鈍化接觸技術(shù)的研究進展

　　近年來，先后有多家研究機構(gòu)對鈍化接觸太陽能電池展開研究。雖然松下已經(jīng)展示了采用非晶硅薄膜作為鈍化層的HIT電池，最新破紀錄的效率達到25.6%，不過非晶硅薄膜由于其對表面準備要求較高，無法承受較高溫度后續(xù)工藝，人們開始將視野投向其他有鈍化效果的薄膜材料。幾家研究機構(gòu)目前的研究熱點集中在氧化硅薄層和高摻雜硅薄層的疊層結(jié)構(gòu)。

　　德國弗勞恩霍夫太陽能研究所（Fraunhofer ISE）

　　FraunhoferISE已在鈍化接觸電池方向耕耘多年。在2013年推出了自己的隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術(shù)。使用一層超薄的氧化層與摻雜的薄膜硅鈍化電池的背面。其中背面氧化層厚度1.4nm，采用濕法化學(xué)生長。隨后在氧化層之上，沉積20nm摻磷的非晶硅，之后經(jīng)過退火重結(jié)晶并加強鈍化效果。經(jīng)過上述步驟，雙面鈍化的200μm厚度的n型FZ硅片的隱開路電壓（iVoc）可以達到710mV以上，即使后續(xù)工藝溫度超過 400°C，iVoc仍可保持在700mV以上。其中氧化硅減少了表面態(tài)保持了較低的隧穿電阻，摻雜多晶硅提供了場致鈍化并對載流子選擇性透過。需要指出的是，早MIS電池的研究中，研究人員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當氧化層厚度超過2nm后，其隧穿效應(yīng)就開始顯著下降，影響填充因子。

　　具體到電池工藝方面，F(xiàn)raunhoferISE采用n型FZ硅片，正面采用普通金字塔制絨，硼擴散，ALD氧化鋁加PECVD氮化硅鈍疊層起到鈍化和減反射效果。背面采用上述TOPCon技術(shù)，正反金屬化采用蒸鍍Ti/Pd/Ag疊層實現(xiàn)，電池開路電壓達到690.4mV，填充因子也達到81.9%。為了進一步提高效率，其進一步優(yōu)化正面電極設(shè)計，降低金屬接觸面積，背面換用單層1μm的銀提高背面內(nèi)部反射，開路電壓達到700mV，填充因子82%，效率達到 23.7%。而在今年3月份的SiliconPV會議上，其公布的采用TOPCon技術(shù)的最新效率為24.9%。而相比PERL結(jié)構(gòu)電池，TOPCon技術(shù)無需背面的開孔及對準。

　　圖4，背面采用TOPCon技術(shù)的背面鈍化接觸電池結(jié)構(gòu)

　　在上述設(shè)計中，F(xiàn)raunhoferISE只是將TOPCon技術(shù)用于正面。2014年，該研究機構(gòu)公布了正反兩面鈍化接觸的設(shè)計，實現(xiàn)了我們上文介紹的選擇性接觸電池結(jié)構(gòu)。采用p型FZ硅片，250μm厚度，無需擴散，正反兩面直接化學(xué)生長1.4nm氧化層，分別沉積15nm摻磷和摻硼的非晶硅，之后退火。正面采用濺鍍ITO，蒸鍍Ti/Pd/Ag疊層?xùn)啪€，背面蒸銀作為背面電極。該電池設(shè)計開路電壓達到692.4mV，填充因子達到79.4%。由于退火溫度的不同，這里沉積的非晶硅并未結(jié)晶為多晶硅，而是達到了類似薄膜硅電池中的微晶硅形態(tài)。但由于正面并未制絨，以及類似HIT電池中的正面ITO和微晶硅層的吸收，其短路電流只有31.6mA/cm2，效率17.3%。不過研究人員還特別對比了正面多晶硅和微晶硅的吸收，同厚度的微晶硅的吸收比非晶硅小最多兩倍。因此研究人員認為通過后續(xù)優(yōu)化，這一結(jié)構(gòu)有望成為可以與HIT競爭的另一種選擇性接觸電池的設(shè)計。

　　圖5，雙面采用鈍化接觸技術(shù)的選擇性接觸電池結(jié)構(gòu)

