表面織構(gòu)化是通過制作表面機械結(jié)構(gòu)增加電池對于光的吸收率，比較常見的是金字塔結(jié)構(gòu)、倒金字塔結(jié)構(gòu)和納米微結(jié)構(gòu)等，應用最廣的織構(gòu)化方法是濕法腐蝕[9]。效率較高的織構(gòu)化為倒金字塔結(jié)構(gòu)，入射到這個結(jié)構(gòu)上的大多數(shù)光會在入射的第一個點上進入金字塔的側(cè)壁，大多數(shù)光耦合進入電池，反射的光將朝下反射，至少多出一次機會進入電池，同時，倒金字塔結(jié)構(gòu)對于電池背部反射回的光有抑制其逃逸的作用，因而得到廣泛應用。
　　減反射層是為了改善電池對于入射光的吸收率而制作的薄膜結(jié)構(gòu)。基于光的波動理論，1/4波長厚度的減反射涂層對于對應波長有最大程度的增透作用[10]。對于實驗室電池而言，最常用的減反射技術(shù)是生長一層薄的熱氧化膜和通過蒸發(fā)ZnS和MgF2層生成雙層減反射涂層。但是，現(xiàn)在幾乎所有的光伏公司均采用了等離子增強化學氣相沉積(PECVD)氫化氮化硅作為減反射結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于其優(yōu)秀的折射率、極好的表面和體鈍化性質(zhì)。
　　前表面鈍化是通過鍍薄膜結(jié)構(gòu)減小電池表面復合的工藝，未經(jīng)鈍化的電池表面有大量表面態(tài)，光照激發(fā)的電子-空穴對在表面復合十分嚴重，對電池性能影響較大，前表面鈍化就是通過淀積表面態(tài)較小的薄膜結(jié)構(gòu)覆蓋原表面的過程，一般減反射層就有表面鈍化的作用。鋁背場結(jié)構(gòu)目前應用在大多數(shù)產(chǎn)業(yè)化電池中，通過絲印鋁漿與硅在577℃溫度下鋁與硅形成共熔合金，鋁硅燒融物再生長在電池背面形成P+/P結(jié)得到。鋁背場能夠在電極處形成良好的歐姆接觸，而且有一定的吸雜作用。

　　3.1PERL太陽能電池

　　澳大利亞的新南威爾士大學研制了PERL結(jié)構(gòu)的硅太陽能電池，1999年在4cm2的P型FZ硅實現(xiàn)了25%的轉(zhuǎn)換效率(1999年是24.7%，2009年太陽能光譜參照修正之后達到25%的效率)。PERL電池的特點是極好的單晶質(zhì)量，在晶體硅正反雙面均長了SiO2層，良好的鈍化特性使得電池界面復合損失很低。金屬電極通過10mm×10mm的小孔接觸到電池，而且電極接觸的半導體部分重摻雜，這種結(jié)構(gòu)能夠形成良好的歐姆接觸從而減小串聯(lián)電阻，而且可以抑制接觸處載流子復合，被稱為選擇性點接觸工藝[11]。另一個主要的特點是背面的Al電極層和SiO2層，這種組合對于入射到Si/SiO2界面角度在24.7°下的光線有高界面反射率。電池正面各向異性腐蝕形成的倒金字塔結(jié)構(gòu)能夠有效地減少入射光的反射，而且對于電池背面反射回的光有高的反射率。這樣吸收的光線就能夠很大程度上陷在電池內(nèi)部，提高了電池的量子效率。此外，一層MgF2/ZnS雙層結(jié)構(gòu)覆蓋在氧化層表面，使得表面反射率進一步降低。這些舉措使得PERL電池的內(nèi)量子效率顯著提高，藍光處內(nèi)量子效率甚至達到了100%。PERL電池一直是高效硅基太陽能電池的代表[12-13]，但其復雜的光刻工藝以及對襯底晶格質(zhì)量的高要求使得實現(xiàn)成本較高，因而一直沒有實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

