沒有擴(kuò)散PN結(jié)的太陽能電池

　　其實(shí)這并非一個(gè)新鮮的問題，雖然鈍化接觸電池這一說法近兩年才出現(xiàn)，但其所描述的結(jié)構(gòu)確實(shí)不折不扣的早已為科學(xué)家們所研究。這種通過外加材料和結(jié)構(gòu)彎曲能帶，而非電池吸收層本身摻雜，來實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子選擇性通過的表面接觸設(shè)計(jì)，我們稱為選擇性接觸（Selective Contact）電池，而這一設(shè)計(jì)與我們傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的通過擴(kuò)散得到PN結(jié)的電池有根本的不同。

　　雖然我們現(xiàn)在常見的電池有高溫?cái)U(kuò)散得到的PN結(jié)，而PN結(jié)的內(nèi)建電場被認(rèn)為是分離光生載流子并讓太陽能電池發(fā)電的動(dòng)力。而其實(shí)太陽能電池并不一定必須要有明確的PN結(jié)。上世紀(jì)70年代，Martin Green教授就提出了無需擴(kuò)散PN結(jié)的金屬-絕緣層-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)太陽能電池。1985年，Eli Yablonovitch教授就提出理想的太陽能電池應(yīng)該是“采用兩個(gè)異質(zhì)結(jié)來設(shè)計(jì)”，即將吸收材料置于兩個(gè)寬帶隙材料之間。而SunPower的創(chuàng)始人之一Richard Swanson博士也在10年前預(yù)測接近理論效率的晶硅太陽能電池應(yīng)“在硅和金屬之間，放置一層寬帶隙材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)”。這些結(jié)構(gòu)都指向選擇性接觸電池。

　　假設(shè)圖二中間是吸收材料，左右兩側(cè)分別是空穴電極和電子電極，而電極與吸收材料之間則是選擇性傳輸層，左側(cè)為空穴傳輸層，右側(cè)為電子傳輸層。由于選擇性接觸材料自身帶隙、逸出功和費(fèi)米能級(jí)的影響，吸收材料能帶被迫彎曲，這使得只有與選擇性傳輸層對(duì)應(yīng)的載流子才能流向并穿透界面，同時(shí)排斥另一種載流子，進(jìn)而降低了表面載流子濃度，從而帶來了良好的表面鈍化效果。

　　下面，我們用選擇性接觸的理論解釋一下松下異質(zhì)結(jié)（HIT）電池的原理。HIT電池吸收層采用n型單晶硅片，正面首先沉積很薄的本征非晶硅層，作為表面鈍化層，然后沉積硼摻雜的p+型非晶硅層，二者共同構(gòu)成正面空穴傳輸層。沉積后，硅片靠近表面由于能帶彎曲，阻擋了電子向正面的移動(dòng)，電子只能向后表面移動(dòng)。相反的對(duì)空穴來說，雖然本征層對(duì)空穴有一個(gè)小的阻擋 ，但由于本征層很薄，空穴可以隧穿然后通過高摻雜的p+型非晶硅。在背面同樣沉積本征非晶硅薄層和摻磷的n+非晶硅層，同樣由于能帶彎曲，空穴無法輕易傳過背面，而電子可以傳過，所以二者構(gòu)成了電子傳輸層。通過在電池正反兩面沉積選擇性傳輸層，使得光生載流子只能在吸收材料中產(chǎn)生富集然后從電池的一個(gè)表面流出，從而實(shí)現(xiàn)二者的分離。

　　松下異質(zhì)結(jié)HIT電池是一種典型的選擇性接觸結(jié)構(gòu)。另一種典型的選擇性接觸電池為Silevo公司的Triex隧道異質(zhì)結(jié)電池，與HIT電池結(jié)構(gòu)相似但鈍化層采用氧化硅而非本征非晶硅。而與這兩種完全意義上的選擇性電池不同，上文中提到的背面鈍化接觸電池其實(shí)是一種只在背面實(shí)現(xiàn)了選擇性接觸的電池。背面鈍化接觸技術(shù)究竟性能如何，有沒有雙面采用鈍化接觸技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇性接觸電池的設(shè)計(jì)呢？下面讓我們看一下這個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展

　　鈍化接觸技術(shù)的研究進(jìn)展

　　近年來，先后有多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)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(jì)錄的效率達(dá)到25.6%，不過非晶硅薄膜由于其對(duì)表面準(zhǔn)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(jī)構(gòu)目前的研究熱點(diǎn)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）

　　Fraunhofer ISE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(qiáng)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(dá)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(duì)載流子選擇性透過。需要指出的是，早期MIS電池的研究中，研究人員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)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)raunhofer ISE采用n型FZ硅片，正面采用普通金字塔制絨，硼擴(kuò)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(shí)現(xiàn)，電池開路電壓達(dá)到690.4mV，填充因子也達(dá)到81.9%。為了進(jìn)一步提高效率，其進(jìn)一步優(yōu)化正面電極設(shè)計(jì)，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(dá)到700mV，填充因子82%，效率達(dá)到23.7%。而在今年三月份的Silicon PV會(huì)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(duì)準(zhǔn)。

　　在上述設(shè)計(jì)中，F(xiàn)raunhofer ISE只是將TOPCon技術(shù)用于正面。2014年，該研究機(jī)構(gòu)公布了正反兩面鈍化接觸的設(shè)計(jì)，實(shí)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(kuò)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(jì)開路電壓達(dá)到692.4mV，填充因子達(dá)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(dá)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(duì)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(rèn)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(jì)。

　　美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(kuò)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850°C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?dú)浠旌蠚夥胀嘶穑‵GA），加強(qiáng)表面鈍化。最后背面整面金屬化。

　　NREL稱SiO2和多晶硅層對(duì)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（Implied Voc）可以達(dá)到700mV以上，暗飽和電流（Dark Saturation Current）低于10fA/cm2，接觸電阻約為20m-cm2。不過NREL認(rèn)為高摻雜多晶硅/氧化硅/硅接觸的良好品質(zhì)的機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)也都在這一領(lǐng)域進(jìn)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(diǎn)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(rèn)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(kuò)散摻雜工藝，防止擴(kuò)散影響高品質(zhì)硅片的載流子壽命，但也會(huì)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

　　展望

　　還記得選擇性發(fā)射極剛剛興起的時(shí)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(jìn)行不同區(qū)域的擴(kuò)散，后續(xù)工藝也需要額外對(duì)準(zhǔn)，但仍被給予厚望，并被嘗試采用?？呻S著漿料的改進(jìn)，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(kuò)散濃度整體降低，不但解決了選擇性發(fā)射極針對(duì)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(huì)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(jià)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(yàn)，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First Solar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(cuò)的技術(shù)切入點(diǎn)。