PERC、IBC、SHJ、TOPCon、HBC等高效光伏電池簡史

:引言

近年來，能源危機(jī)與環(huán)境壓力促進(jìn)了太陽電池研究和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。目前，晶體硅太陽電池是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽電池，在光伏市場中的比例超過90%，并且在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)都將占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。其中，單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)完美，禁帶寬度僅為1.12eV，自然界中的原材料豐富，特別是N型單晶硅具有雜質(zhì)少、純度高、少子壽命高、無晶界位錯(cuò)缺陷以及電阻率容易控制等優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)高效率太陽電池的理想材料[1-2]。

如何提高轉(zhuǎn)換效率是太陽電池研究的核心問題。1954年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室首次制備出效率為6%的單晶硅太陽電池[3]。此后，全世界的研究機(jī)構(gòu)開始探索新的材料、技術(shù)與器件結(jié)構(gòu)。1999年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)宣布單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了24.7%[4]，2009年太陽光譜修正后達(dá)到25%[5]，成為單晶硅太陽電池研究中的里程碑。新南威爾士大學(xué)取得的25%的轉(zhuǎn)換效率記錄保持了十五年之久，直到2014年日本Panasonic公司和美國SunPower公司相繼報(bào)道了25.6%[6]和25.2%[7]的效率。此后，日本Kaneka公司[9，14-15]、德國Fraunhofer研究中心[10-11]、德國哈梅林太陽能研究所[12-13]等陸續(xù)報(bào)道了效率超過25%的單晶硅太陽電池，具體參數(shù)如表1所示。

1單晶硅太陽電池的理論效率

對于同質(zhì)結(jié)單晶硅太陽電池，2004年，Shockley和Queisser理論上計(jì)算的單晶硅太陽電池極限效率達(dá)33%，也稱之為Shockley-Queisser(SQ)效率[16]，但是該效率僅僅考慮了輻射復(fù)合，忽略了非輻射復(fù)合與本征吸收損失(例如俄歇復(fù)合與寄生吸收等)[17]。2013年，Richter等提出一種新穎且精確的計(jì)算單晶硅太陽電池的極限效率的方法，考慮了新標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜、硅片光學(xué)性能、自由載流子吸收參數(shù)以及載流子復(fù)合與帶隙變窄的影響，當(dāng)硅片厚度為110μm時(shí)，單晶硅太陽電池理論效率為29.43%[17]。硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池的模擬指出，最佳背場結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)提高其Voc與Jsc，以及硅片厚度對電池性能的意義，對稱結(jié)構(gòu)的SHJ電池的理論極限效率為27.02%[18]。

2013年，Wen等分析得出，界面態(tài)缺陷、帶隙補(bǔ)償與透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的功函數(shù)都會(huì)影響a-Si∶H(p)/n-CzSi的界面?zhèn)鬏斝阅埽⒂纱四M出27.37%的理論極限效率[19]。2015年，劉劍等進(jìn)一步提出了合適的a-Si∶H的厚度、摻雜濃度與背場結(jié)構(gòu)都會(huì)改善a-Si∶H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的載流子轉(zhuǎn)移性能，模擬出理論極限效率為27.07%[20]。上述的研究都認(rèn)為，最佳的背場能夠改善載流子的輸運(yùn)，降低載流子在PN結(jié)中的損失，并指出載流子遷移性能是提高SHJ電池轉(zhuǎn)化效率的重要條件[18-20]。

對于新型的無摻雜硅異質(zhì)結(jié)電池，2014年，Islam等采用金屬氧化物作為新型載流子選擇性鈍化接觸層，降低了載流子在“PN結(jié)”中的損失，同時(shí)改善了與金屬接觸的電壓降損失，模擬計(jì)算的極限效率達(dá)到27.98%[21]。表2總結(jié)了理想情況下單晶硅太陽電池的理論極限效率。

2高效單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析

MartinGreen分析了造成電池效率損失的原因，包括如圖1所示的五個(gè)可能途徑[1，22]:(1)能量小于電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，會(huì)直接穿透出去。

