詳解鈍化接觸太陽能光伏電池

晶硅太陽能電池的表面鈍化一直是設(shè)計和優(yōu)化的重中之重。從早期的僅有背電場鈍化，到正面氮化硅鈍化，再到背面引入諸如氧化硅、氧化鋁、氮化硅等介質(zhì)層的鈍化局部開孔接觸的PERC/PERL設(shè)計。雖然這一結(jié)構(gòu)暫時緩解了背面鈍化的問題，但并未根除，開孔處的高復(fù)合速率依然存在，而且使工藝進(jìn)一步復(fù)雜。近幾年來，一種既能實現(xiàn)背面整面鈍化，且無需開孔接觸的技術(shù)成為機(jī)構(gòu)研究的熱點，這就是鈍化接觸（PassivatedContact）技術(shù)。當(dāng)電池兩面均采用鈍化接觸時，還可能實現(xiàn)無需擴(kuò)散PN結(jié)的選擇性接觸（SelectiveContact）電池結(jié)構(gòu)。本文將詳細(xì)介紹鈍化接觸技術(shù)的背景，特點及研究現(xiàn)狀，并討論如何使用這一技術(shù)實現(xiàn)選擇性接觸電池。

　　表面鈍化的演進(jìn)鈍化的“史前時代”

　　在90年代之前晶硅電池商業(yè)化生產(chǎn)的早期，太陽能電池制造商已經(jīng)開始采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，但與我們?nèi)缃袷褂玫挠钟兴煌?。主要的區(qū)別在于兩點首先當(dāng)時的正面網(wǎng)印銀漿沒有燒穿（Fire-through）這一功能，因此在當(dāng)時的生產(chǎn)線上，需要先進(jìn)行網(wǎng)印，而后沉積當(dāng)時的TiO2減反射層。另一個區(qū)別在于當(dāng)時的銀漿與硅形成有效歐姆接觸的能力較差，只有與高摻雜的硅才可以接觸良好。由于TiO2沒有很好的鈍化功能，人們在當(dāng)時并沒有過多的考慮鈍化。而且由于減反射層在金屬電極之上，因此沉積的時候需要用模版遮擋主柵，以便后續(xù)的串焊。

　　雖然這一時期，在實驗室中，科研人員已經(jīng)采用SiO2鈍化電池表面，并取得不俗的開路電壓和效率。

　　SiNxH第一次進(jìn)化

　　90年代，科研機(jī)構(gòu)和制造商開始探索使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)制備含氫的氮化硅（SiNxH）薄膜用作電池正面的減反射膜。其中原因之一在于相對合適的折射率，但更重要的原因則在于氮化硅優(yōu)良的的鈍化效果。氮化硅除了可以飽和表面懸掛鍵，降低界面態(tài)外，還通過自身的正電荷，減少正面n型硅中的少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率。SiNx中攜帶的氫可以在燒結(jié)的過程中擴(kuò)散到硅片中，對發(fā)射極和硅片的內(nèi)部晶體缺陷進(jìn)行鈍化，這對品質(zhì)較低的多晶硅片尤其有效，大幅提高了當(dāng)時太陽能電池的效率。

　　伴隨著鈍化材料上的創(chuàng)新，銀漿材料與燒結(jié)工藝上的變革也同時到來，那就是可以燒穿的漿料和共燒（Co-firing）燒結(jié)工藝。有了燒穿特性后，可以先進(jìn)行減反射膜的沉積，后網(wǎng)印漿料，然后燒結(jié)。由于順序的顛倒，不用再擔(dān)心金屬柵線上覆蓋的減反射層影響焊接，也省去了沉積TiO2需要的部分遮擋。同時人們發(fā)明了將正反面漿料一次燒結(jié)的共燒工藝，在一次燒結(jié)中，正面的銀漿穿過SiNx與硅形成接觸，而背面的鋁漿也同步形成背面電極和背電場（backsurfacefield）。這一系列改進(jìn)大大簡化了絲網(wǎng)印刷電池的工藝，并逐漸成為了晶硅電池生產(chǎn)的主流。

太陽能電池表面鈍化結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

　　AlOx第二次進(jìn)化

　　隨著電池正面的鈍化效果和接觸性能由于SiNx的使用和銀漿改進(jìn)在不斷提高，進(jìn)一步優(yōu)化正面已經(jīng)進(jìn)入瓶頸階段，人們把視線投向了另一個復(fù)合嚴(yán)重的區(qū)域，那就是電池的背表面。雖然在傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的晶硅電池中，鋁背場可以減少少子濃度，減少復(fù)合，但仍然無法與使用介質(zhì)層帶來的鈍化效果相比較。其實背面的介質(zhì)層鈍化也非新鮮話題，UNSW早在90年代就提出了發(fā)射極和背面鈍化（PERC）結(jié)構(gòu)以及發(fā)射極和背面鈍化局部擴(kuò)散（PERL）結(jié)構(gòu)，在早期設(shè)計中，這兩種結(jié)構(gòu)都在背面采用氧化硅層鈍化，局部開孔實現(xiàn)點接觸以減少非鈍化區(qū)域的面積。兩者的區(qū)別在于是否在開口區(qū)域進(jìn)行局部摻雜擴(kuò)散，局部擴(kuò)散增加工藝難度，但會形成局部背電場，減少接觸部分的復(fù)合速率。但高品質(zhì)氧化硅的生長需要較高的溫度，對于已經(jīng)經(jīng)過高溫擴(kuò)散的硅片來說，為減少對體少子壽命的影響，應(yīng)盡量減少長時間的高溫工藝，因此對其他材料的搜索在2000年左右提上議事日程。

　　既然SiNx已經(jīng)在電池正面證明有諸多好處，那能否在背面繼續(xù)使用這一材料呢。答案是否定的，上面已經(jīng)提到，SiNx鈍化的機(jī)制之一在于利用其正電荷減少正面n型區(qū)的少子濃度，可是到了p型的背面，其正電荷將有可能在背面誘導(dǎo)形成一層n型反轉(zhuǎn)層（inversionlayer），這會造成背面的旁路損失，影響電流，降低電壓和填充因子。

　　那么問題來了，鈍化背面究竟哪家強(qiáng)呢？在歐洲幾家研究機(jī)構(gòu)的努力下，一種對光伏研究人員并不陌生的材料的又一次走到臺前，那就是氧化鋁（AlOx）。其不但像SiNx一樣可以鈍化表面缺陷，還擁有與SiNx相反的負(fù)電荷，正是因為這一點，在p型硅背面使用AlOx鈍化層，不但不會形成反轉(zhuǎn)層造成漏電，反而會增加p型硅中多子濃度，降低少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率。不過AlOx的使用也需要伴隨這工藝的改進(jìn)和設(shè)備的進(jìn)步，例如解決高速沉積AlOx的問題，氧化鋁本身的不穩(wěn)定性以及良品率較低等問題。

選擇性接觸電池能帶圖

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