选择性发射结太阳电池技术

王国宁，蒋继富，胡俊涛

（1.江西科技学院 机械工程学院，江西 南昌 330098；2.云南天达光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

选择性发射结太阳电池技术

王国宁1，蒋继富2，胡俊涛2

（1.江西科技学院 机械工程学院，江西 南昌 330098；2.云南天达光伏科技股份有限公司，云南 昆明 650091）

选择性发射结技术是实现高效晶体硅太阳电池的主要技术之一。介绍了选择性发射结的基本原理和优点，并对各种选择性发射结太阳电池技术进行归类、对每个类型的特点进行分析。另外还介绍选择性发射结太阳电池技术在国内光伏企业中的产业化情况。

选择性发射结；太阳电池；产业化

0 引言

目前普通单晶硅太阳电池生产线的平均转换效率已达到19%以上接近20%，普通多晶硅太阳能电池生产线的平均转换效率也在18%以上。单、多硅太阳能电池普通工艺继续往前发展将会遭遇到技术瓶颈。很多太阳能电池生产企业也意识到这一点，纷纷把目光转向高效晶体硅太阳能电池工艺技术。国内外实验室就高效晶体硅太阳能电池技术已经进行了广泛而充分的研究，报道了很多实现高效晶体硅太阳能电池的工艺技术路径，其中也包括选择性发射结技术。新南威尔士大学的赵建华博士采用选择性发射结技术并结合其他技术，创造了单晶硅太阳能电池转换效率24.7%的最高记录。目前的主要任务是怎样把这些高效晶体硅太阳能电池技术转化为成本较低的产业化技术。在众多高效晶体硅太阳电池技术中，选择性发射结技术最先实现产业化。

1 选择性发射结太阳能电池工艺技术原理分析

普通工艺制备出的晶体硅太阳能电池的结构如图1所示，其包括P型层、N型层、背电极及正面金属电极。当太阳能光在电池内部被吸收而产生形成发电电流的电子时，电子会沿图1中所示的路径1流出电池。从路径1可以看出电流会穿过正面金属栅线与N型层的交界面，还会在N型层发生横向运动。电流流经的区域都有一定的电阻，电流穿过正面金属栅线与N型层的交界面所对应的电阻被称为前接触电阻Rfc；在N型层发生横向运动所对应的电阻称为发射区电阻Re。前接触电阻Rfc和发射区电阻Re都与N型层的扩散浓度有关，N型层的扩散浓度越高，Rfc和Re越小。Rfc和Re是太阳能电池串联电阻Rs的组成部分，串联电阻Rs太高会使太阳能电池的光电转换效率下降，所以为降低串联电阻Rs，必须在N型层实行高浓度扩散，即重掺杂；但是另外一方面如果在N型层实行重掺杂会增加电池前表面的表面复合速率，从而导致太阳能电池的光电转换率下降。所以普通晶体硅太阳能电池工艺存在自身无法解决的矛盾，这样就成为普通工艺电池转换效率提升的瓶颈。

图1 普通晶体硅太阳电池结构

如图2所示为选择性发射结电池的结构。其与普通电池的不同之处在于：在金属栅线覆盖区域实行高磷浓度重掺杂，如图2（2）所示；而在非金属栅线覆盖区域实行低磷浓度轻掺杂如图2（1）所示。在非金属栅线覆盖区实行轻掺杂可以降低表面复合率和N型层的俄歇复合；另外轻掺杂还可以减少死层的厚度[1]；从而有利于提高太阳能电池的光电转换效率。金属栅线覆盖区域实行重掺杂可以降低前金属和N型层的接触电阻Rfc；金属栅线覆盖区域实行重掺杂还可在N型层形成一个横向的电场，该横向的电场对电子的运动产生加速作用，因而降低了发射区电阻Re；这样在金属栅线覆盖区域实行重掺杂可以降低太阳能电池的串联电阻Rs，也有利于提高太阳能电池的光电转换效率。选择性发射结技术突破了普通工艺中的矛盾，使进一步提升太阳能电池的光电转换效率成为可能。

图2 选择性发射结太阳电池结构

2 选择性发射结技术的主要类型及特点分析

国内外实验室就选择性发射结电池已经进行了广泛的研究，报道了很多实现选择性发射结的方法。有的实现工艺较为复杂，需要在现有的基础上增加很多设备和工艺环节，有的则较为简单。不管用何种方法实现选择性发射结电池，关键的问题在于怎样实现在金属栅线覆盖区域实现重掺杂，在非金属栅线覆盖区域实现轻掺杂。由于扩散掺杂工艺在先、金属栅线制作工艺在后，使得选择性发射结太阳能电池的另外一个工艺难点是如何使金属电极刚好覆盖在重掺杂区域上。如果金属栅线和重掺杂区域重合得不好，则暴露在光学活性区的重掺杂区域将会成为严重的复合中心，另外金属电极将会落入轻扩区使接触电阻Rfc变得非常大，这样不但不能提高电池的转换效率反而会损害电池的转换效率；所以对于选择性发射结电池对印刷精度或电镀精度要求很高。

