1996年開始開展多晶硅薄膜電他的研究工作。該所采用RTCVD技術(shù)在重?fù)诫s非活性硅襯底上制備多晶硅薄膜和電池,，1cm2電池效率在AM1．5條件下達(dá)到13.6％,，目前正在向非硅質(zhì)襯底轉(zhuǎn)移。

    （2）多層多晶硅薄膜電池

    uNSW1994年提出一種多層多晶硅薄膜電他的概念和技術(shù),，1994年與Pacific  Power公司合作成立kcifiC  sO1ar公司開發(fā)這種電池,。zui近報(bào)道，該公司已經(jīng)生產(chǎn)出30cmX40cm的中試電池組件,。薄膜采用CVD 工藝沉積,，襯底為玻璃，通過激光刻槽和化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)接觸,、互聯(lián)和集成,。據(jù)稱，電池組件的主要成本是封裝玻璃,，商業(yè)化后的發(fā)電成本可與煤電相比,。