　　3.2IBC太陽能電池
　　1975年，Schwartz和Lammert第一次提出了IBC結(jié)構(gòu)[14-15]，IBC電池的顯著特點在于沒有正面電極，正負電極均位于電池背面，且正負電極呈現(xiàn)叉指狀。當時提出的目的是為了解決由于高照明強度帶來的電壓飽和問題，而伴隨這種結(jié)構(gòu)而來的串聯(lián)電阻的減小、柵線遮光的移除，對于取得高效率的光伏電池很有幫助，使得IBC電池一直被認為是取得高效率電池的一種有效途徑。此外，IBC電池的背面叉指化電極結(jié)構(gòu)有望降低電池片間組裝成本，減少鋁條焊接工藝。自從IBC結(jié)構(gòu)被提出以后，一直是高效率太陽能電池的研究熱點。2011年，ECN實驗室利用絲網(wǎng)印刷硼源發(fā)射極及熱擴散的方式制出了效率為19.1%的IBC電池[16]。2012年，歐洲IMEC實驗室分別利用CVD沉積硼源和BBr3氣態(tài)擴散兩種方式制備IBC，發(fā)現(xiàn)BBr3氣態(tài)擴散下有實驗最高效率，達到了23.3%[16]。2013年，德國的ISFH實驗室研究了IBC電池的背部鈍化，比較了SiO2基極電極處鈍化與全背場Al2O3鈍化的效果，發(fā)現(xiàn)SiO2鈍化有較高的開路電壓，但是填充因子偏小，轉(zhuǎn)化效率大于全背場Al2O3鈍化制作的電池，達到了23.1%[17]。目前最高效率的IBC太陽能電池由美國的Sunpower公司保持。2014年，Sunpower公司成功刷新了IBC電池的記錄，達到了25.0%的電池效率。Sunpower公司的IBC電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用了N型硅片作為襯底，前表面是為了減反射采用的制絨、SiO2鈍化及前表面場優(yōu)化的擴散層，背表面是叉指狀的N+和P+擴散及柵線用于收集電池背部產(chǎn)生的光生載流子。Sunpower一直致力于高效率的太陽能電池，其IBC電池的產(chǎn)業(yè)線效率早就超過了20%[18]，是目前商用高效硅太陽能電池的代表。其取得高效率的關(guān)鍵在于局部背接觸減少了接觸復合損失，正面柵線的移除大大減少了電池效率中的光學損失，背面的金屬化增加了背面反射以及較低的串聯(lián)電阻。2011年，Sunpower等[19]在N+與P+之間采用制絨二氧化硅層做了隔離，并且在背表面做了更優(yōu)的鈍化，使得IBC電池工藝線效率達到了23.6%。2014年，Sunpower[20]繼續(xù)在原有基礎上改進，減小了發(fā)射極的復合和背部光學損失，首次做出了電池效率達到25%的IBC電池，接近了Swanson在2005年提出的實際單結(jié)太陽能電池極限效率——26%。

　　Sunpower公司分析了25%效率的IBC電池后發(fā)現(xiàn)，電池效率的主要損失在于發(fā)射極復合和背部光學損失，同時，常州天合公司分析的IBC電池效率的主要損失同樣在于光學損失和復合損失[21]。因此，IBC電池下一步提升的空間在于背部減反射和更高效的鈍化。對于硅基太陽能電池，HIT電池一直是高效鈍化的代表。
　　3.3HIT電池
　　HIT太陽能電池起源于Hamakawa等[19]設計的a-Si/c-Si堆疊太陽能電池,與單晶、非晶硅太陽能電池相比,其具有低溫工藝,高的穩(wěn)定性等優(yōu)點，HIT太陽能電池的電池效率記錄由日本的松下公司(原本是三洋公司，但是三洋公司被松下公司收購)保持，松下公司2013年在面積101.8cm2，98mm厚的N型Cz硅上制成了24.7%的HIT電池[22]。

　　松下公司的HIT電池結(jié)構(gòu)如圖所示，一層本征非晶硅和P型非晶硅淀積在隨機制絨的N型Cz硅上，形成一個PN異質(zhì)結(jié)，本征非晶硅和N型非晶硅淀積在另外一面形成一個背表面場結(jié)構(gòu)，接著兩面同時鍍上非晶硅、透明導電氧化層和電極，就形成了HIT太陽能電池。HIT電池有很多優(yōu)勢：將本征非晶硅層插入P型(或者N型)非晶硅和晶體硅的工藝能夠形成優(yōu)秀的鈍化；200℃以下的低溫工藝能夠最大程度上保證晶體硅質(zhì)量不衰減；與熱擴散電池相比，HIT電池有更好的溫度系數(shù)和開路電壓。
　　3.4HBC電池
　　HBC結(jié)構(gòu)由日本的夏普公司提出，是背接觸IBC電池與硅基異質(zhì)結(jié)HIT電池的良好結(jié)合。由于沒有正面柵線遮光，電池有高的短路電流；由于有高質(zhì)量的氫化非晶硅鈍化，電池有高的開路電壓。HBC結(jié)構(gòu)結(jié)合兩種電池的優(yōu)點，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率為25.1%的太陽能電池。HBC電池的結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了獲得高的開路電壓，需要盡可能的減少異質(zhì)結(jié)面載流子的復合。公司采用了與HIT電池氫化非晶硅類似的方法實現(xiàn)了a-Si:H的結(jié)晶控制；為了獲得高的短路電流，電極采用了全背面結(jié)構(gòu)的制作。利用HIT電池的優(yōu)點，所有工藝都在200℃下制作完成，因此HBC電池摒棄了背面擴散摻雜的方式分別采用氫化結(jié)晶i/p及i/n非晶硅及光刻腐蝕的技術(shù)，完成了局部高摻雜。

