PERC帶火的SE有哪些實(shí)現(xiàn)方式?

:選擇性發(fā)射極(iveemitter,SE)太陽(yáng)電池，即在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜。這樣既降低了硅片和電極之間的接觸電阻，又降低了表面的復(fù)合，提高了少子壽命，從而提高轉(zhuǎn)換效率。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“摩爾光伏”ID：molepv）

其實(shí)，早在1984年Soder就全面綜述了硅太陽(yáng)能電池的接觸電阻理論，分析了不同金屬功函數(shù)和硅表面摻雜濃度對(duì)接觸電阻的影響。形成SE結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案有很多，但大多數(shù)都要求配套相關(guān)的新設(shè)備與輔材。PERC流行之前，SE電池大規(guī)模推廣面臨著投資成本巨大，高能耗，工藝整體耗時(shí)長(zhǎng)等困境。

PERC的流行帶火了SE。SE技術(shù)處理過(guò)的電池相比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池有0.3%的提升，SE技術(shù)跟PERC技術(shù)相結(jié)合，可以使電池的量產(chǎn)效率輕易突破22%。

SE+PERC已經(jīng)成為行業(yè)主流的提效方式，采用激光摻雜技術(shù)形成選擇性PN結(jié),已經(jīng)被很多企業(yè)采用。激光PSG摻雜法是采用擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生的磷硅玻璃層作為摻雜源進(jìn)行激光掃描，形成重?fù)诫s區(qū)。激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池生產(chǎn)線，工藝上只需增加激光摻雜一個(gè)步驟，從設(shè)備上來(lái)說(shuō)，只需增加摻雜用激光設(shè)備，與常規(guī)產(chǎn)線的工藝及設(shè)備兼容性很高，是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

SE還有哪些實(shí)現(xiàn)方式？未來(lái)這些方式還有無(wú)潛力可挖？

選擇性發(fā)射極電池的結(jié)構(gòu)

在太陽(yáng)能電池的眾多參數(shù)中，發(fā)射極（dopant profile）是最能影響轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)之一。

適當(dāng)提高方塊電阻可提高開(kāi)路電壓和短路電流，但是在絲網(wǎng)印刷方式下，Ag電極與低表面摻雜濃度發(fā)射極的接觸電阻較大，最終會(huì)由于填充因子的下降從而引起轉(zhuǎn)換效率降低。

為了兼顧開(kāi)路電壓、短路電流和填充因子的需要，選擇性發(fā)射極電池是比較理想的選擇，即在電極接觸部位進(jìn)行重?fù)诫s，在電極之間位置進(jìn)行輕摻雜。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池n+擴(kuò)散層一般在40-50Ω/sqr，而SE結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池的淺擴(kuò)散方阻一般在80-100Ω/sqr，在電極下的重?fù)椒阶鑴t低于40Ω/sqr。

這樣的結(jié)構(gòu)有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)降低串聯(lián)電阻，提高填充因子

電池的串聯(lián)電阻由柵線體電阻、前柵與硅表面的接觸電阻、擴(kuò)散層薄層電阻、硅片體電阻、背電極接觸電阻和背場(chǎng)體電阻組成。

其中，在絲網(wǎng)印刷工藝下，前柵接觸電阻、體電阻和擴(kuò)散層薄層電阻對(duì)串聯(lián)電阻貢獻(xiàn)最大。

根據(jù)金屬-半導(dǎo)體接觸電阻理論，接觸電阻與金屬勢(shì)壘（barrier height）和表面摻雜濃度（Nd）有關(guān)，勢(shì)壘越低，摻雜濃度越高，接觸電阻越小。

（2）減少載流子Auger復(fù)合，提高表面鈍化效果

當(dāng)雜質(zhì)濃度大于1017cm-3時(shí)，Auger復(fù)合是半導(dǎo)體中主要的復(fù)合機(jī)制，而Auger復(fù)合速率與雜質(zhì)濃度的平方成反比關(guān)系，所以SE的淺擴(kuò)散可以有效減少載流子在擴(kuò)散層橫向流動(dòng)時(shí)的Auger，提高載流子收集效率；

另外，低表面摻雜濃度意味著低表面態(tài)密度，這樣也可提高鈍化效果。

(3)改善光線短波光譜響應(yīng)，提高短路電流和開(kāi)路電壓

對(duì)于AM1.5G而言，約20%能量的入射光的吸收發(fā)生在擴(kuò)散層內(nèi)，所以淺擴(kuò)散可以提高這些短波段太陽(yáng)光的量子效率，提高短路電流；

