【正文】 、進(jìn)一步的改進(jìn)方向 通過(guò)引進(jìn)新的方法可以進(jìn)。FF為 76%一 78%。在電極的共燒過(guò)程中 .背面鋁漿和硅的合晶過(guò)程也有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)多晶硅片的吸雜作用，提高了少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而提高了多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。這是因?yàn)橛?PECVD淀積的 SiN薄膜含有大量的原子氫 〔 15%)。η 為 15 .5%一 %。 用改進(jìn)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)的典型參數(shù)為 Voc為 6 15一 625mV， Jsc為 34一 36mA/cm2。通過(guò)對(duì)燒結(jié)爐的多個(gè)溫度區(qū)域的溫度設(shè)置、氣體種類和氣流的設(shè)置，以及承載電池片的金屬傳送帶帶速的設(shè)置和控制，以達(dá)到最佳的燒結(jié)效果。較高的薄層電阻提高了氮化硅(SiN)的表面鈍化效果，從而提高了電池對(duì)短波的響應(yīng)，繼而提高短路電流。同時(shí)也有效地鈍化了電池的表面，降低了電池表面復(fù)合。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 自從 21世紀(jì)初以來(lái)，基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的晶體硅太陽(yáng)電池的大規(guī)模制造技術(shù)和裝備得到明顯的改進(jìn)。由于這種限制因素，用表面氧化層鈍化來(lái)提高電池性能將沒(méi)有多大效果，使用質(zhì)量較好的硅片、如懸浮區(qū)熔硅，也不會(huì)顯著提高電池性能。因?yàn)楸砻妗八缹印钡挠绊懀绲湫褪褂玫?40Ω/口的薄層電阻 .會(huì)顯著降低電池的藍(lán)光響應(yīng)。隨著電池片面積的增大，同樣主柵線的條數(shù)也需要增加， 為獲得比較合理的接觸電阻。雖然增加主柵線導(dǎo)致遮光面積的增加。m寬的金屬柵線， 2~3m m的柵線間距。而大面積電池片的填充因子一般為 70%75%。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 、典型的電池性能 一般通過(guò)絲網(wǎng)印刷方法制造出來(lái)的電池，其開路電壓為 580620mv。此外，銀鋁漿的接觸或是純鋁漿可以通過(guò)形成合金來(lái)提高面上的摻雜程度。不過(guò)，這個(gè)方法同樣會(huì)導(dǎo)致電池片在潮濕環(huán)境中可靠性的降低。玻璃料(作為漿料中的一種添加劑 )燒結(jié)前期首先在硅片表面和漿料之間形成一層氧化層，這樣就導(dǎo)致了高的接觸電阻，雖然很多時(shí)候?yàn)榱私档瓦@種電阻，在接觸 n型表面的漿料中添加磷源。盡管取得了很多好的研究結(jié)果，但是在商業(yè)化生產(chǎn) t還是存在很多問(wèn)題。 文獻(xiàn)表明有過(guò)一些基于絲網(wǎng)印刷漿料的研究，但是除了銀漿，其他如鎳和銅的漿料都沒(méi)有成功。 絲網(wǎng)印刷方法最大的缺點(diǎn)就在于印刷過(guò)程中消耗的大量金屬漿料的成本問(wèn)題以及最后生產(chǎn)出的電池片效率相對(duì)較低。 正常使用的電阻率為 Ω .cm的硼摻雜太陽(yáng)能級(jí) CZ硅片，最后生產(chǎn)出來(lái)的電池效率一般為 12%一 14%。供干并燒結(jié)形成背面金屬接觸 。烘干并燒結(jié)使正面形成合金 。去除表面磷硅玻璃 。表層擴(kuò)散至方塊電阻 40Ω/□ 。傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)方式包括：通過(guò)腐蝕去除表面損傷層 。本節(jié)對(duì)這些產(chǎn)業(yè)化電池技術(shù)進(jìn)行描述。正是在這樣大的市場(chǎng)推動(dòng)下，晶體硅電他的大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)和裝備得到了迅速的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大。因此，自 2022年以來(lái)，以德國(guó)、西班牙為代表的歐洲市場(chǎng)成為全球的最大市場(chǎng)，美國(guó)、韓國(guó)和澳大利亞也相繼推出了稅務(wù)優(yōu)惠政策及仁網(wǎng)電價(jià)政策，以鼓勵(lì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的推廣和應(yīng)用。德國(guó)相繼出臺(tái)了“一萬(wàn)屋頂計(jì)劃’，、“十萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，到 2022年 .