按不同的实现途径，选择性发射结太阳能电池大致可以分为五个大类：一、掩膜法；二、自掺杂浆料法；三、反腐蚀技术法；四、非对称磷源扩散法；五、激光掺杂法。实际上每个大类中又包括很多种方法。以下对各大类的特点进行分析。

2.1 掩膜法

掩膜法是在非电极接触区覆盖一层掩膜来阻止或者减缓磷向里扩散，以便在电池非电极接触区轻掺杂；而在电极接触区没有掩膜覆盖形成窗口，以便在电极接触区实行重掺杂。掩膜法的基本原理过程如图3所示：1、先在电池前表面制备一层掩膜如图3（a）所示；2、采用光刻技术或化学腐蚀技术去掉预制作金属栅线区域的掩膜如图3（b）所示；3、进行一次重磷扩散，使预制作金属栅线区域形成重掺杂如图3（c）所示；4、去掉其余掩膜如图 3（d）所示；5、进行一次轻磷扩散，使非金属覆盖区域形成轻掺杂如图3（e）所示；6、采用丝网印刷技术或电镀技术在重扩散区域制作金属栅线金如图3（f）所示。

也有将如图3（e）所示工艺步骤提前到如图3（a）所示工艺步骤之前；也有在如图3（c）所示的工艺步骤中同时进行金属栅线覆盖区域重掺杂和非金属覆盖区域形成轻掺杂两步工艺，比如利用多孔硅掩膜，只需一次扩散即可。

图3 掩膜法工艺流程

掩膜法最常用的掩膜是二氧化硅（SiO2），除了用二氧化硅用作掩膜外还有多孔硅[3]、氮化硅[9]及其他扩散障碍物质[4]。

2.2 自掺杂浆料法

此方法较为简单，不用增加新的设备和新的工艺流程；只需在常规的工艺基础上，将丝印工序正面银浆更换成掺入了高浓磷浆的银浆即可[12]。这样在高温烧结过程中，电极中的磷向电极接触区扩散而获得高掺杂，实现选择性发射结。在此方法中，由于高温处理时间非常短，扩散到电极接触区的磷原子数量有限，因此电极接触区的重掺杂效果并不明显。且高浓度磷掺入到电极中，将会使电极的电阻率增加，从而使太阳电池串联电阻增加、填充因子降低。

2.3 反腐蚀法

反腐蚀法主要是先进行重扩散，然后采用腐蚀溶液腐蚀非电极接触区[7]。反腐蚀技术的工艺流程如图3所示：1、先对电池发射区进行重扩（方块为40欧左右），如图 4（a）所示；2、制作掩膜将金属电极接触区域掩蔽起来如图4（b）所示；3、将非电极接触区剥离一层使方块达到 80～120 欧，如图 4（c）所示；4、去除掩膜，如图（4）d所示；5、制作金属栅线。非电极接触区的剥离则可以通过酸溶液腐蚀或自对准等离子体刻蚀等方法实现，直至达到合适的方块电阻。此法在对非电极接触区进行剥离处理时，虽然有掩膜保护，但还是不可避免地会对金属电极接触区产生一定的损害。

2.4 非均匀磷源扩散法

非均匀磷源扩散法是在电极接触区使用高磷浓度磷源实现重掺杂，在非电极接触区使用低浓度磷源实现轻掺杂[5]。常用实现途径有丝印磷浆法、PECVD磷硅玻璃法、机械织构对齐扩散法、激光刻槽法等方法。

图4 反腐蚀法工艺流程

丝印磷浆法是采用丝网印刷技术在金属栅线覆盖区域印刷高磷浓度磷浆，来实现金属栅线覆盖区域的重掺杂。在非金属栅线覆盖区域实现轻掺杂的方式有下几种：1、在非金属栅线覆盖区域印刷低磷浓度磷浆[2]；2、利用在高温下金属栅线覆盖区域高磷浓度磷浆挥发出来的磷气氛扩散到非金属栅线覆盖区域[6]；3、在扩散过程中通入少量的POCl3。

PECVD磷硅玻璃法是利用低温常压化学气相沉积的方法并结合掩膜，在电极接触区沉积含磷浓度高的磷硅玻璃，在非电极接触区沉积含磷浓度低的磷硅玻璃,从而实现选择性发射结。

