你不知道的鈍化接觸太陽能電池

　　晶矽太陽能電池的表面鈍化一直是設計和優化的重中之重。從早期的僅有背電場鈍化，到正面氮化矽鈍化，再到背面引入諸如氧化矽、氧化鋁、氮化矽等介質層的鈍化局部開孔接觸的 PERC/PERL設計。雖然這一結構暫時緩解了背面鈍化的問題，但並未根除，開孔處的高複合速率依然存在，而且使工藝進一步複雜。近幾年來，一種既能實現背面整面鈍化，且無需開孔接觸的技術成為機構研究的熱點，這就是鈍化接觸（Passivated Contact）技術。當電池兩面均採用鈍化接觸時，還可能實現無需擴散PN結的選擇性接觸（Selective Contact）電池結構。本文將詳細介紹鈍化接觸技術的背景，特點及研究現狀，並討論如何使用這一技術實現選擇性接觸電池。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366628.htm

　　表面鈍化的演進

　　

　　圖1，太陽能電池表面鈍化結構的演進

　　鈍化的「史前時代」

　　在90年代之前晶矽電池商業化生產的早期，太陽能電池製造商已經開始採用絲網印刷技術，但與我們如今使用的又有所不同。主要的區別在於兩點：首先當時的正面網印銀漿沒有燒穿（Fire-through）這一功能，因此在當時的生產線上，需要先進行網印，而後沉積當時的TiO2減反射層。另一個區別在於當時的銀漿與矽形成有效歐姆接觸的能力較差，只有與高摻雜的矽才可以接觸良好。由於TiO2沒有很好的鈍化功能，人們在當時並沒有過多的考慮鈍化。而且由於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，以便後續的串焊。

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

　　SiNx：H第一次進化

　　90年代，科研機構和製造商開始探索使用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術製備含氫的氮化矽（SiNx：H）薄膜用作電池正面的減反射膜。其中原因之一在於相對合適的折射率，但更重要的原因則在於氮化矽優良的的鈍化效果。氮化矽除了可以飽和表面懸掛鍵，降低界面態外，還通過自身的正電荷，減少正面n型矽中的少子濃度，從而降低表面複合速率。SiNx中攜帶的氫可以在燒結的過程中擴散到矽片中，對發射極和矽片的內部晶體缺陷進行鈍化，這對品質較低的多晶矽片尤其有效，大幅提高了當時太陽能電池的效率。

　　伴隨著鈍化材料上的創新，銀漿材料與燒結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）燒結工藝。有了燒穿特性後，可以先進行減反射膜的沉積，後網印漿料，然後燒結。由於順序的顛倒，不用再擔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。同時人們發明了將正反麵漿料一次燒結的共燒工藝，在一次燒結中，正面的銀漿穿過SiNx與矽形成接觸，而背面的鋁漿也同步形成背面電極和背電場（back surface field）。這一系列改進大大簡化了絲網印刷電池的工藝，並逐漸成為了晶矽電池生產的主流。

　　AlOx第二次進化

　　隨著電池正面的鈍化效果和接觸性能由於SiNx的使用和銀漿改進在不斷提高，進一步優化正面已經進入瓶頸階段，人們把視線投向了另一個複合嚴重的區域，那就是電池的背表面。雖然在傳統絲網印刷的晶矽電池中，鋁背場可以減少少子濃度，減少複合，但仍然無法與使用介質層帶來的鈍化效果相比較。其實背面的介質層鈍化也非新鮮話題，UNSW早在90年代就提出了發射極和背面鈍化（PERC）結構以及發射極和背面鈍化局部擴散（PERL）結構，在早期設計中，這兩種結構都在背面採用氧化矽層鈍化，局部開孔實現點接觸以減少非鈍化區域的面積。兩者的區別在於是否在開口區域進行局部摻雜擴散，局部擴散增加工藝難度，但會形成局部背電場，減少接觸部分的複合速率。但高品質氧化矽的生長需要較高的溫度，對於已經經過高溫擴散的矽片來說，為減少對體少子壽命的影響，應儘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已經在電池正面證明有諸多好處，那能否在背面繼續使用這一材料呢。答案是否定的，上面已經提到，SiNx鈍化的機制之一在於利用其正電荷減少正面n型區的少子濃度，可是到了p型的背面，其正電荷將有可能在背面誘導形成一層n型反轉層（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。