　　美國國家可再生能源實驗室（NREL）

　　NREL同樣采用了氧化硅和多晶硅薄膜，其首先在n型硅片正面擴散p型發(fā)射極，之后使用KOH平整背面，接下來采用700C熱生長或者硝酸化學(xué)方法制作約1.5nm厚度的二氧化硅層。之后在之上PECVD沉積幾十納米厚的高摻雜非晶硅（a-Si：H）。通過約850C的退火處理，非晶硅薄層結(jié)晶為多晶硅，之后再經(jīng)過450°C氮氫混合氣氛退火（FGA），加強表面鈍化。最后背面整面金屬化。

　　NREL稱SiO2和多晶硅層對鈍化接觸的性質(zhì)都有影響。通過850°C的非晶硅重結(jié)晶過程后，化學(xué)和熱生長得到的氧化層可以得到相似的鈍化效果，隱開路電壓（ImpliedVoc）可以達到 700mV以上，暗飽和電流（DarkSaturationCurrent）低于10fA/cm2，接觸電阻約為20-cm2。不過NREL認為高摻雜多晶硅/氧化硅/硅接觸的良好品質(zhì)的機理尚未完全弄清，良好的表面鈍化可能來自氧化硅的化學(xué)鈍化效果以及高摻雜多晶硅的場致鈍化效果，良好的導(dǎo)電率則來自缺陷輔助隧穿機制以及氧化層上的微孔。

　　此外，澳大利亞國立大學(xué)（ANU），美國加州大學(xué)（UC），瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）等研究機構(gòu)也都在這一領(lǐng)域進行研究，探索不同的鈍化材料和結(jié)構(gòu)。

　　綜上，背面鈍化接觸太陽能電池的優(yōu)點包括（1）優(yōu)良的背面鈍化效果，徹底根除了背面金屬與硅的直接接觸，提高開路電壓，而這被認為是目前太陽能電池主要的復(fù)合損失，而這是傳統(tǒng)鋁背場和PERC結(jié)構(gòu)都無法避免的；（2）無需復(fù)雜的鈍化層開口工藝。如果將鈍化接觸技術(shù)用于正面還可以省去擴散摻雜工藝，防止擴散影響高品質(zhì)硅片的載流子壽命，但也會面臨與HIT電池類似的正面寄生吸收問題，因此尋找吸光更少的鈍化薄膜材料也是當前研究的熱點之一。

　　展望

　　還記得選擇性發(fā)射極剛剛興起的時候，這一技術(shù)解決了銀漿需要低方阻區(qū)域形成歐姆接觸，而方阻太低復(fù)合過高之間的矛盾。雖然需要額外的工藝進行不同區(qū)域的擴散，后續(xù)工藝也需要額外對準，但仍被給予厚望，并被嘗試采用?？呻S著漿料的改進，正面銀漿可以與方阻越來越高的硅形成良好的接觸，均一發(fā)射極擴散濃度整體降低，不但解決了選擇性發(fā)射極針對的問題，還避免了復(fù)雜的工藝，因此迅速得到推廣和采用，選擇性發(fā)射極技術(shù)如今也不像昔日那般受人追捧。

　　背面是否會經(jīng)歷類似的道路呢，PERC和PERL結(jié)構(gòu)雖然部分解決了背面鈍化的問題，但如何形成局部接觸仍然給傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷產(chǎn)線帶來不小的調(diào)整。反觀鈍化接觸技術(shù)，雖然無需開孔使電池背面的結(jié)構(gòu)更加價單，但傳統(tǒng)晶硅電池制造商缺乏鈍化接觸技術(shù)所需要的薄膜沉積及結(jié)晶的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，簡單的結(jié)構(gòu)并不一定意味著簡單的生產(chǎn)。背面鈍化接觸技術(shù)能否后來居上，而選擇性接觸電池家族由于雙面鈍化接觸電池的加入也更加讓人期待，這一技術(shù)有能力跟HIT一爭高下嗎，讓我們一起拭目以待。

　　特別需要指出的是，在市場需求和成本結(jié)構(gòu)變換的多重影響下，即使是FirstSolar這樣的薄膜大廠近年來也通過收購 Tetrasun布局晶硅電池和組件。國內(nèi)的薄膜光伏制造商是否有類似的打算呢？憑借在非晶硅薄膜沉積和結(jié)晶方面人才、技術(shù)和設(shè)備的積累，鈍化接觸技術(shù)或者其他選擇性接觸技術(shù)也許是國內(nèi)薄膜光伏制造商切入晶硅領(lǐng)域的不錯的技術(shù)切入點。