太阳能晶体硅背接触电池需进一步简化工艺

中国科学院微电子研究所太阳能电池研究中心 贾锐

光伏作为新能源的一种，受到了各国的极大重视。如何对现有常规P型晶体硅技术进行升级改造，提升效率和降低成本，是各厂家必须面对的问题。目前首要解决的问题就是要降低新电池成本、保持高效，以便大规模应用。现在为降低成本所研究的高效电池主要是从减少表面陷光、表面遮光损耗等几个方面入手。为了减少表面遮光就要把栅线做得很细，但是细的栅线又会使得电极接触电阻增加，同时也增加了工艺难度，所以早在20世纪70年代就有人提出背接触太阳能电池的概念。该技术基本消除了正面栅线电极的遮光损失，更加充分地利用了光照，提高了电池效率。同时，背接触电池还将电池的两极从背面引出，降低了封装难度，简化了制作工艺，使得电池更加美观。MWT和EWT是背接触电池的二种形式，属于前结电池形式，发射极位于电池正面，有利于更多载流子的收集。MWT和EWT不完全依赖于栅线收集载流子，主要是通过对衬底打孔，通过不同的方式向孔洞中填充金属或者重扩，实现前后发射极间的电流传输，与传统电池相比，减小了正面的遮光面积，还不影响正面载流子的收集，从而提高了电池效率。本文将从这两种高效晶硅太阳能电池的结构及其关键技术做进一步的分析和介绍。

MWT和EWT提效率、降成本

MWT(Metal Wrap-Through)即金属电极环绕穿通电池，MWT电池将电池正面收集的电子通过孔洞中的金属转移至电池背面。它不再需要在电池正面制作“母线”，因此电池表面就有更大面积来收集光子并将其转化为电能。德国研究人员Fraunhofer等已经制备出17.1%的MWT电池，还有荷兰研究机构研究的多晶MWT电池效率也达到了17%。但是MWT电池中金属化孔洞的制备和电级间的分流仍然是MWT发展需要优化的难题。

EWT(Emitter Wrap-Through )即发射极环绕穿通电池，它是MWT电池的改进版，兼具了IBC电池与MWT电池的优点。此外EWT的孔洞导通一般是通过重扩的方法来实现的，一方面把电池正面发射极和背面局部发射极连接在一起，另一方面重扩还可以降低接触电极的接触电阻。这样通过重扩的孔洞将前表面发射极引入背面，实现把前表面收集的电子传导到背电极上，电池的P型电极和N型电极的细栅全部交叉排列在电池背面，简化了封装工艺。前表面依然采用优良的金字塔结构和减反射膜，以减少光的反射损失，从而达到了提高电池效率的目的。

与传统电池相比较，MWT和EWT的优点包括：(1)降低或完全消除了正面网格的遮光，增大了受光面积，故可以提高光电流的密度；(2)由于正负电极均位于电池背面，可简化电池封装工艺，更容易实现自动化，并且可以调节背面基极和发射极所占的面积比例，降低电极的接触电阻；(3)用孔洞将前后发射极连接在一起，对于低少子寿命的硅衬底仍可以获得较高的短路电流，可以降低对衬底的要求，低品质的薄基硅片更能体现MWT和EWT太阳电池结构的优越性；(4)实现从电池的前结和背结双结共同收集电荷，故有很高的电荷收集率。此外，薄的硅片因为减少了电荷的传输路径，降低了孔电阻，也可以提高电池的填充因子。

激光打孔技术应用日趋广泛

简化工艺是MWT和EWI电池制备的发展趋势。首先从打孔技术看，MWT和EWT电池的制备都需要打孔，MWT中的金属化孔洞主要起到连接前后两面发射极的作用，主要收集载流子的还是表面栅线。而EWT对打孔的要求更高，它表面没有一点遮光的栅线，全部都是通过孔洞来收集载流子并且传输到背面的发射极上，单位面积上孔的数目更是远大于MWT。早期有用化学腐蚀、光刻和激光刻槽的方法进行孔的制备，这些方法工艺繁琐而且成品率也不够高，但后来随着激光技术的发展，现在大量生产的MWT和EWT都用激光打孔技术，尤其是有些多晶电池的制备，用化学腐蚀方法制孔很难得到大小均匀的孔洞，而且现在成熟的激光技术在打孔后可以改善Si材料的本身性质，所以现在量产的MWT和EWT都采用激光技术。

不论MWT还是EWT其孔径都在30微米～100微米之间，成熟的激光技术对于孔径和孔壁的均匀性都有比较理想的表现，在MWT电池的晶片上，其孔洞的数目大约在100个～300个左右；在EWT的晶片上现在标准都是每1毫米的间隔有1个孔。目前对EWT打孔存在的困难主要在于缩短打孔时间、提高成功率和无损伤等方面，所以对激光的频率和重复率要求更高。

制绒改善表面反射率

与传统电池一样，MWT和EWI电池都需要在表面进行制绒。制绒的主要目的是将其表面的反射率降到10%以下。制绒的方法很多，包括激光刻槽技术、反应离子刻蚀技术、掩膜刻蚀法、电化学腐蚀、化学腐蚀法等。

在MWT和EWT中有用酸腐蚀的，也有用碱腐蚀的，因为这两种类型的电池对衬底的要求都不高，既有多晶也有单晶，所以不同衬底可以选择各自适当的方法，但不论哪种腐蚀都可以改善激光打孔对硅片带来的损害，减小激光打孔对孔壁高温灼烧的影响，为制备电池之后的工艺打下良好的基础。

