选择性区域掺杂太阳能电池的研究与发展

张竹青+花国然+王强

摘 要： 选择性区域掺杂太阳能电池是人们实现高效率、低成本太阳能电池的新方法之一。在此简单介绍了选择性区域掺杂太阳能电池的结构特征以及性能特点，并介绍目前国内外常采用的选择性区域掺杂太阳能电池的制备方法：两步扩散法、光刻掩膜法和丝网印刷电极法，通过图表逐个分析其制备步骤及优缺点。最后展望了选择性区域掺杂太阳能电池的发展趋势，提出了两种工艺方法来解决选择性掺杂太阳能电池制备工艺复杂的途径，分别是热扩散法和激光掺杂法。

关键词： 太阳能电池； 选择性掺杂； 表面复合； 转换因子

中图分类号： TN304?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）20?0129?03

Research and development of solar cells with selective region doping

ZHANG Zhuqing1， HUA Guoran2， WANG Qiang3

（1. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China； 3. School of Electronic Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： Solar cells with selective region doping is one of the new method to achieve high efficiency and low cost solar cells. The structure characteristics and performance feature of this solar cells are introduced briefly. Three preparation methods （two?step diffusion method， photoetching mask method and silk?screen printing electrode method） of solar cells with selective region doping which is commonly used at home and abroad， are introduced respectively. The preparation steps， advantages and disadvantages of each method are analyzed by means of figures. The development trend of this solar cells is prospected. Thermal diffusion method and laser doping method are proposed to solve the preparation technology complexity of the solar cells with selective region doping.

Keywords： solar cell； selective doping； surface recombination； conversion factor

0 引 言

自从光伏效应产生以来，太阳能电池经过前人的努力探索研究，已经成为较为成熟的技术产业，但是大幅度的投入使用依旧难以实现。单一地通过改变材料的性能，或者电池制备方法，在大范围提升电池的光电转换效率上很难完成[1?3]。从前人的研究中可以看出，太阳能电池的表面掺杂浓度影响其转换效率。当掺杂浓度较低时能得到较高的短路电流，但是会降低开路电压；反之会改善电池的欧姆接触，降低电池的串联电阻，提高电池的转换因子。从这里不难看出掺杂浓度对于短路电流和开路电压的影响是对立矛盾的。为了解决传统工艺下制备的太阳能电池结构的难题，便提出了选择性区域掺杂太阳能电池的结构。

这种电池的结构特征是：在金属电极栅线以下的区域形成高浓度掺杂，通过得到良好的欧姆接触来减小串联电阻；在电极以外的区域形成轻浓度掺杂，同时制作浅结，以便于太阳光的吸收从而减小光生表面复合，提高电池的短路电流[4?6]。

1 选择性区域掺杂太阳能电池的理论基础

选择性掺杂太阳能电池是可以提高太阳能电池的开路电压，短路电流和填充因子，进而提高其光电转换因子。

1.1 减少太阳能电池的串联电阻

串联电阻[Rs]会影响太阳电池的填充因子和短路电流，从而会导致电池光电转换效率的改变。扩散顶区的表面电阻，电池的体电阻还有上下电极与太阳能电池之间的欧姆接触及金属导体的电阻三者构成了太阳能电池的串联电阻，其表达式为[7]：

[Rs=Re+Rc+PPN+Rb] （1）

式中：[Re]表示电池的电极电阻；[Rc]表示电池的接触电阻；[RPN]表示电池的P?N结电阻；[Rb]表示电池的基区电阻，其中接触电阻[Rc]与掺杂浓度是密切相关的。太阳能电池的表面掺杂浓度越高会导致接触电阻越小，则串联电阻就会减小，同时较深的P?N扩散结可以防止电极区的金属向结区渗透，从而在禁带中减少了电极金属引入杂质能级的概率。

1.2 减小光生少数载流子的表面复合

表面复合对于半导体器件性能及稳定性有着重要的影响，严重的表面复合会使器件失效[8]。endprint

表面复合率[Us]用以表征表面复合的速度大小，其定义是在单位时间内，单位面积的半导体表面复合掉的电子或者空穴对数。其表达式为[9]：

[Us=sΔPs] （2）

式中：比例系数[s]为表面复合的强弱，具有速度的量纲，[ΔPs]表示表面处非平衡少数载流子浓度。式（2）的直观意义就是：非平衡载流子数目随着表面复合而流失，如同表面处非平衡载流子[ΔPs]都以[s]大小的垂直速度流出了表面。掺杂浓度越小，表面光生少数载流子的复合速度也越小，所以应该选择较低的掺杂浓度从而来获得较好的表面复合。

1.3 增加太阳能电池的输出电压

最大的开路电压理论上极限应当由P?N结的内建势垒电压所决定[10]。内建势垒电压[VD]与半导体的禁带宽度[Eg]、导带能级[Ec]、价带能级[Ev]以及费米能级[Ef]之间的关系表达式为[11]：

[VD=Eg-Ec-Ef-Ef-Ev=kTqlnNANDni2] （3）

式中：[NA]表示受主浓度；[ND]表示施主浓度；[ni]表示本征载流子浓度。从式中可以看出随着掺杂浓度的增加，开路电压也会增加。但是开路电压不会随着掺杂浓度的增加而一直呈线性增加的状态，而是存在一个峰值。因为过量的重掺杂会导致禁带宽度的收缩，影响本征载流子的浓度，从而改变有效掺杂浓度且减少少子寿命[12]。