同時(shí)，由于存在一個(gè)橫向的(n++ - n+)高低結(jié)，和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，還可提高開(kāi)路電壓。

一次擴(kuò)散SE電池制備方案

氧化層淹膜擴(kuò)散—印刷法

此為Centrotherm的turnkey line制備方案。

該方案要點(diǎn)是，在清洗制絨后通過(guò)熱氧生長(zhǎng)的方法在硅片表面形成一層較薄的氧化層，然后根據(jù)絲網(wǎng)印刷前電極的圖案在氧化層上開(kāi)槽，再用弱堿清洗激光損傷層。

這樣，在擴(kuò)散時(shí)，沒(méi)有開(kāi)槽的區(qū)域由于氧化層的阻擋作用形成淺擴(kuò)，開(kāi)槽的區(qū)域形成重?cái)U(kuò)。根據(jù)公開(kāi)提供的數(shù)據(jù)，n++層寬度控制在250-300μm，柵線寬度80-100μm。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是增加設(shè)備較少，步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，要解決的主要問(wèn)題是：

一、激光工藝的穩(wěn)定性要保證，在幾百μm寬的區(qū)域激光開(kāi)槽所帶來(lái)?yè)p傷層，需清洗干凈?？捎闷渌_(kāi)槽方式代替激光，如絲網(wǎng)印刷刻蝕膏，或材料打印機(jī)打印刻蝕液（氟化銨）等；

二、硅片需經(jīng)歷氧化和擴(kuò)散兩次高溫過(guò)程，高溫?fù)p傷比常規(guī)片要大，對(duì)硅片質(zhì)量要求較高，普通多晶硅可能滿足不了要求；

三、氧化層厚度和均勻性需要控制得較好，因?yàn)檫@直接影響到n+層的擴(kuò)散質(zhì)量；

四、需解決絲網(wǎng)印制的精確對(duì)位，對(duì)位越精確，n++層的寬度就可越窄，效率提高越多。

激光涂源摻雜—電鍍法

此為Roth&Rau的turnkey制備方案，該方案的要點(diǎn)是：

分別處理前后電極，淺擴(kuò)散（100-120Ω/sqr）和鍍膜后先絲網(wǎng)印刷鋁背場(chǎng)并燒結(jié)，然后在前表面旋涂磷源（磷酸+酒精）；

再用激光（532nm,綠光）按照柵線圖案進(jìn)行開(kāi)槽并摻雜，形成方阻約20Ω/sqr的局域重?fù)絽^(qū)；

最后利用光誘導(dǎo)電鍍（LIP-light induced plating）在這些重?fù)絽^(qū)上電鍍Ni/Cu/Ag金屬層作為前電極。

由于采取電鍍的方式，柵線寬度可減少至約30μm，與硅片接觸寬度約20μm。

該電池的優(yōu)勢(shì)在于非常小的有效遮擋面積（小于5%）和線間距（約1mm），在這樣的線間距下，可擴(kuò)散超過(guò)100Ω/sqr的淺結(jié)，這樣既提高了Voc和lsc，又能保證FF不會(huì)下降得太多

另外從設(shè)備上而言，由于采取電鍍制作柵線，無(wú)需高精度的絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行二次對(duì)位。

需要解決的問(wèn)題是：

(1) 激光摻雜工藝的控制，激光在Pluto中起到了關(guān)鍵作用，既要在SiNx上開(kāi)槽又要形成重?fù)剑⒈ＷC一定的表面摻雜濃度（較小的接觸電阻），激光的波長(zhǎng)、脈沖頻率和功率都需仔細(xì)權(quán)衡，并且穩(wěn)定控制才能達(dá)到生產(chǎn)需求；

(2) 金字塔絨面需控制得比較小而均勻；

（3）如采用電鍍Ni作為種子層，還要經(jīng)過(guò)一道低溫?zé)Y(jié)工序，這一燒結(jié)工藝也需控制得很好。因?yàn)楦鶕?jù)Ni/Si合金相圖，期間形成的歐姆接觸的溫度區(qū)間較小，稍有差池就會(huì)造成燒穿p-n結(jié)漏電（溫度過(guò)高）或接觸電阻過(guò)大(溫度偏低)；

(4)電鍍Ag與焊接帶之間的粘合力較小，做成組件后容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象，目前還沒(méi)有很好的解決方案，通過(guò)改進(jìn)電鍍電解液來(lái)改善電鍍Ag表面形貌可能是其中一條途徑。