(2)能量大于電池吸收層禁帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴對分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，多余的能量以聲子形式放出，高能態(tài)的電子-空穴又回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，導(dǎo)致能量的損失。(3)光生載流子的電荷分離和輸運(yùn)，在PN結(jié)內(nèi)的損失。(4)半導(dǎo)體材料與金屬電極接觸處引起電壓降損失。(5)光生載流子輸運(yùn)過程中由于材料缺陷等導(dǎo)致的復(fù)合損失。

以上各種能量損失的途徑可概括為光學(xué)損失(包括(1)、(2)和(3))和電學(xué)損失(包括(3)、(4)和(5))。為了提高太陽電池效率，需要同時(shí)降低光學(xué)損失和電學(xué)損失。降低光學(xué)損失的有效措施包括前表面低折射率的減反射膜、前表面絨面結(jié)構(gòu)、背部高反射等陷光結(jié)構(gòu)及技術(shù)，而前表面無金屬電極遮擋的全背接觸技術(shù)則可以最大限度地提高入射光的利用率。減少電學(xué)損失則需要從提高硅片質(zhì)量、改善PN結(jié)形成技術(shù)(如離子注入等)、新型鈍化材料與技術(shù)(如TOPCon、POLO等)、金屬接觸技術(shù)等方面入手[1]。針對如何降低光學(xué)損失和電學(xué)損失的問題，人們提出了多種結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池，目前轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池主要包括以下六種。

2.1鈍化發(fā)射極背場點(diǎn)接觸(PERC)電池家族

新南威爾士大學(xué)(UNSW)MartinGreen領(lǐng)導(dǎo)的小組提出PERC結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池，在P型FZ硅片上實(shí)現(xiàn)了22.8%的高轉(zhuǎn)換效率[23]，其基本結(jié)構(gòu)如圖2a所示。1999年，UNSW的該團(tuán)隊(duì)再次宣布其PERL太陽電池(如圖2b所示)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到24.7%[4-5]。與傳統(tǒng)的單晶硅太陽電池相比，PERL太陽電池的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢包括:(1)氧化硅作為PERL太陽電池背表面的鈍化層，界面的復(fù)合速率顯著降低。(2)背金屬電極通過小孔接觸到重?fù)诫s的發(fā)射極，這種結(jié)構(gòu)能夠形成良好的歐姆接觸，從而降低電阻損失[4]。(3)倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作為雙減反層減少了光的反射，兩者共同顯著提高了太陽電池的短路電流[23]。為了解決背部接觸不足帶來的等效串阻增大等問題，他們將整個(gè)硅片背面先采用輕硼摻雜，而后再采用定域重硼摻雜制備金屬接觸區(qū)，從而形成PERT電池，其結(jié)構(gòu)如圖2c所示。它可以實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)和低背表面復(fù)合速率，改善了開路電壓和填充因子，在4cm2的P型MCZ硅片上取得24.5%的高效率[25]。而PERC太陽電池結(jié)構(gòu)如圖2a所示，它具有背表面鈍化優(yōu)異與其制備技術(shù)的優(yōu)勢，近年來得到產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，成為產(chǎn)業(yè)界下一代高效率高端電池產(chǎn)品。

FraunhoferISE采用一種無光刻、加工速度快、適用各種不同硅襯底的技術(shù)，獲得的PERC電池效率超過21%，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景[27]。2017年，隆基樂葉和晶科兩家公司分別報(bào)道了效率達(dá)到23.26%[28]和23.45%[29]的單晶硅PERC電池。2018年，他們又先后報(bào)道了效率為23.6%和23.95%的電池[30]，成為光伏行業(yè)的里程碑。在PERC電池的制備工藝中，背部電極的設(shè)計(jì)和金屬電極與硅基底之間形成良好的歐姆接觸是兩個(gè)關(guān)鍵的步驟[1-2]。目前實(shí)現(xiàn)金屬電極與硅基底的歐姆接觸技術(shù)越來越成熟，在生產(chǎn)線上已經(jīng)得到普遍的運(yùn)用。