现在MWT和EWT在制绒中采用金字塔、纳米柱、倒金字塔等绒面设计，其中陷光效果最好的是纳米柱结构，它不仅改变了硅的表面形貌，还增强了可见光的吸收。

湿法扩散可增加均匀度

扩散是制备太阳能电池的核心步骤，通过扩散可在硅衬底上形成PN结。企业里通常使用的方法是湿法扩散，用POCl3作为磷源，BBr3作为硼源。金属化孔洞填充存在的问题是经过高温烧结后很难形成连续的通道，所以EWT要求孔洞中进行重扩降低接触电阻，并以此来作为电流传输的通道。

现在量产MWT和EWT通常采用的是湿法扩散，扩散浓度越高其表面的方块电阻就会相应减小，如果衬底是P型硅片，进行磷扩散，通常用的湿法扩散是将两片硅片紧贴在一起，在850℃的扩散炉里用液态POCl3进行磷扩散，如果扩散时间分别为90分钟左右的话，用四探针法进行测量，扩散硅片的方块电阻在R=20～30Ω/sq的范围内，之后用10%的HF去除硅片表面的磷硅玻璃，再用大量的冷、热去离子水进行冲洗，其优点就是扩散得比较均匀。

另外，制备EWT电极时还可用Al-P共扩散的方法，与传统方法一样都是要先用激光打孔，在电池背面同时用丝印的方法印上有P和Al的叉指电极，面积比约为1∶1，然后一起放进烧结炉里进行烧结，这样可大大节省工艺步骤，但是由于激光损伤和表面没有钝化，使得表面复合略显增加而且效率也只有10%，所以这个工艺还有一些参数需要去改善，例如背电极、激光参数等都还需要优化。

实验室中对MWT和EWT的扩散也有用干法扩散的，其磷源片种类很多，主要成分有磷酸镧、CeP5O14、SiP2O7几种，硼源片的主要成分有B2O3、BN和SiO2的混合物两种，扩散时在源片的同一石英舟上放上要扩散的硅片，待炉温加热至850℃的时候缓慢将石英舟推入恒温区，并一直通氮气，P扩散一小时后其方阻约在R=20～30Ω/sq的范围内，均匀性也较好，而且背面不用做遮挡，但是尾气是有毒的，需要进行处理。另外，源片的保存是个很重要的问题，要求干燥，而且要定期进行烘干，若保管不善会减少源片的使用寿命。

减反层折射率控制在2.3左右

晶体硅太阳电池中少数载流子的复合导致了光生载流子的损失，从而引起了电池效率的降低。而硅片中少数载流子的寿命值在很大程度上受到硅片表面形状的影响，如果在硅表面加一层氧化层，硅与氧化层之间的内表面上绝大部分硅原子的未饱和键都被氧化层中的原子所填补，因而降低表面态密度，这就是钝化层的作用。

玻璃的折射率n0为1.5，晶体硅的折射率nsi为3.6，最合适的减反射膜的光学折射率经过计算为2.3。所以要想做良好的减反层，折射率就需要控制在2.3左右。

SiO2可以有效地减小表面态，减少表面复合，从而起到钝化的作用。但是制备SiO2的时候需要高温条件，长时间的高温条件易使质量较差的单晶及多晶硅衬底产生缺陷，导致硅片少子寿命的下降，并引起衬底掺杂浓度的再分布。许多有害杂质也会在高温条件下扩散到硅片体内。早期就有人提出SiNx是理想的减反射膜，而且还可以同时达到表面钝化和体内钝化的效果。PECVD法沉积的氮化硅膜的折射率可以通过调节反应气体的流量进行调整，一般可调范围在1.9～2.5之间。SiNx薄膜还有着卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸气扩散的能力。这些优点是其他钝化膜所不能比拟的，因此是一种用作晶体硅太阳电池减反射及钝化薄膜的理想材料。

热生长的SiO2由于其良好的致密性，具有很好的表面钝化作用，而PECVD法沉积SiNx膜对硅片的表面和体内都有一定的钝化作用。由于短波长的光在电池的上表面很小的薄层内有很大的吸收，因此为了更好地降低电池的上表面复合速率，提高电池的短波响应，同时结合热生长SiO2的表面钝化特性以及PECVD法沉积SiNx良好的减反射以及体钝化特点，硅片表面先生长一层SiO2薄膜，然后在SiO2薄膜上生长一层SiNx。这也是因为SiNx与硅片的附着力不好，容易脱落，通常SiNx中含有电荷，当作为P型钝化的时候有可能会形成一个反型的通道，所以对于N型钝化有理想的效果。

背电极制备以丝网印刷技术为主流

MWT和EWT的基极和发射极都在背面，这就要求两个电极尽可能接近但又不能短路。早期用光刻的方法，但工艺繁琐、成本相对较高，后来随着丝网印刷技术的发展，在制备MWT电极的时候大多采用丝网印刷技术。

MWT需要用丝网印刷技术在前后表面丝印母线和细栅线电极，并且可以填充孔洞，这些都是影响MWT电池性能的直接因素。现在大多数电池的丝网印刷采用银浆来做电极，因为银有良好的导电性，为了降低成本也有用铝浆或者银铝浆的。MWT对浆料也有很多要求，首先是要有良好的黏附性，在丝印的过程中要保证浆料把孔洞填满，不能有缝隙；其次要求高温烧结的过程中不能有太大的收缩，以免从孔壁上脱落下来，裂缝和过度收缩都会大大增加电池的串联电阻。

通过优化浆料金属化的工艺过程，已可获得效率达到16%的多晶硅MWT电池。2010年也有研究人员用丝印的方法制备EWT电池，在单晶衬底上作出了16%转换效率。