　　夏普公司并不是HBC效率的保持者，目前HBC電池效率最高記錄已由日本松下公司改寫，他們在143.7cm2的N型Cz硅上，實現(xiàn)了電池效率25.6%，也是目前單結(jié)硅基太陽能電池的最新記錄。松下HBC電池的結(jié)構(gòu)如圖6所示，正面制絨，且有SiN鈍化層，背面是非晶硅，下面是叉指狀分布的n型非晶硅和p型非晶硅及相應的電極。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于HIT電池，HBC電池在量子響應度上有明顯的增加，使得電池的短路電流由39.5mA/cm2增長到41.8mA/cm2，有5.8%的提升。但開路電壓有1.3%的減少，應是背部結(jié)構(gòu)復雜性增加導致鈍化效果降低的原因。

　　3.5  4種結(jié)構(gòu)電池的比較
　　PERL電池很早就達到了25%的光電轉(zhuǎn)化效率，但是一直停留在實驗室階段。IBC電池和HIT電池不僅在實驗室有高的轉(zhuǎn)化效率，而且應用在了產(chǎn)業(yè)線上。HBC電池是剛剛提出的概念，能否應用在產(chǎn)業(yè)線上尚屬未知。表2比較了4種類型電池的優(yōu)缺點，并給出了相應的代表研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀。

　　目前，市面上典型結(jié)構(gòu)的太陽能電池主要依賴如電極漿料等材料的改進來實現(xiàn)效率提升，而25%以上高效率的硅電池僅僅依賴材料改進是很難達到的。為此，國內(nèi)的電池公司可以借鑒這些大公司的思路，進行創(chuàng)新突破，在已有的基礎上改進升級。
　　綜上所述，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化25%效率的硅基電池，至少需要在以下幾方面有所改善：1)硅襯底材料的改進，努力提高少子壽命，目前產(chǎn)業(yè)化的晶硅材料主要是P型的，P型硅材料中的光生載流子壽命短。目前實現(xiàn)25%的高效硅電池都是N型材料。所以預期隨著高效率電池的普及，N型材料有望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應用，由于硅片成本和N型晶硅電池的規(guī)模直接相關(guān)，這種成本和規(guī)模的相互促進會很快使得N型襯底的硅電池得到普及；2)背接觸結(jié)構(gòu)的應用，有效減少了電極遮光，提高了電池效率。由于背接觸結(jié)構(gòu)的電池涉及到嚴格的電極隔離工藝，預期選區(qū)激光技術(shù)有可能得到新的應用，如選區(qū)摻雜工藝和選擇性刻蝕技術(shù)，這些激光技術(shù)要求嚴格控制光致缺陷態(tài)，對激光本身和工藝要求都很高，由于激光技術(shù)的規(guī)模應用也能降低成本，因此未來背接觸結(jié)構(gòu)的硅基太陽能電池超短脈沖激光技術(shù)可能得到應用。此外，激光制絨[23]、激光打孔[24]、激光刻蝕邊結(jié)和激光焊接[25]等工藝在太陽能電池上的應用，也預示激光技術(shù)在未來的太陽能電池工藝上有較大的應用；3)硅基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是提升太陽能電池的有效方法，在提高開路電壓方法有著重要意義，HIT電池專利已經(jīng)失效，國內(nèi)一些廠家的HIT效率也在不斷提高。

　　未來硅基異質(zhì)結(jié)可能還會有新的進展，關(guān)鍵的突破可能來源于薄膜材料——非晶硅材料可以用其他材料代替，但關(guān)鍵是要求成本要低，可能用到更低成本的薄膜工藝如印刷工藝，比如通過硅和鈣鈦礦薄膜材料研制新型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，以及相應的HBC新型電池等，創(chuàng)新空間非常大。相信國內(nèi)主要廠家將很快掌握背接觸和異質(zhì)結(jié)的工藝，且隨著N型硅材料成本的下降，國內(nèi)硅基太陽能電池行業(yè)也將進入25%的高效率電池時代。

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鄧慶維 黃永光 朱洪亮

中國科學院半導體研究所半導體材料重點實驗室

來源：激光與光電子學進展

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