2.2交叉指式背接觸(IBC)太陽電池

1975年，Schwartz首次提出背接觸式太陽電池[31]。經(jīng)過多年的發(fā)展，人們研發(fā)出了交叉指式背接觸(IBC)太陽電池，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。IBC太陽電池最顯著的特點(diǎn)是PN結(jié)和金屬接觸都處于太陽電池的背部，前表面徹底避免了金屬柵線電極的遮擋，結(jié)合前表面的金字塔絨面結(jié)構(gòu)和減反層組成的陷光結(jié)構(gòu)，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，具有更高的短路電流。同時(shí)，背部采用優(yōu)化的金屬柵線電極，降低了串聯(lián)電阻[32]。通常前表面采用SiNx/SiOx雙層薄膜，不僅具有減反效果，而且對絨面硅表面有很好的鈍化效果。這種前面無遮擋的太陽電池不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且具有外形美觀等優(yōu)勢，適合應(yīng)用于光伏建筑一體化，具有極大的商業(yè)化前景。目前IBC電池是商品化晶體硅電池中工藝最復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度最大的電池，標(biāo)志著晶體硅研發(fā)制造的最高水平。

作為IBC電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)導(dǎo)者的美國SunPower公司已經(jīng)研發(fā)了三代IBC太陽電池。其中，2014年在N型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池的最高效率達(dá)到25.2%[33]。天合光能公司一直致力于IBC單晶硅電池的研發(fā)，2017年5月自主研發(fā)的大面積6英寸(243.2cm2)N型單晶硅IBC電池效率達(dá)到24.13%[30];2018年2月，該電池的效率進(jìn)一步提高到25.04%，開路電壓達(dá)到715.6mV，并經(jīng)過日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(JET)獨(dú)立測試認(rèn)證。這是迄今為止經(jīng)第三方權(quán)威認(rèn)證的中國本土效率首次超過25%的單結(jié)單晶硅太陽電池，也是目前世界上大面積6英寸晶體硅襯底上制備的單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率，標(biāo)志著天合在高端光伏電池技術(shù)研究上邁出了重要的一步[30]。

2.3硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池

PERL電池和IBC電池雖然可以獲得極高的效率，但都是基于同質(zhì)PN結(jié)實(shí)現(xiàn)的[34]。AFORS-HET的理論計(jì)算表明，異質(zhì)結(jié)有利于太陽電池獲得更高的開路電壓，從而獲得較高的電池效率[17]。由于異質(zhì)結(jié)中兩種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、導(dǎo)電類型、介電常數(shù)、折射率和吸收系數(shù)等不同，比同質(zhì)結(jié)的應(yīng)用更加廣泛[1]。從20世紀(jì)80年代起，日本Sanyo公司及隨后的Panasonic公司在單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池(HIT，也稱SHJ)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，經(jīng)過對本征a-Si∶H鈍化層、背部場結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電與高透過ITO、陷光結(jié)構(gòu)、金屬化柵線和硅片厚度等關(guān)鍵技術(shù)的不斷優(yōu)化與調(diào)整[35-37]，2013年將面積為101.8cm2的SHJ太陽電池效率提高到24.7%[38]，開路電壓(Voc)達(dá)到750mV，遠(yuǎn)高于同質(zhì)結(jié)電池的開路電壓，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池研究的迅速發(fā)展與其自身具備的優(yōu)勢密切相關(guān)，其優(yōu)勢如下[40-43]:低溫制備工藝、異質(zhì)結(jié)造就的高Voc、雙面制絨結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的雙面采光、全鈍化層接觸結(jié)構(gòu)、無需光刻開孔、載流子的一維傳輸和低成本高效率等。日本Kaneka公司致力于單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究，他們采用雙面制絨的硅片，以本征a-Si∶H作為鈍化層，能取得高的開路電壓，這也是獲得高效率的重要原因。該硅片采用了雙面制絨技術(shù)，降低了光學(xué)損失，其兩面都生長TCO，具有光學(xué)透明與導(dǎo)電雙重功能。此外，他們還在Ag電極上電鍍Cu，降低了成本且提高了導(dǎo)電性[44]，從而進(jìn)一步優(yōu)化了SHJ太陽電池的性能，其效率達(dá)到25.1%[9]。

