中國(guó)科學(xué)院微電子研究所太陽(yáng)能電池研究中心 賈銳

光伏作為新能源的一種，受到了各國(guó)的極大重視。如何對(duì)現(xiàn)有常規(guī)P型晶體硅技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造，提升效率和降低成本，是各廠家必須面對(duì)的問(wèn)題。目前首要解決的問(wèn)題就是要降低新電池成本、保持高效，以便大規(guī)模應(yīng)用?，F(xiàn)在為降低成本所研究的高效電池主要是從減少表面陷光、表面遮光損耗等幾個(gè)方面入手。為了減少表面遮光就要把柵線做得很細(xì)，但是細(xì)的柵線又會(huì)使得電極接觸電阻增加，同時(shí)也增加了工藝難度，所以早在20世紀(jì)70年代就有人提出背接觸太陽(yáng)能電池的概念。該技術(shù)基本消除了正面柵線電極的遮光損失，更加充分地利用了光照，提高了電池效率。同時(shí)，背接觸電池還將電池的兩極從背面引出，降低了封裝難度，簡(jiǎn)化了制作工藝，使得電池更加美觀。MWT和EWT是背接觸電池的二種形式，屬于前結(jié)電池形式，發(fā)射極位于電池正面，有利于更多載流子的收集。MWT和EWT不完全依賴于柵線收集載流子，主要是通過(guò)對(duì)襯底打孔，通過(guò)不同的方式向孔洞中填充金屬或者重?cái)U(kuò)，實(shí)現(xiàn)前后發(fā)射極間的電流傳輸，與傳統(tǒng)電池相比，減小了正面的遮光面積，還不影響正面載流子的收集，從而提高了電池效率。本文將從這兩種高效晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)做進(jìn)一步的分析和介紹。

MWT和EWT提效率、降成本

MWT(Metal Wrap-Through)即金屬電極環(huán)繞穿通電池，MWT電池將電池正面收集的電子通過(guò)孔洞中的金屬轉(zhuǎn)移至電池背面。它不再需要在電池正面制作“母線”，因此電池表面就有更大面積來(lái)收集光子并將其轉(zhuǎn)化為電能。德國(guó)研究人員Fraunhofer等已經(jīng)制備出17.1%的MWT電池，還有荷蘭研究機(jī)構(gòu)研究的多晶MWT電池效率也達(dá)到了17%。但是MWT電池中金屬化孔洞的制備和電級(jí)間的分流仍然是MWT發(fā)展需要優(yōu)化的難題。

EWT(Emitter Wrap-Through )即發(fā)射極環(huán)繞穿通電池，它是MWT電池的改進(jìn)版，兼具了IBC電池與MWT電池的優(yōu)點(diǎn)。此外EWT的孔洞導(dǎo)通一般是通過(guò)重?cái)U(kuò)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一方面把電池正面發(fā)射極和背面局部發(fā)射極連接在一起，另一方面重?cái)U(kuò)還可以降低接觸電極的接觸電阻。這樣通過(guò)重?cái)U(kuò)的孔洞將前表面發(fā)射極引入背面，實(shí)現(xiàn)把前表面收集的電子傳導(dǎo)到背電極上，電池的P型電極和N型電極的細(xì)柵全部交叉排列在電池背面，簡(jiǎn)化了封裝工藝。前表面依然采用優(yōu)良的金字塔結(jié)構(gòu)和減反射膜，以減少光的反射損失，從而達(dá)到了提高電池效率的目的。

與傳統(tǒng)電池相比較，MWT和EWT的優(yōu)點(diǎn)包括：(1)降低或完全消除了正面網(wǎng)格的遮光，增大了受光面積，故可以提高光電流的密度；(2)由于正負(fù)電極均位于電池背面，可簡(jiǎn)化電池封裝工藝，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且可以調(diào)節(jié)背面基極和發(fā)射極所占的面積比例，降低電極的接觸電阻；(3)用孔洞將前后發(fā)射極連接在一起，對(duì)于低少子壽命的硅襯底仍可以獲得較高的短路電流，可以降低對(duì)襯底的要求，低品質(zhì)的薄基硅片更能體現(xiàn)MWT和EWT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性；(4)實(shí)現(xiàn)從電池的前結(jié)和背結(jié)雙結(jié)共同收集電荷，故有很高的電荷收集率。此外，薄的硅片因?yàn)闇p少了電荷的傳輸路徑，降低了孔電阻，也可以提高電池的填充因子。