　　那麼問題來了，鈍化背面究竟哪家強呢？在歐洲幾家研究機構的努力下，一種對光伏研究人員並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相反的負電荷，正是因為這一點，在p型矽背面使用AlOx鈍化層，不但不會形成反轉層造成漏電，反而會增加p型矽中多子濃度，降低少子濃度，從而降低表面複合速率。不過AlOx的使用也需要伴隨這工藝的改進和設備的進步，例如解決高速沉積AlOx的問題，氧化鋁本身的不穩定性以及良品率較低等問題。

　　鈍化接觸，第三次進化？

　　PERC以及PERL結構的電池已經擁有相對完善的表面鈍化結構，不過將背面的接觸範圍限制在開孔區域，除了增加了工藝的複雜度外，開孔的過程採用不同的工藝還會對周圍的矽材料造成不同程度的損傷，這也額外的增加了金屬接觸區域的複合。由於開孔限制了載流子的傳輸路徑，使之偏離垂直於接觸面的最短路徑並擁堵在開口處，增大了填充因子的損失。有沒有一種辦法即能降低表面複合，又無需開孔呢。這就需要提到近幾年呼聲高漲的鈍化接觸（Passivated Contact）技術。

　　假設我們能找到這樣一種材料或結構，其滿足（1）擁有良好的表面鈍化效果；（2）分離準費米能級；（3）可以高效傳輸一種載流子。那麼就可以把這一結構用於電池的表面，形成即滿足鈍化要求，又無需開孔即可傳輸電流的鈍化接觸。

　　德國弗勞恩霍夫太陽能研究所已經開發出一項名為TOPCon（Tunnel Oxide

　　Passivated Contact，隧穿氧化層鈍化接觸）的技術。研究人員首先在電池背面用化學方法製備一層超薄氧化矽，然後再沉積一層摻雜矽薄層，二者共同形成了鈍化接觸結構，這兩層材料為矽片的背面提供了良好的表面鈍化，而由於氧化層很薄，矽薄層有摻雜，多子可以穿透這兩成鈍化層，而少子則被阻擋，如果在其上再沉積金屬，就可以得到無需開孔的鈍化接觸。這一技術的詳細信息我們將在下文中討論。

　　不過這樣的鈍化接觸只能用在電池背面嗎，如果用在正面會怎樣？

　　沒有擴散PN結的太陽能電池

　　其實這並非一個新鮮的問題，雖然鈍化接觸電池這一說法近兩年才出現，但其所描述的結構確實不折不扣的早已為科學家們所研究。這種通過外加材料和結構彎曲能帶，而非電池吸收層本身摻雜，來實現對載流子選擇性通過的表面接觸設計，我們稱為選擇性接觸（SelectiveContact）電池，而這一設計與我們傳統認識中的通過擴散得到PN結的電池有根本的不同。

　　雖然我們現在常見的電池有高溫擴散得到的PN結，而PN結的內建電場被認為是分離光生載流子並讓太陽能電池發電的動力。而其實太陽能電池並不一定必須要有明確的PN結。上世紀70年代，MartinGreen教授就提出了無需擴散 PN結的金屬-絕緣層-半導體（MIS）結構太陽能電池。1985年，EliYablonovitch教授就提出理想的太陽能電池應該是「採用兩個異質結來設計」，即將吸收材料置於兩個寬帶隙材料之間。而SunPower的創始人之一RichardSwanson博士也在10年前預測接近理論效率的晶矽太陽能電池應「在矽和金屬之間，放置一層寬帶隙材料構成異質結」。這些結構都指向選擇性接觸電池。

　　假設圖2中間是吸收材料，左右兩側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，左側為空穴傳輸層，右側為電子傳輸層。由於選擇性接觸材料自身帶隙、逸出功和費米能級的影響，吸收材料能帶被迫彎曲，這使得只有與選擇性傳輸層對應的載流子才能流向並穿透界面，同時排斥另一種載流子，進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。