近年來我國在SHJ電池上已取得長足的進(jìn)步。杭州賽昂報(bào)道的SHJ電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.1%(有效面積229.9cm2)[45]。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所自2015年在125mm×125mm的N-CZ硅片制備的電池取得22.5%的效率之后[46]，通過改善硅片質(zhì)量與絨面陷光結(jié)構(gòu)，2017年2月在大面積(156mm×156mm)的N-CZ硅片上制備的SHJ電池效率達(dá)到23.5%[47]。在工業(yè)化方面，國內(nèi)外多家公司已經(jīng)在逐步推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化鏈的發(fā)展。

2.4交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)(HBC)太陽電池

為了進(jìn)一步提高單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率，利用IBC電池高短路電流與SHJ電池高開路電壓的優(yōu)勢，可結(jié)合成交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)(HBC)太陽電池，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。與IBC結(jié)構(gòu)太陽電池相比，HBC太陽電池采用a-Si∶H作為雙面鈍化層，具有優(yōu)異的鈍化效果，能夠取得更高的開路電壓[6]。在生長PN結(jié)的工藝中，他們采用區(qū)域型掩膜摻雜，降低了載流子的復(fù)合損失。與SHJ結(jié)構(gòu)的太陽電池相比，其前表面無電極遮擋，而且采用SiN減反層取代TCO，減少光學(xué)損失的優(yōu)勢更加顯著(在短波長范圍內(nèi))，結(jié)合前表面兩點(diǎn)優(yōu)勢，HBC電池能夠取得更高的短路電流。

2017年，日本Kaneka公司研發(fā)的電池先后取得了26.3%[14]、26.63%[15]的轉(zhuǎn)化效率。該公司的HBC電池(SHJ+IBC)前表面無金屬電極，背部P、N層呈現(xiàn)有序規(guī)則的交錯(cuò)排列，大大降低了串聯(lián)電阻Rs，且與P、N層接觸相間的金屬電極能夠形成很好的歐姆接觸，增大了短路電流。另外，優(yōu)異的本征鈍化層能夠獲取高的開路電壓。這兩大優(yōu)勢也決定了Kaneka公司能夠相繼取得世界晶硅電池的最高效率。

2.5隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池

德國Fraunhofer研究中心在電池背面利用化學(xué)方法制備一層超薄氧化硅(～1.5nm)，然后再沉積一層摻雜多晶硅，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)被稱為隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)[10]技術(shù)。由于n+多晶硅與吸收層的功函數(shù)存在差異，前者會(huì)在后者表面形成一個(gè)累積層。累積層或者能帶彎曲會(huì)產(chǎn)生一個(gè)勢壘阻擋空穴達(dá)到隧穿氧化層，而電子則能夠輕易達(dá)到。相比于電子，超薄氧化層也會(huì)為空穴提供更高的勢壘阻擋其隧穿，因而該層具有載流子選擇性[48]。TOPCon太陽電池的隧穿氧化層鈍化接觸結(jié)構(gòu)的能帶圖和其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6a、b所示。

Fraunhofer研究所采用N型FZ硅片，正面采用普通金字塔制絨，硼擴(kuò)散，等離子體輔助的原子層沉積(ALD)氧化鋁[11]與等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)氮化硅的疊層結(jié)構(gòu)起到鈍化和減反效果。背面采用上述TOPCon技術(shù)(基于硝酸熱氧化化學(xué)工藝)，PECVD沉積n+摻雜的多晶硅，接著通過進(jìn)行高溫(70～900℃)退火和氫鈍化改善硅薄膜的形貌與帶隙，最后正、反金屬化采用電子束蒸發(fā)的Ti/Pd/Ag疊層和熱蒸發(fā)的Ag實(shí)現(xiàn)，最終效率達(dá)到25.1%[10](Voc=718mV，短路電流(Jsc)=42.1mA/cm2，填充因子(FF)=83.2%)。隨后，他們使用最佳厚度、低電阻率的硅片，并改變前表面減反層(SiNx/MgF2)，進(jìn)一步降低光學(xué)損失，使得電池效率進(jìn)一步提高到25.7%[11]。

圖6c體現(xiàn)出背部全鈍化接觸與載流子一維傳輸特征，其中藍(lán)色箭頭表示電子傳輸。TOPCon最關(guān)鍵的技術(shù)就是超薄氧化層的制備。目前研究人員探索出一系列超薄氧化層的制備方法[10，49-50]，如紫外臭氧氧化、等離子體輔助氧化(N2和O2混合氣氛)、濕化學(xué)方法氧化(硝酸熱氧化、鹽酸熱氧化)、高溫?zé)嵫趸?Ar與O2混合氛圍下快速熱氧化、超高真空熱氧化)、高溫中性氧原子等離子體氧化、場誘導(dǎo)陽極氧化等。