激光打孔技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛

簡(jiǎn)化工藝是MWT和EWI電池制備的發(fā)展趨勢(shì)。首先從打孔技術(shù)看，MWT和EWT電池的制備都需要打孔，MWT中的金屬化孔洞主要起到連接前后兩面發(fā)射極的作用，主要收集載流子的還是表面柵線。而EWT對(duì)打孔的要求更高，它表面沒(méi)有一點(diǎn)遮光的柵線，全部都是通過(guò)孔洞來(lái)收集載流子并且傳輸?shù)奖趁娴陌l(fā)射極上，單位面積上孔的數(shù)目更是遠(yuǎn)大于MWT。早期有用化學(xué)腐蝕、光刻和激光刻槽的方法進(jìn)行孔的制備，這些方法工藝繁瑣而且成品率也不夠高，但后來(lái)隨著激光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大量生產(chǎn)的MWT和EWT都用激光打孔技術(shù)，尤其是有些多晶電池的制備，用化學(xué)腐蝕方法制孔很難得到大小均勻的孔洞，而且現(xiàn)在成熟的激光技術(shù)在打孔后可以改善Si材料的本身性質(zhì)，所以現(xiàn)在量產(chǎn)的MWT和EWT都采用激光技術(shù)。

不論MWT還是EWT其孔徑都在30微米～100微米之間，成熟的激光技術(shù)對(duì)于孔徑和孔壁的均勻性都有比較理想的表現(xiàn)，在MWT電池的晶片上，其孔洞的數(shù)目大約在100個(gè)～300個(gè)左右；在EWT的晶片上現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)都是每1毫米的間隔有1個(gè)孔。目前對(duì)EWT打孔存在的困難主要在于縮短打孔時(shí)間、提高成功率和無(wú)損傷等方面，所以對(duì)激光的頻率和重復(fù)率要求更高。

制絨改善表面反射率

與傳統(tǒng)電池一樣，MWT和EWI電池都需要在表面進(jìn)行制絨。制絨的主要目的是將其表面的反射率降到10%以下。制絨的方法很多，包括激光刻槽技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、掩膜刻蝕法、電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕法等。

在MWT和EWT中有用酸腐蝕的，也有用堿腐蝕的，因?yàn)檫@兩種類型的電池對(duì)襯底的要求都不高，既有多晶也有單晶，所以不同襯底可以選擇各自適當(dāng)?shù)姆椒ǎ徽撃姆N腐蝕都可以改善激光打孔對(duì)硅片帶來(lái)的損害，減小激光打孔對(duì)孔壁高溫灼燒的影響，為制備電池之后的工藝打下良好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在MWT和EWT在制絨中采用金字塔、納米柱、倒金字塔等絨面設(shè)計(jì)，其中陷光效果最好的是納米柱結(jié)構(gòu)，它不僅改變了硅的表面形貌，還增強(qiáng)了可見(jiàn)光的吸收。

濕法擴(kuò)散可增加均勻度

擴(kuò)散是制備太陽(yáng)能電池的核心步驟，通過(guò)擴(kuò)散可在硅襯底上形成PN結(jié)。企業(yè)里通常使用的方法是濕法擴(kuò)散，用POCl3作為磷源，BBr3作為硼源。金屬化孔洞填充存在的問(wèn)題是經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后很難形成連續(xù)的通道，所以EWT要求孔洞中進(jìn)行重?cái)U(kuò)降低接觸電阻，并以此來(lái)作為電流傳輸?shù)耐ǖ馈?br />
現(xiàn)在量產(chǎn)MWT和EWT通常采用的是濕法擴(kuò)散，擴(kuò)散濃度越高其表面的方塊電阻就會(huì)相應(yīng)減小，如果襯底是P型硅片，進(jìn)行磷擴(kuò)散，通常用的濕法擴(kuò)散是將兩片硅片緊貼在一起，在850℃的擴(kuò)散爐里用液態(tài)POCl3進(jìn)行磷擴(kuò)散，如果擴(kuò)散時(shí)間分別為90分鐘左右的話，用四探針?lè)ㄟM(jìn)行測(cè)量，擴(kuò)散硅片的方塊電阻在R=20～30Ω/sq的范圍內(nèi)，之后用10%的HF去除硅片表面的磷硅玻璃，再用大量的冷、熱去離子水進(jìn)行沖洗，其優(yōu)點(diǎn)就是擴(kuò)散得比較均勻。

另外，制備EWT電極時(shí)還可用Al-P共擴(kuò)散的方法，與傳統(tǒng)方法一樣都是要先用激光打孔，在電池背面同時(shí)用絲印的方法印上有P和Al的叉指電極，面積比約為1∶1，然后一起放進(jìn)燒結(jié)爐里進(jìn)行燒結(jié)，這樣可大大節(jié)省工藝步驟，但是由于激光損傷和表面沒(méi)有鈍化，使得表面復(fù)合略顯增加而且效率也只有10%，所以這個(gè)工藝還有一些參數(shù)需要去改善，例如背電極、激光參數(shù)等都還需要優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)室中對(duì)MWT和EWT的擴(kuò)散也有用干法擴(kuò)散的，其磷源片種類很多，主要成分有磷酸鑭、CeP5O14、SiP2O7幾種，硼源片的主要成分有B2O3、BN和SiO2的混合物兩種，擴(kuò)散時(shí)在源片的同一石英舟上放上要擴(kuò)散的硅片，待爐溫加熱至850℃的時(shí)候緩慢將石英舟推入恒溫區(qū)，并一直通氮?dú)?，P擴(kuò)散一小時(shí)后其方阻約在R=20～30Ω/sq的范圍內(nèi)，均勻性也較好，而且背面不用做遮擋，但是尾氣是有毒的，需要進(jìn)行處理。另外，源片的保存是個(gè)很重要的問(wèn)題，要求干燥，而且要定期進(jìn)行烘干，若保管不善會(huì)減少源片的使用壽命。