　　

　　圖2，選擇性接觸電池能帶圖

　　下面，我們用選擇性接觸的理論解釋一下松下異質結（HIT）電池的原理［5］。HIT電池吸收層採用n型單晶矽片，正面首先沉積很薄的本徵非晶矽層，作為表面鈍化層，然後沉積硼摻雜的p+型非晶矽層，二者共同構成正面空穴傳輸層。沉積後，矽片靠近表面由於能帶彎曲，阻擋了電子向正面的移動，電子只能向後表面移動。相反的對空穴來說，雖然本徵層對空穴有一個小的阻擋，但由於本徵層很薄，空穴可以隧穿然後通過高摻雜的p+ 型非晶矽。在背面同樣沉積本徵非晶矽薄層和摻磷的n+非晶矽層，同樣由於能帶彎曲，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生富集然後從電池的一個表面流出，從而實現二者的分離。

　　

　　圖3，HIT異質結電池能帶圖

　　松下異質結HIT電池是一種典型的選擇性接觸結構。另一種典型的選擇性接觸電池為Silevo公司的Triex隧道異質結電池［6］，與HIT電池結構相似但鈍化層採用氧化矽而非本徵非晶矽。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是一種只在背面實現了選擇性接觸的電池。背面鈍化接觸技術究竟性能如何，有沒有雙面採用鈍化接觸技術實現選擇性接觸電池的設計呢？下面讓我們看一下這個領域的最新進展。
鈍化接觸技術的研究進展#e#

　　鈍化接觸技術的研究進展

　　近年來，先後有多家研究機構對鈍化接觸太陽能電池展開研究。雖然松下已經展示了採用非晶矽薄膜作為鈍化層的HIT電池，最新破紀錄的效率達到25.6%，不過非晶矽薄膜由於其對表面準備要求較高，無法承受較高溫度後續工藝，人們開始將視野投向其他有鈍化效果的薄膜材料。幾家研究機構目前的研究熱點集中在氧化矽薄層和高摻雜矽薄層的疊層結構。

　　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。使用一層超薄的氧化層與摻雜的薄膜矽鈍化電池的背面。其中背面氧化層厚度1.4nm，採用溼法化學生長。隨後在氧化層之上，沉積20nm摻磷的非晶矽，之後經過退火重結晶並加強鈍化效果。經過上述步驟，雙面鈍化的200μm厚度的n型FZ矽片的隱開路電壓（iVoc）可以達到710mV以上，即使後續工藝溫度超過 400°C，iVoc仍可保持在700mV以上。其中氧化矽減少了表面態保持了較低的隧穿電阻，摻雜多晶矽提供了場致鈍化並對載流子選擇性透過。需要指出的是，早MIS電池的研究中，研究人員就已經發現當氧化層厚度超過2nm後，其隧穿效應就開始顯著下降，影響填充因子。

　　具體到電池工藝方面，FraunhoferISE採用n型FZ矽片，正面採用普通金字塔制絨，硼擴散，ALD氧化鋁加PECVD氮化矽鈍疊層起到鈍化和減反射效果。背面採用上述TOPCon技術，正反金屬化採用蒸鍍Ti/Pd/Ag疊層實現，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，其進一步優化正面電極設計，降低金屬接觸面積，背面換用單層1μm的銀提高背面內部反射，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，其公布的採用TOPCon技術的最新效率為24.9%。而相比PERL結構電池，TOPCon技術無需背面的開孔及對準。

　　