采用TOPCon技術(shù)的高效晶硅太陽電池雖然還處于研發(fā)階段，但是該技術(shù)的運(yùn)用也取得了一定的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)室中，Yamamoto等將前表面SHJ的技術(shù)與背部采用TOPCon的技術(shù)結(jié)合，使得新型結(jié)構(gòu)的電池(SHJ+TOPCon)效率接近于25%[51]。基于IBC電池的優(yōu)異結(jié)構(gòu)，Reichel等通過離子注入的形式將IBC結(jié)構(gòu)與TOPCon技術(shù)結(jié)合，制備出新型的電池(IBC+TOPCon)，其Voc為682mV，偽填充因子(pFF)為82.2%[52]。而Tao等以大面積(239cm2)的N-CzSi為襯底制備出了效率為21.2%的TOPCon電池，他們采用在室溫和100℃環(huán)境下的濕化學(xué)硝酸氧化技術(shù)制備隧穿氧化層，并說明前表面發(fā)射極的復(fù)合影響電池性能，具有工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用前景[48，53]。隨著TOPCon電池的超薄氧化層制備技術(shù)不斷成熟，其不僅在實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛的應(yīng)用，而且具有很大的市場產(chǎn)業(yè)化空間。TOPCon太陽電池具有的工業(yè)化應(yīng)用前景在于TOPCon技術(shù)的多樣性，晶硅太陽電池的PN結(jié)、金屬電極、減反層等工業(yè)技術(shù)已經(jīng)成熟，為工業(yè)化生產(chǎn)高效晶硅太陽電池提供了一種選擇。

2.6多晶硅氧化物選擇鈍化接觸(POLO)太陽電池

德國哈梅林研究所(ISFH)Peibst等致力于P型單晶硅太陽電池的研究，結(jié)合多晶硅和氧化從而形成全鈍化接觸，稱之為POLO結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的POLO太陽電池結(jié)構(gòu)如圖7所示[54]。POLO電池與TOPCon電池都是采用了多晶硅加氧化層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且其對應(yīng)的氧化層的生長方法相近，不同點(diǎn)在于[11，54]:(1)前者先采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPD)法沉積本征多晶硅，然后采用離子注入形成n+/p+多晶硅，后者則采用PECVD法沉積n+多晶硅。(2)前者需要兩面都生長氧化層，并分別生長n+、p+多晶硅;后者只需背部生長氧化層，并沉積n+多晶硅。(3)前者在離子注入后會(huì)形成n+/p+c-Si，而后者無該摻雜技術(shù)的使用，不會(huì)形成p+/n+c-Si。與a-Si:H/a-Si異質(zhì)結(jié)相比，多晶硅/c-Si結(jié)的飽和電流密度和接觸電阻更低，且其載流子的選擇性更好[55]。多晶硅雖然具有很高的缺陷態(tài)，但是應(yīng)用于背結(jié)背接觸POLO太陽電池(POLO-BJBC)中能夠大幅降低載流子在PN結(jié)中的損失，從而取得了23.9%的效率[56]。隨后，ISFH研究所對比了同樣厚度的p-a-Si∶H層與p-多晶硅層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因寄生吸收造成的短路電流密度損失，前者要高于后者[57]。他們研究多晶硅/c-Si結(jié)的載流子選擇性的原理發(fā)現(xiàn)，n+-多晶硅和p+-多晶硅分別具有電子、空穴選擇性，通過化學(xué)刻蝕的溝槽隔開，分別與表面氧化物接觸，因而具有優(yōu)異的鈍化效果[58]。