机械织构对齐扩散法[12]是采用机械织构的方法先对硅片表面如图5(1)所示的非电极接触区进行织构处理，以氧化物源作为磷扩散源，面对待扩散硅片放置。扩散过程中，由于磷源在单位时间和单位面积上挥发的量一定，而在平行于源面方向上有更小的有效表面积，所以在没有织构的如图5（2）所示的电极接触区会有更多的磷沉积，而在非电极接触区由于织构而使得有效表面积增大，因此会有更少的磷沉积，从而形成选择性发射结结构。该法工艺较复杂，效果也难以保证扩散的均匀性及重复性。

激光刻槽法[12]是首先利用激光在硅片表面电极接触区刻槽，再在硅片表面覆盖磷浆，在刻槽中得到磷浆的量比槽外的要多，扩散后在刻槽附近就可以形成重掺杂区，而在刻槽以外其他区域形成轻掺杂区，而后在刻槽中制作电极实现选择性发射结。此方法成本昂贵，工艺复杂。

图5 机械织构对齐扩散法

2.5 激光掺杂法

激光掺杂法是最近出现的一种实现选择性发射结太阳电池的方法，目前此法也推出了整线解决方案。目前激光掺杂也有多种实现方法。主要的实现方法有：

1、先在表面涂上一层磷源，如图6（a）所示；然后采用激光束照射金属栅线覆盖区域，利用激光束的局部热效应使磷向里扩散而实现该区域的重掺杂，如图 6（b）所示；再清除表面的磷源，如图 6（c）所示；再进行一次低磷浓度轻扩散，使非金属栅线覆盖区域实现轻掺杂如图6（d）所示，这样就形成了选择性发射结结构。

2、先进行一次低磷浓度轻扩散，如图7（a）所示，扩散后会在表面形成一层高磷浓度的磷硅玻璃层；利用磷硅玻璃层作为磷源，采用激光照射金属栅线覆盖区域，以实现该区域的重掺杂，如图7（b）所示；再清除磷硅玻璃层，如图7（c）所示。

图7 激光掺杂法工艺流程Ⅱ

3、如图8（a）所示先进行轻掺杂，随后进行去磷硅玻璃和PE镀膜两道工艺，在前表面先镀上一层氮化硅薄膜；然后在氮化硅薄膜涂上一层磷源，如图8（b）所示；然后采用激光照射金属栅线覆盖区域，以实现该区域的重掺杂，如图8（c）所示；接着去除磷源及制作金属栅线，如图 8（d）、（e）所示。

图8 激光掺杂法工艺流程Ⅲ

根据重扩散磷源的不同可分为：1、利用轻扩磷硅玻璃中的磷作为重扩磷源，激光掺杂应在去磷硅玻璃前进行，见图（7）所示；2、正面覆盖磷作为重扩磷源，如图（6）所示；3、磷酸随激光束同步流到正面作为重扩磷源[8]。

3 选择性发射结太阳能电池的产业化

目前在国内，已有多个类型的选择性发射结技术实现了产业化；包括掩膜法、激光掺杂法、反腐蚀法以及硅墨法。并且在国内都有相应的生产线。

南京中电公司率先实现选择性发射结太阳能电池的产业化，其在2007年就建成了一条2MW的选择性发射结太阳能电池生产线，当年单晶硅太阳电池的平均转换效率为17%，平均转换效率要远高于普通单晶硅太阳能电池的转换效率。南京中电公司采用的选择性发射结太阳能电池技术采用是掩膜法，采用二氧化硅作为掩膜。紧随南京中电公司之后，无锡尚德也开始研究选择性发射结太阳能电池的产业化技术，采用的是激光掺杂法[10]。在2009年实现产业化生产，产能达100MW，单晶硅太阳电池达到19%的平均转换效率。2009年晶澳太阳能与美国的Innovalight公司进行合作，采用Innovalight研发的硅墨水技术[11]，进行选择性发射结太阳能电池产业化生产。另外德国schmid公司研制出了利用反腐蚀技术产生选择性发射结太阳能电池的生产线。

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[12]屈盛.丝网印刷制作选择性发射极太阳电池的研究[D].云南昆明:云南师范大学太阳能研究所,2005.

（责任编辑：陈 辉）

Technology of Selective Emitter Solar Cells

WANG Guo-ning1JIANG Ji-fu2HU Jun-Tao2
（1 Jiangxi University of technology,Nanchang 330098,China;2 Yunnan Tian da Photovoltaic Co.Ltd,Kunming 650091,China）

The technology of selective emitter is one of main technologies of high efficiency crystalline silicon solar cells.This article suggests the basic principle and advantage of selective emitter,and classifies the selective emitter solar cells technology,analyzes the characteristic of each type selective emitter technology,introduces the progress of industrialization of selective emitter solar cells technology.

selective emitter;solar cells;industrialization

A

123（2014）03-0042-05

2014-04-17

王国宁（1974-），男，江西吉安人，江西科技学院，硕士。研究方向：太阳能光伏。