德國(guó)政府推出了可再生能源法 〔 EEG)，并制定了二十年內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電上網(wǎng)的電價(jià)政策，為太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 第三節(jié) 高效電池的產(chǎn)業(yè)化 、引言 自從 20世紀(jì) 90年代初期，以日本和德國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家首先制定了推廣太陽(yáng)能電池應(yīng)用的一系列商業(yè)補(bǔ)貼政策之后，有效地推動(dòng)了晶體硅電池的商業(yè)化生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步。 本節(jié)概括了晶體硅太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展。一種是基于金屬一絕緣體一半導(dǎo)體接觸的隧道效應(yīng)。這和前面講述到的“背面場(chǎng)效應(yīng)”起到同樣的作用。第二種是在金屬接觸區(qū)域進(jìn)行重?fù)诫s，這樣可以有效抑制這些接觸區(qū)域的少數(shù)載流子的濃度。m ，電極孔與孔之間距離一般為 250181。在背面金屬電接觸面積僅為 10181。一是盡可能地降低電極接觸面積，例如，對(duì)于PERL電池正面金屬電極與表面氧化層接觸寬度僅為 3181。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 3)、電極處內(nèi)的復(fù)合 在電池表面和電極金屬接觸的區(qū)域存在很高的復(fù)合。對(duì)于非接觸區(qū)域的 p型硅表面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量確認(rèn)了表面復(fù)速率隨注人濃度增加而逐漸降低。隨著電壓從短路狀態(tài)逐漸上升到開路狀態(tài)，這些區(qū)域的有效復(fù)合速率從104cm/s的數(shù)量級(jí)降低到低于 30cm/s。從而使得在低電壓的情況下，這一效應(yīng)比“平帶”預(yù)測(cè)的更為明顯。 這種效應(yīng)由 Eades等進(jìn)行了分析，他們假設(shè)電池表面是“平帶” (0勢(shì)場(chǎng) ) 的條件。當(dāng)電池的電壓形成之后，低的空穴俘獲截面又將逐漸變成限速過(guò)程。而當(dāng)電池電壓輸出增加時(shí)電子濃度會(huì)隨之增加。此處空穴的濃度較大，電子的濃度很小。在 n型表面，表面的空穴濃度很低，因此對(duì)空穴的俘獲概率成為限速過(guò)程，決定了表面的復(fù)合速率，如圖 3. 12（ a）所示，由于低的空穴濃度和小的空穴俘獲截面等綜合因素的影響，復(fù)合的速率將會(huì)很小，空穴俘獲是限速過(guò)程。整個(gè)表面復(fù)合速率由箭頭的最弱權(quán)重的關(guān)聯(lián)性決定。該圖說(shuō)明，表面復(fù)合因界面態(tài)對(duì)電子和空穴的俘獲截面的不同而呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。界面態(tài)對(duì)電子和空穴俘獲截面如此明顯的非對(duì)稱性，意味著界面態(tài)的復(fù)合狀態(tài)可能由于靜電效應(yīng)呈現(xiàn)出對(duì)電子有吸引力而對(duì)空穴不具有吸引力，就像未被占據(jù)的帶正電的缺陷態(tài)，顯示出“類施主”的特征。 目前大多認(rèn)為，對(duì)高質(zhì)量的氧化層，界面態(tài)對(duì)電子的俘獲截面要比對(duì)空穴的俘獲截面大。一般微電子領(lǐng)域還有對(duì)氧化層其他性能方面的要求，如氧化物的高擊穿強(qiáng)度等，對(duì)于光伏領(lǐng)域來(lái)說(shuō)不是那么重要。生長(zhǎng)低界面態(tài)密度的氧化層的條件可參考微電子領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)。上述陷光結(jié)構(gòu)與最優(yōu)化厚度的有效結(jié)合有可能獲得最低復(fù)合速率。顯然體區(qū)域越薄，體復(fù)合越小。復(fù)合速率由摻雜濃度和載流子壽命所決定。一般而言，襯底摻雜濃度越低，少子壽命越高。盡可能選擇高質(zhì)量的材料以降低體內(nèi)的復(fù)合。電池的開路電壓比短路電流更能表明電池內(nèi)部的復(fù)合情況。在電池內(nèi)光照產(chǎn)生的非平衡載流子的增加及其被內(nèi)電勢(shì)的抽取，都將使得 pn結(jié)耗盡層內(nèi)部電勢(shì)的變化，隨即亦會(huì)加快內(nèi)部的復(fù)合。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 、電特征 1)、體復(fù)合 如前介紹所知，要獲得高效的電池，電池的復(fù)合電流一定要盡可能小，光生載流子在被收集之前的復(fù)合是一種浪費(fèi)。同樣在效率方面會(huì)損失 1%~2%，因?yàn)閷?shí)際的陷光結(jié)構(gòu)同理想狀態(tài)相比還是有一定差距，同時(shí)也不是 100%光都能從背面反射回來(lái)。