基于SHJ電池的優(yōu)異鈍化性能、多晶硅/c-Si選擇性輸運(yùn)和TOPCon的隧穿氧化鈍化特性，Stodolny等提出了稱之為鈍化發(fā)射極及背部多晶硅氧化物選擇性接觸(PERPloy)的新型結(jié)構(gòu)的硅電池，取得了超過22%的轉(zhuǎn)化效率[59]。ISFH研究所Hasse等采用N型硅片襯底制備POLO電池，他們改善了POLO太陽電池的工藝流程，采用了無需光刻技術(shù)的方法，最終獲得24.25%的高轉(zhuǎn)化效率[60]。2018年2月，德國ISFH研究所報(bào)道了基于P型硅片的單晶硅太陽電池，其效率達(dá)到了26.1%[13]。ISFH研究制備的POLO太陽電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

比較圖7和圖8可知，后者的結(jié)構(gòu)結(jié)合了IBC太陽電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，前表面無金屬電極，提高了入射光的利用率;而且后者結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，前后減反層分別為AlOx/SiNy/SiOz隨機(jī)金字塔狀結(jié)構(gòu)、AlOx/SiOz疊層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了鈍化與光吸收效果。其中，POLO技術(shù)的最關(guān)鍵點(diǎn)為氧化物的生長和本征多晶體硅的沉積。首先在硅片兩面進(jìn)行熱氧化或是紫外臭氧氧化，生長氧化硅層。然后通過LPD技術(shù)沉積本征多晶硅，再運(yùn)用離子注入技術(shù)，形成P、N型的多晶硅和單晶硅。

利用光刻膠作為保護(hù)層，通過濕化學(xué)法對背面進(jìn)行刻蝕，從而形成溝槽，將P、N型分離開后分別與金屬電極接觸，降低了載流子的復(fù)合，且形成載流子的選擇性輸運(yùn)。相比于前面提到的幾種結(jié)構(gòu)的高效單晶硅太陽電池，該電池的制備流程復(fù)雜、繁瑣，且目前只適合實(shí)驗(yàn)室制備階段。但其優(yōu)勢也很突出，具有優(yōu)異的選擇性鈍化接觸特性，低溫條件下就可以制備，且對硅襯底表面的潔凈度要求不高。POLO-IBC電池離投入工業(yè)并大量生產(chǎn)還有一段距離，不僅僅需要簡化工藝流程，而且還要兼顧成本與環(huán)保。

3高效單晶硅太陽電池的發(fā)展趨勢

至今為止，單晶硅太陽電池?zé)o論是在研究方面還是在產(chǎn)業(yè)化方面都得到了快速的發(fā)展。綜合上述分析及目前的現(xiàn)狀，下一步高效單晶硅太陽電池的發(fā)展趨勢主要包括以下方面。

3.1全鈍化接觸

在影響c-Si電池的諸多因素中，硅片質(zhì)量的提高使得其體復(fù)合越來越小，新型鈍化層及其制備技術(shù)的發(fā)展使得表面復(fù)合大幅降低。其中，金屬電極與c-Si接觸處的復(fù)合成為影響電池效率的關(guān)鍵因素，被認(rèn)為是接近理論極限效率的最后一個(gè)限制因素。為減小金屬與c-Si接觸處的復(fù)合，一方面通過在電池(包括PERC、PERL和PERT等)背面局部開孔來減小金屬與c-Si直接接觸面積。雖然其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到或者接近25%，但是這些電池中依然存在金屬與c-Si直接接觸。背面開孔工藝復(fù)雜，且會(huì)對開孔處的硅材料造成損傷。此外，局部開孔技術(shù)使得載流子不僅偏離了垂直于接觸面的遷移路徑，而且可能會(huì)擁堵在開口處，進(jìn)而導(dǎo)致填充因子損失。