印刷摻雜—電鍍法

此方案是針對(duì)Pluto電池在激光和Ni/Si合金燒結(jié)工藝難于控制的不足，使用其他方法代替電鍍Ni做LIP的種子層。代替的方案有：

（1）fineline priting印刷小于80μm的細(xì)柵。但要提高電池效率，印刷漿料必須（a）在低表面濃度下也能保證低接觸電阻，或者(b)本身含磷摻雜源并在燒結(jié)時(shí)能擴(kuò)散入Si形成重?fù)剑?/p>

（2）inkjet printing印刷約30-50μm的細(xì)柵。同樣，要形成SE結(jié)構(gòu)，ink中也需含n++摻雜質(zhì)；

（3）其他印刷細(xì)柵的方法，如laser trasfer plating (LTP)等。與激光相比，這些印刷工藝都較難做到1mm的柵線距離，所以淺擴(kuò)層方阻不能高于100Ω/sqr。

同樣，由于最后需采取LIP對(duì)柵線進(jìn)行增厚，也需解決電鍍Ag與焊接帶之間粘合力較小的問(wèn)題。

另外，inkjet printing和LIP等這些新的印刷設(shè)備成本都較高，風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)于產(chǎn)業(yè)也是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。

激光PSG摻雜—印刷法

此方案為Manz正在研發(fā)的一條SE路線，其要點(diǎn)是：

(1)使用擴(kuò)散時(shí)生成的PSG代替磷酸作為laser doping的磷酸；

(2) 采取絲網(wǎng)印刷制作電極，避免電鍍工藝。由于印刷工藝對(duì)線間距的限制，淺擴(kuò)層方阻不能高于100Ω/sqr。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是工藝步驟少，除激光外無(wú)需增加其他設(shè)備，但和方案二一樣，需解決的主要問(wèn)題是：

（1）激光摻雜的工藝控制，為了同時(shí)達(dá)到減小接觸電阻和避免漏電的目的，激光摻雜重?fù)絽^(qū)域?qū)诫s均勻性要求較高；

（2）絲網(wǎng)印刷二次對(duì)位精度要求較高。

返刻法

此為Scht的turnkey line制備方案。該方案要點(diǎn)是：

（1）使用inkjet printing方法在重?cái)U(kuò)硅片（約40Ω/sqr）上打印與前柵線圖案一樣的有機(jī)材料掩膜(約300nm寬) 作為腐蝕阻擋層，在HF/HNO3腐蝕液中對(duì)掩膜外的重?cái)U(kuò)區(qū)域進(jìn)行腐蝕形成淺結(jié)（約90Ω/sqr）；

（2）掩膜制備和絲網(wǎng)印刷柵線之間具有二次定位系統(tǒng)，使柵線印刷在掩膜區(qū)域。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是流水線作業(yè)，產(chǎn)量大，易于產(chǎn)業(yè)化；避免采用激光工藝，保證碎片率比較低。需要考慮的問(wèn)題是：

(1) 返刻腐蝕步驟比較難控制，要求方塊電阻均勻性較好，有可能腐蝕過(guò)度造成橫向擴(kuò)散電阻增大，增大串聯(lián)電阻；

(2) Inkjet printing做掩膜成本較高，可考慮其他方法代替，如絲網(wǎng)印刷掩膜，材料打印機(jī)打印液態(tài)石蠟等。

(3) 后期絲網(wǎng)印刷的二次對(duì)位精度要求較高。

印刷磷源單步擴(kuò)散法

燒結(jié) SP前背電極、背場(chǎng) 鍍SiNx膜

此工藝路線的要點(diǎn)是：絲網(wǎng)印刷磷源，通過(guò)高溫加熱進(jìn)行擴(kuò)散，在與柵線接觸位置形成重?fù)剑谄渌恢眯纬奢p摻。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，不需要增加額外的設(shè)備；但一個(gè)難點(diǎn)是如何調(diào)整擴(kuò)散工藝，使得在重?fù)皆锤街诠杵蠑U(kuò)散時(shí)，保證其周邊區(qū)域的擴(kuò)散均勻性，目前似乎還找不到一個(gè)很好的解決方案；

另外，絲網(wǎng)印刷磷源，需保證不能引入金屬離子，給擴(kuò)散帶來(lái)污染；最后，絲網(wǎng)印刷二次對(duì)位精度也要求較高。

原標(biāo)題:選擇性發(fā)射極SE的六種實(shí)現(xiàn)方式