此外，可以通過(guò)光學(xué)手段讓入射光遠(yuǎn)離這些柵線或確保那些從柵線反射后的光又能完全進(jìn)人電池體內(nèi)。 其他的光學(xué)損失是由于電池頂端金屬柵線的反射或吸收所致。 PERL電池在波長(zhǎng) (A/W)比先前的硅太陽(yáng)電池測(cè)得的?？稍黾游展庠陔姵乩飩鞑サ拈L(zhǎng)度。在經(jīng)過(guò)第一次雙回路之后所逃逸的光的量可通過(guò)精確的幾何計(jì)算得出，也可以通過(guò)打破一些幾何平衡來(lái)降低光逃逸的數(shù)量，如使用傾斜倒金字塔。光在碰到金字塔的其他面時(shí)的反射全部為內(nèi)反射。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 電池體內(nèi)的人射光從背面被再一次反射回上表面。 光進(jìn)人電池后，在朝著電池背面行進(jìn)的過(guò)程中大部分能被吸收，殘存的未被吸收的長(zhǎng)波段的人射光在達(dá)到背面時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，這是由于背面氧化層上蒸鍍了一層鋁之后，能形成一個(gè)有效的反射系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的反射效果取決于光的人射角度和氧化膜的厚度。金字塔覆蓋著一層厚度適宜的 (1/4波長(zhǎng) )氧化層作為減反膜，在將來(lái)更多的設(shè)計(jì)中。部分的反射光又能再次向下反射 .確保其至少有兩次機(jī)會(huì)進(jìn)人電池中。如圖 PERL電池，該設(shè)計(jì)融合了許多重要的光學(xué)特征以便達(dá)到滿意的效果，其中上表面的倒金字塔結(jié)構(gòu)起了很重要的作用。至今仍有許多有助于改善遮光問(wèn)題的建議不斷提出，如讓斜光從金屬上表面反射到電池的有效區(qū)域的設(shè)計(jì)思路等。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提高電池的參數(shù)，可望在無(wú)需過(guò)多改變電池結(jié)構(gòu)的前提下，獲得超過(guò) 25%的轉(zhuǎn)換效率。在 20世紀(jì) 90年代后期，PERL電池創(chuàng)下了高達(dá) 24i%的世界紀(jì)錄，并持續(xù)保持了該紀(jì)錄長(zhǎng)達(dá)十年之久。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 轉(zhuǎn)換效率 24%的 PERL電池輸出特性如圖 。主要的改善包括 : 在更薄的氧化物鈍化層上使用雙層減反膜以提高短路電流密度 。6%。背電極電池曾用作日本本田“夢(mèng)之隊(duì)” (Honda Dream)車隊(duì)所需的效率在 20%以上矩陣組件，這輛太陽(yáng)能車贏得 1993年世界太陽(yáng)能挑戰(zhàn)杯桂冠，這項(xiàng)比賽要求太陽(yáng)能車跑完從澳大利亞的達(dá)爾文到阿德萊德之間 3000krn的路程。新南威爾士大學(xué)也制作了超過(guò) 1000片電池片，單塊的面積達(dá) 46cm2，比此前擴(kuò)大 ，轉(zhuǎn)換效率均大于 21%，最高可達(dá) 21 .6%。 1993年，sunpower公司制作了 7000片簡(jiǎn) .單條狀電極設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了面積為 18cm2，、轉(zhuǎn)換效率在 20%以上的晶體硅電池的產(chǎn)業(yè)化，最高效率可達(dá)%。不管怎樣， PERI，電池結(jié)構(gòu)是更具活力的設(shè)計(jì)，這降低了對(duì)表面鈍化質(zhì)量和體少子壽命的要求。 20世紀(jì) 80年代末，該結(jié)構(gòu)的硅太陽(yáng)電池效率達(dá)到 23% 。采用這種方法首次突破了 硅太陽(yáng)電池 22%以上的轉(zhuǎn)換效率。目前，美國(guó)SUNPower公司已成功地實(shí)現(xiàn)了這一電池技術(shù)的規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。因?yàn)樗械慕佑|都在電池背面，這種設(shè)計(jì)對(duì)表面鈍化的質(zhì)量以及后續(xù)工藝過(guò)程中能繼續(xù)保持高的少子壽命，提出了嚴(yán)格的要求。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 、雙面鈍化電池 使電池性能取得更重要突破的是上下表面及電極區(qū)鈍化的電池。 PESC已被證明是非常穩(wěn)定和可重復(fù)的電池結(jié)構(gòu)。綜合電壓提高，電阻損失降低導(dǎo)致的 FF的下降，電性能和標(biāo)準(zhǔn) PESC電池相比仍有接近 10%的提高。 和常規(guī) PESC電池相比，“微槽” PESC電池的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在電流輸出上，與采用類似的一藝在拋光的硅襯底制成的電池相比，電流提高大約 5%。此項(xiàng)技術(shù)可以和光刻工藝很好地結(jié)合，同時(shí)與常規(guī)金字塔形制絨相比 .