　　圖4，背面採用TOPCon技術的背面鈍化接觸電池結構

　　在上述設計中，FraunhoferISE只是將TOPCon技術用於正面。2014年，該研究機構公布了正反兩面鈍化接觸的設計，實現了我們上文介紹的選擇性接觸電池結構。採用p型FZ矽片，250μm厚度，無需擴散，正反兩面直接化學生長1.4nm氧化層，分別沉積15nm摻磷和摻硼的非晶矽，之後退火。正面採用濺鍍ITO，蒸鍍Ti/Pd/Ag疊層柵線，背面蒸銀作為背面電極。該電池設計開路電壓達到692.4mV，填充因子達到79.4%。由於退火溫度的不同，這裡沉積的非晶矽並未結晶為多晶矽，而是達到了類似薄膜矽電池中的微晶矽形態。但由於正面並未制絨，以及類似HIT電池中的正面ITO和微晶矽層的吸收，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矽和微晶矽的吸收，同厚度的微晶矽的吸收比非晶矽小最多兩倍。因此研究人員認為通過後續優化，這一結構有望成為可以與HIT競爭的另一種選擇性接觸電池的設計。

　　

　　圖5，雙面採用鈍化接觸技術的選擇性接觸電池結構

　　美國國家可再生能源實驗室（NREL）

　　NREL同樣採用了氧化矽和多晶矽薄膜，其首先在n型矽片正面擴散p型發射極，之後使用KOH平整背面，接下來採用700C熱生長或者硝酸化學方法製作約1.5nm厚度的二氧化矽層。之後在之上PECVD沉積幾十納米厚的高摻雜非晶矽（a-Si：H）。通過約850C的退火處理，非晶矽薄層結晶為多晶矽，之後再經過450°C氮氫混合氣氛退火（FGA），加強表面鈍化。最後背面整面金屬化。

　　NREL稱SiO2和多晶矽層對鈍化接觸的性質都有影響。通過850°C的非晶矽重結晶過程後，化學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）低於10fA/cm2，接觸電阻約為20-cm2。不過NREL認為高摻雜多晶矽/氧化矽/矽接觸的良好品質的機理尚未完全弄清，良好的表面鈍化可能來自氧化矽的化學鈍化效果以及高摻雜多晶矽的場致鈍化效果，良好的導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（ANU），美國加州大學（UC），瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）等研究機構也都在這一領域進行研究，探索不同的鈍化材料和結構。

　　綜上，背面鈍化接觸太陽能電池的優點包括（1）優良的背面鈍化效果，徹底根除了背面金屬與矽的直接接觸，提高開路電壓，而這被認為是目前太陽能電池主要的複合損失，而這是傳統鋁背場和PERC結構都無法避免的；（2）無需複雜的鈍化層開口工藝。如果將鈍化接觸技術用於正面還可以省去擴散摻雜工藝，防止擴散影響高品質矽片的載流子壽命，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

　　還記得選擇性發射極剛剛興起的時候，這一技術解決了銀漿需要低方阻區域形成歐姆接觸，而方阻太低複合過高之間的矛盾。雖然需要額外的工藝進行不同區域的擴散，後續工藝也需要額外對準，但仍被給予厚望，並被嘗試採用。可隨著漿料的改進，正面銀漿可以與方阻越來越高的矽形成良好的接觸，均一發射極擴散濃度整體降低，不但解決了選擇性發射極針對的問題，還避免了複雜的工藝，因此迅速得到推廣和採用，選擇性發射極技術如今也不像昔日那般受人追捧。

　　背面是否會經歷類似的道路呢，PERC和PERL結構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絲網印刷產線帶來不小的調整。反觀鈍化接觸技術，雖然無需開孔使電池背面的結構更加價單，但傳統晶矽電池製造商缺乏鈍化接觸技術所需要的薄膜沉積及結晶的產業經驗，簡單的結構並不一定意味著簡單的生產。背面鈍化接觸技術能否後來居上，而選擇性接觸電池家族由於雙面鈍化接觸電池的加入也更加讓人期待，這一技術有能力跟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構變換的多重影響下，即使是FirstSolar這樣的薄膜大廠近年來也通過收購 Tetrasun布局晶矽電池和組件。國內的薄膜光伏製造商是否有類似的打算呢？憑藉在非晶矽薄膜沉積和結晶方面人才、技術和設備的積累，鈍化接觸技術或者其他選擇性接觸技術也許是國內薄膜光伏製造商切入晶矽領域的不錯的技術切入點。