減反層折射率控制在2.3左右

晶體硅太陽(yáng)電池中少數(shù)載流子的復(fù)合導(dǎo)致了光生載流子的損失，從而引起了電池效率的降低。而硅片中少數(shù)載流子的壽命值在很大程度上受到硅片表面形狀的影響，如果在硅表面加一層氧化層，硅與氧化層之間的內(nèi)表面上絕大部分硅原子的未飽和鍵都被氧化層中的原子所填補(bǔ)，因而降低表面態(tài)密度，這就是鈍化層的作用。

玻璃的折射率n0為1.5，晶體硅的折射率nsi為3.6，最合適的減反射膜的光學(xué)折射率經(jīng)過(guò)計(jì)算為2.3。所以要想做良好的減反層，折射率就需要控制在2.3左右。

SiO2可以有效地減小表面態(tài)，減少表面復(fù)合，從而起到鈍化的作用。但是制備SiO2的時(shí)候需要高溫條件，長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件易使質(zhì)量較差的單晶及多晶硅襯底產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致硅片少子壽命的下降，并引起襯底摻雜濃度的再分布。許多有害雜質(zhì)也會(huì)在高溫條件下擴(kuò)散到硅片體內(nèi)。早期就有人提出SiNx是理想的減反射膜，而且還可以同時(shí)達(dá)到表面鈍化和體內(nèi)鈍化的效果。PECVD法沉積的氮化硅膜的折射率可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量進(jìn)行調(diào)整，一般可調(diào)范圍在1.9～2.5之間。SiNx薄膜還有著卓越的抗氧化和絕緣性能，同時(shí)具有良好的阻擋鈉離子、掩蔽金屬和水蒸氣擴(kuò)散的能力。這些優(yōu)點(diǎn)是其他鈍化膜所不能比擬的，因此是一種用作晶體硅太陽(yáng)電池減反射及鈍化薄膜的理想材料。

熱生長(zhǎng)的SiO2由于其良好的致密性，具有很好的表面鈍化作用，而PECVD法沉積SiNx膜對(duì)硅片的表面和體內(nèi)都有一定的鈍化作用。由于短波長(zhǎng)的光在電池的上表面很小的薄層內(nèi)有很大的吸收，因此為了更好地降低電池的上表面復(fù)合速率，提高電池的短波響應(yīng)，同時(shí)結(jié)合熱生長(zhǎng)SiO2的表面鈍化特性以及PECVD法沉積SiNx良好的減反射以及體鈍化特點(diǎn)，硅片表面先生長(zhǎng)一層SiO2薄膜，然后在SiO2薄膜上生長(zhǎng)一層SiNx。這也是因?yàn)镾iNx與硅片的附著力不好，容易脫落，通常SiNx中含有電荷，當(dāng)作為P型鈍化的時(shí)候有可能會(huì)形成一個(gè)反型的通道，所以對(duì)于N型鈍化有理想的效果。

背電極制備以絲網(wǎng)印刷技術(shù)為主流

MWT和EWT的基極和發(fā)射極都在背面，這就要求兩個(gè)電極盡可能接近但又不能短路。早期用光刻的方法，但工藝繁瑣、成本相對(duì)較高，后來(lái)隨著絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展，在制備MWT電極的時(shí)候大多采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。

MWT需要用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在前后表面絲印母線和細(xì)柵線電極，并且可以填充孔洞，這些都是影響MWT電池性能的直接因素?，F(xiàn)在大多數(shù)電池的絲網(wǎng)印刷采用銀漿來(lái)做電極，因?yàn)殂y有良好的導(dǎo)電性，為了降低成本也有用鋁漿或者銀鋁漿的。MWT對(duì)漿料也有很多要求，首先是要有良好的黏附性，在絲印的過(guò)程中要保證漿料把孔洞填滿，不能有縫隙；其次要求高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中不能有太大的收縮，以免從孔壁上脫落下來(lái)，裂縫和過(guò)度收縮都會(huì)大大增加電池的串聯(lián)電阻。

通過(guò)優(yōu)化漿料金屬化的工藝過(guò)程，已可獲得效率達(dá)到16%的多晶硅MWT電池。2010年也有研究人員用絲印的方法制備EWT電池，在單晶襯底上作出了16%轉(zhuǎn)換效率。