微槽技術(shù)可以更好地和光刻工藝匹配。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 該電池所采用的“微槽”技術(shù)，可獲得比通常金字塔形織構(gòu)化技術(shù)更優(yōu)的效果。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 1985年，將表面制絨和 PESC方法優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，首次在非聚光狀態(tài)下達(dá)到了 20%以上。m，其厚度可比 PESC的要薄。m2 ，其中PESC電池的細(xì)柵寬度為 20181。 對(duì)于 MINP和 PESC電池來(lái)說(shuō)，一種簡(jiǎn)便的電極設(shè)計(jì)是電極由一組間距。兩種電池都采用鍍銀的工藝來(lái)增加金屬電極的道電能力以提高電流性能。在電極區(qū)域生長(zhǎng)的，隨后采用設(shè)計(jì)好的掩模版來(lái)制成電池的頂電極 (或稱上電極 )。 以上兩類電池的工藝過(guò)程包括上表面的淺擴(kuò)散、鈍化熱氧化層的生成和電極區(qū)域的腐蝕。除了 PESC的電極是直接在氧化薄層上的細(xì)槽中制成。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 如圖 PESC(鈍化發(fā)射極電池 )的電池結(jié)構(gòu)，又將電池的轉(zhuǎn)換效率提高了一步。為了盡可能地降低反射損失，雙層減反膜是在頂部氧化薄層上沉積約 1/4波長(zhǎng)厚度的 ZnS和約 1/4波長(zhǎng)厚度的 MgF2組成的。這種電池是在 (100) 晶向的低阻拋光硅襯底上實(shí)現(xiàn)的，通過(guò) Al/Si合金工藝制得背電極，同時(shí)在背電極區(qū)域形成重?fù)诫s區(qū)域。頂電極是通過(guò)多次沉積的 Ti/Pd/Ag多層金屬，采用Ti是其具有較低的功函數(shù)。頂部上電極區(qū)的鈍化是通過(guò)電極下面減薄了的氧化物薄層實(shí)現(xiàn)的，而表面鈍化的氧化層未經(jīng)減薄、比電極區(qū)的稍微厚一些。此處所稱“頂部”是指直接接受太陽(yáng)光照射的表面，以下同。 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 第二章 晶體硅太陽(yáng)能電池 、頂部表面鈍化太陽(yáng)電池 20世紀(jì) 70年代中葉，“紫電池”和“黑體電池”實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換性能的水平，在十多年內(nèi)未曾受到任何挑戰(zhàn)。在多晶硅和半絕緣的多晶硅處的電極鈍化同樣也得到了驗(yàn)證。如圖 MINP電池 (金屬一絕緣體一 nP結(jié) )，一種類似于 MlS結(jié)構(gòu)的接觸模式，首次在太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究中獲得成功。目前絕大多數(shù)的高效電池采用了減小電極區(qū)域的做法。 第二種做法是盡可能地縮小電極區(qū)域來(lái)降低電極的影響。 最早的一種做法是通過(guò)在電極區(qū)形成一個(gè)重?fù)诫s的區(qū)域?qū)⑸贁?shù)載流子和電極風(fēng)域隔離開來(lái)而達(dá)到鈍化的效果。如果電極處的電子運(yùn)動(dòng)完全暢通，則可以實(shí)現(xiàn)電池最優(yōu)的電性能。 所有后來(lái)的高效硅太陽(yáng)電池都采用熱氧化生長(zhǎng)的氧化硅作為表面鈍化層，從而取得了開路電壓和短波響應(yīng)方面增益的最大化。如果沒(méi)有氧化層的鈍化作用，電池在地面標(biāo)準(zhǔn)條件下的效率為 15%16%，而如果有在 800℃ 下干氧生長(zhǎng) 5nm厚的鈍化層，短路電流密度和開路電壓都有顯著提高，電池的效率達(dá)到 16 . 8% 。而電池的正面則采用硼的淺擴(kuò)散工藝得到薄層電阻為 200Ω/口的淺結(jié) (約 181。cm的 n型襯底口通過(guò)磷的重?cái)U(kuò)散得到了背面的 n+區(qū)域。這些電池都具備 p+n—n+ 結(jié)構(gòu)，選用 300181。類似結(jié)構(gòu)的電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。這種結(jié)構(gòu)電池的主要優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)在其開路電壓上，這也是第一次在硅太陽(yáng)電池上得到了 650mv的開路電壓的電池結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@樣生成的氧化層非常薄 (2nm)，所以在電極和襯底直接可以形成隧道效應(yīng)。其中之一源于將金屬 ~絕緣體 ~半導(dǎo)體 (MIS)隧道二極管應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換方面的研究成果。為此，以熱氧化對(duì)電