2 选择性区域掺杂太阳能电池的加工方法

目前国内外对于选择性掺杂工艺常用的方法有两步扩散法、光刻掩膜法、丝网印刷电极等。

2.1 两步扩散法

世界上首个选择性发射极太阳能电池的产生便是通过双次扩散的方法，即两步扩散法来制备的。两步扩散法的制备流程如图1所示。在清洗衬底后，轻扩散形成N层，再用等离子刻蚀的技术去掉周边，形成P?N结。在电池表面淀积一层二氧化硅层作为掩膜层，再刻蚀出电极窗口以便下一步骤的重扩散来完成选择性掺杂的过程。去掉背面，腐蚀掉二氧化硅层后，再镀上氮化硅层作为电池的抗反射层以便提高电池的效率，最后印刷正反面电极。由于生产中是在轻掺杂后，再进行一次重扩散的，这种两次扩散的制备方法就被称之为两步扩散法[13]。

图1 两步扩散法的工艺流程

这种扩散方法是先对整个发射区轻扩散，再对电极区进行重扩散，虽然制备工艺简单易行，但是二次重扩散会带来杂质的二次分布，会增加非电极区的表面复合，从而降低了电池的效率。

2.2 光刻掩膜法

光刻掩膜法[14]实际上也是两步扩散法的一种，如图2所示。

图2 光刻掩膜法的工艺流程图

在清洗制绒后的硅片上先通过氧化的方法制备一层掩膜层，也就是二氧化硅（SiO2）层，利用光刻的技术在电池表面刻蚀出电极窗口，然后进行第一次重磷扩散，将SiO2层腐蚀去除后，进行第二次的轻扩散，这样选择性掺杂的工序也就完成了；再淀积一层减反射膜，即氮化硅层；最后利用工业对准的方法，对准已经完成的重掺杂区域，进行电池电极的烧结工作，制作铝背场，整个选择性掺杂的太阳能电池器件便形成。

选择先重磷浆扩散的方法能够理想的控制电极区与衬底在进行选择性掺杂时的浓度差，清晰的分别出选择性掺杂区域，但是其中要引入光刻技术，无疑会增加生产成本，从而降低了生产效率。

2.3 丝网印刷法

图3为丝网印刷法[15]制备选择性区域掺杂太阳能电池的工艺流程图。首先是对整个硅片表面进行清洗制绒的工艺操作，接着使用丝网印刷机进行高浓度磷浆的印刷。印刷所得的图形与工业化生产中的晶体硅太阳能电池的电极图形保持一致，这时应该注意印刷的磷浆的量要保证在扩散时间内可以得到较深的结深，同时要确保重掺杂区域与电池的电极的栅线严格对齐。在这种情况下形成的扩散便是选择性扩散。再使用等离子刻蚀的方法去掉周边的P?N结，防止电池造成短路。在被氢氟酸溶液腐蚀掉磷硅玻璃后的电池表面，镀上抗反射层，也就是氮化硅层，通过减少反射光来提高太阳光的吸收率，进而提升电池效率。最终印刷烧结铝背场以及正背面的电极用来形成电池器件。

从工艺流程图中可知，丝网印刷的方法由于一次扩散就可以达到选择性掺杂的效果，所以简单化了工艺，但由于局部印刷磷浆的方法必然会导致表面扩散的不均匀性，从而增加电池的表面复合，可能提高“死层”的厚度，从而降低其效率。

图3 丝网印刷法的流程图

3 结 语

选择性区域掺杂太阳能电池有着独特的优势，然而加工工艺复杂程度较高一直是其难以得到大规模发展的弊端。如何简化其工艺成为急需解决的一大难题，有两种途径：一是使用热扩散法来制备太阳能电池，可以创新地使用氢氟酸对于材料不同的刻蚀比来制备此结构电池，可以简化其工艺；二是使用激光刻蚀的方法，可以有效改变硅片表面杂质的掺杂量，从而实现高低浓度掺杂的电池结构。

参考文献

[1] THOMAS C P， WEDDING A B. Theoretical enhancement of solar cell efficiency by the application of an ideal doen?shifting thin film [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2012， 98（3）： 455?464.

[2] XIA J B， SHOZO Y. Strategy to improve the performance of dye?sensitized solar cells： interface engineering principle [J]. Solar Energy， 2011， 85（12）： 3143?3159.

[3] 袁镇，贺立龙.太阳能电池的基本特性[J].现代电子技术，2007，30（16）：163?165.

[4] LEE E， LEE H， CHOI J Y， et al. Improved LDSE processing for the avoidance of overplating yielding 19.2% efficiency on commercial grade crystalline Si solar cell [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2011， 95（12）： 3592?595.

[5] 屈盛，刘祖明，廖华，等.选择性发射极太阳电池结构及其实现方法[J].中国建设动态，2004（4）：42?45.

[6] 吴正军，梁海莲，顾晓峰.选择性发射极参数对太阳电池光电特性的影响[J].微纳电子技术，2010，47（4）：202?206.

[7] 王敏，崔连延，孙静静.太阳能电池工程用数学模型的建立[J].科学技术与工程，2010（35）：8812?8815.

[8] 熊绍珍，朱美芳.太阳能电池基础与应用[M].北京：科学出版社，2009.

[9] 刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2003.

[10] 杜忠明.多晶硅太阳电池关键技术[D].昆明：云南师范大学，2006.

[11] 安其霖，曹国琛，李国欣，等.太阳电池原理与工艺[M].上海：上海科学技术出版社，1984.

[12] 于书文.GaSb热光伏电池及其减反射层的研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[13] 韩允.磷浆法制备选择性发射极单晶硅太阳能电池的研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[14] 刘祖明.晶体硅太阳电池及其电子辐照研究[D].成都：四川大学，2002.

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