另一方面，需要開發(fā)出新型的接觸方案:既能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的表面鈍化，又無需開孔便可分離和輸運(yùn)載流子，即載流子選擇性鈍化接觸。該方案可實(shí)現(xiàn)硅片表面的全面積(包括接觸區(qū)和非接觸區(qū))鈍化，且此時(shí)載流子在兩端電極之間是一維輸運(yùn)，有利于獲得更高的填充因子，進(jìn)而提高其轉(zhuǎn)化效率。目前的研究熱點(diǎn)主要包括硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)電池和隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池，分別采用本征非晶硅/摻雜非晶硅(i-a-Si∶H/dopeda-Si∶H)和SiO2/摻雜多晶硅的組合來同時(shí)實(shí)現(xiàn)全表面鈍化和載流子選擇輸運(yùn)，最高效率分別達(dá)到25.1%[9]和25.7%[11]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步與交叉指式背接觸(IBC)技術(shù)相結(jié)合，前者使得電池效率進(jìn)一步提升到26.6%[15]，而后者剛超過20%[51]?；赟iO2/摻雜聚合Si的優(yōu)異載流子選擇性輸運(yùn)特性，人們將其運(yùn)用到硅片的前后表面形成對稱結(jié)構(gòu)，從而誕生了POLO電池，并取得了25%的效率[12]。隨后基于IBC結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性，實(shí)現(xiàn)了POLO-IBC結(jié)構(gòu)的電池，將電池效率進(jìn)一步提升至26.1%[13]。此外，采用具有高功函數(shù)的材料(MoOx、VOx和WOx等)和低功函數(shù)的材料(LiFx、MgOx和TiO2等)作為空穴、電子選擇性接觸層也是實(shí)現(xiàn)載流子鈍化接觸的有效方案[61]。

3.2交叉指式背接觸(IBC)結(jié)構(gòu)

從產(chǎn)業(yè)化角度來看，進(jìn)一步提升晶硅電池的效率主要從兩方面開展工作:一方面，在現(xiàn)有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改進(jìn)，包括柵線電極金屬化技術(shù)、選擇性發(fā)射電極(SE)技術(shù)、先進(jìn)陷光技術(shù)、組件電學(xué)與光學(xué)優(yōu)化以及無鋁邊框雙玻組件技術(shù)等;另一方面，從實(shí)現(xiàn)高效電池產(chǎn)品的角度來說，開發(fā)新型載流子選擇性鈍化接觸技術(shù)及其低成本的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，包括SHJ電池、TOPCon電池及其與叉指背接觸(IBC)技術(shù)結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)電池、產(chǎn)業(yè)化核心設(shè)備以及關(guān)鍵輔助材料的研發(fā)。利用IBC結(jié)構(gòu)前表面無金屬柵線，絨面陷光結(jié)構(gòu)充分地利用了入射光，背部與SHJ和TOPCon技術(shù)全鈍化接觸優(yōu)勢相結(jié)合，這樣能夠在晶體硅太陽電池中取得更高的效率。因而，IBC結(jié)構(gòu)在今后的晶硅太陽電池中具有更加重要的地位與應(yīng)用前景。

3.3P型和N型硅片之爭

相對于P型硅片，N型硅片具有體壽命高、對金屬雜質(zhì)的要求高以及沒有硼氧對導(dǎo)致的光致衰退等優(yōu)勢，且制備的N型單晶組件具有弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[62]，是未來高效單晶硅太陽電池的必然選擇，基于N型硅片的電池效率確實(shí)也達(dá)到了26.6%[15]的效率記錄。然而，2018年2月，德國ISFH研究所報(bào)道了基于P型硅片的單晶硅太陽電池效率達(dá)到了26.1%[13]。因此，在P型硅片與N型硅片的選擇上，仍然存在很大的爭議。

4結(jié)語

本文詳細(xì)地介紹了六種主要的高效率單晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)特征，通過比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)異的光利用率的IBC結(jié)構(gòu)仍然是目前高效晶硅太陽電池研發(fā)的必要條件，這歸功于其前表面無金屬電極所帶來的高短路電流的優(yōu)勢。此外，優(yōu)異的選擇性全鈍化接觸技術(shù)是提升開路電壓與填充因子的關(guān)鍵因素。綜合考慮抑制晶硅太陽電池性能的五大主要損失途徑，充分地發(fā)揮這兩大技術(shù)的優(yōu)勢，才能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電池轉(zhuǎn)化效率，并為實(shí)現(xiàn)低成本、高效率晶硅太陽電池的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化建立一定的基礎(chǔ)。

高效單晶硅太陽電池的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢

陳俊帆1，2趙生盛1，2高天1，2徐玉增1，2張力1，2

丁毅1，2張曉丹1，2趙穎1，2侯國付1，2

1 南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所

2 天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

原標(biāo)題:PERC、IBC、SHJ、TOPCon、HBC等高效光伏電池簡史