高效晶体硅太阳能电池
作者：S.W. Glunz，Fraunhofer Institute of Solar Energy System
如今的晶体硅光伏组件的成本分布主要是材料成本，特别是硅片成本。因此，采用更薄的硅片以及增加电池的转换效率引起了光伏业界的广泛兴趣。
表面钝化
电介质钝化与背表面场
所有转换效率大于20%的电池结构都具有电介质层的钝化表面。然而，目前业界的晶体硅太阳能电池的表面结构多采用的是丝网印刷和热场Al背表面场（Al-BSF）。它有两个主要的限制：由烧结工艺带来的硅片弯曲；更低的电学和光学特性。特别是，Sback、背表面再复合速率是关键的参数，但是在文献中却有着大量的数值。这使得衡量Al-BSF的潜力与电介质钝化变得很困难。
我们对不同的背表面结构并结合高效前表面结构进行了实验。这将有可能准确的确定表面的再复合速率、Sback以及内部反射率Rback。
图1表示了不同背表面结构的内部量子效率，从低质量的欧姆Al接触开始一直到PERL/LBSF背表面。有效的Sback和Rback已经从IQE和反射率测量中去除。
采用这些参数就有可能确定不同背表面结构对太阳能电池性能的影响（图2）。电介质钝化甚至比高质量的发射极和更薄的硅片带来的好处更多。
电介质层的钝化机理
良好的表面钝化有两种不同的机理：交界面状态Dit的降低；场效应钝化，即钝化层中一种载子类型与固定电荷Qf结合时的显著降低。尽管这些机理或两种机理的结合会导致较低的表面再复合速率，Seff(Δn)曲线显示了不同的特性（图3）。热生长的SiO2层更容易获得交界面状态的降低，而对于PECVD沉积的薄膜，如SiNx，场效应钝化和中等程度的Dit降低则更为常见。SiO2的Dit=1010cm2eV-1，Qf=1010cm2。而SiNx的Dit=1011cm2eV-1，Qf=1011cm2。
沉积温度
形成电介质钝化层的一个关键问题是沉积温度。目前为止，最好的电池钝化是热生长的氧化层。热氧化物在过去的几十年里，已经为MOS技术进行了大量的优化。因此，已经可以获得极低的界面状态密度和表面再复合速率。最终，典型的热氧化物温度是1050℃左右。对于高质量的FZ-Si来说，温度范围没有问题，甚至增加了Czochralski法生长的氧化物的少子寿命，但对于铸锭多晶硅却是有害的。对于这样的材料，少子寿命将会以因子为10的速度减少。因此，需要到能够在更低的温度沉积钝化层的方法。热氧化物可以在潮湿的氛围内在850℃左右生长。潮湿的环境显著的增加了氧化速度，可以在合理的时间内获得典型的厚度为105nm的氧化层。这种方法已被应用于多晶硅，并实际测得转换效率20.3%。这些电池的平均效率高于18%，表明低质量的区域经过该种处理并没有情况恶化。另一种有意思的方法是在850℃在干燥氛围内沉积一层薄的氧化层。该较薄的氧化层上必须再沉积一层薄膜。
沉积PECVD SiNx是第二种最佳方案。最佳的沉积温度范围是350°到400℃。实现了低于10cm/s的最佳表面再复合速度。SiNx的另一优势是它和氢结合在一起可以起到多晶硅钝化
层的作用。取代PECVD的最快的方案是溅射，采用该方案可以会的低于30cm/s的最佳表面再复合速度。
如果非晶硅被用作背面钝化层，那么最低的沉积温度范围是200℃到250℃。这种钝化结构已经成功的应用在HIT上，并获得了21%的转换效率。最近的研究结果表明，非晶硅也可以用于具有扩散发射极的标准电池结构上，转换效率可以超过20%。
预处理
另一个技术问题是制造节点值层之前的表面处理。洁净的表面对于氧化工艺非常重要，否则污染物会扩散进入电池。对于沉积的钝化层来说，由于工艺温度较低，这个问题不是非常严重。然而，在先前的刻蚀步骤后会留下一层浅的晶体损伤层，它将显著降低钝化层的质量。这个问题对于氧化表面来说不是非常明显，因为在氧化过程中，上层的硅已被去除。
另一个课题是表面几何形状。与微电子相比，太阳能电池的表面更加粗糙，这是由于刻蚀或是湿法腐蚀制绒工艺带来的各向异性的损伤。
评价粗糙的表面是否会导致较低的光学和电学性能是非常重要的。为此，我们准备了一系列具有不同表面形貌的电池，材料均为FZ-Si（图4）。电池结构是：正面为任意金字塔结构，热氧化物厚度为105nm，120Ω/sq的磷发射极；背面是105nm厚的热氧化物， 2μm铝和LFC接触。
背表面被损伤刻蚀和光滑刻蚀的电池几乎表现出了相同的性能（表2）。但是背表面制绒的电池的效率较低，这是由于制绒表面特性较差而引起的电流的损失。图5是较差的长波长响应。
内部反射
紧接着钝化质量，下一个非常重要的研究室分析背表面钝化层的光学效应。传统的Si/SiO2/Al具有较高的内部反射率，这是由于SiO2较低的反射系数(n=1.46)。正面的金字塔制绒导致了不透明的光学路径和背面的全反射。因此对于太阳能电池背面的内部光学反射，可得到95%到89%的数值。但由于大多数沉积层都具有较好的钝化特性，如富Si的SiNx就具有较高的反射系数，Rback并不会很高。
图6是具有制绒正表面和不同钝化层背表面的太阳能电池的反射率测量结果。如果是具有较高的折射系数(SiNx=2.9, SiCx>3)富Si介质层，Rback仍然比工业标准要好，但是低于厚热SiO2层。由于这些层通常都具有较低的表面再复合速度，所以最好将它们直接沉积在硅表面。为了改善光学特性，需要再沉积一层具有更低反射系数的介质层。事实上，如果在富Si的SiNx上沉积一层PECVD SiO2 (n=1.46)，将会观察到极大的改善。同样的情况也在富Si的SiCx层(n≈2)上沉积富C的SiC上观察到（图6）。15nm厚的薄热氧化层的光学性能也可以通过沉积一层低温PECVD SiO2得以改善。因此，“钝化”和“反射”两大任务可以通过不同的层得以实现。
太阳能电池应用
尽管看似可以通过寿命和光学测量设计完美的层堆叠结构，但最终的决定仍然需要将这些方案应用于电池上。好的表面钝化质量只是必要条件而非充分条件。尽管SiNx层在寿命测试硅片上表现出了最好的表面钝化质量，甚至优于热氧化物，但没有一种能够获得经典热氧化物带来的转换效率。特别是短路电流明显更低。这可能是由于背面接触点的SiNx层中的固定电荷引发的反型层的短路造成的。由于反型层是SiNx表面钝化机理中关键的一部分，当应用于真实电池片上时，寿命测试硅片上SiNx层的质量会明显消失。目前报导的采用SiN背表面钝化的最佳效率是21.5%和20.6%。在第一个案例中，采用了很敏感的等离子刻蚀来打开SiNx层的接触孔，这样反型层就不会分路。在第二个案例中，硼BSF减少了反型层的分路。然而，如果采用激光烧结或机械化切割，那么转换效率将不会超过20%。
这个问题可以通过两种办法解决：(i) 采用SiNx层，它的钝化质量将更取决于界面状态的减少而不是场效应钝化；(ii) 在SiNx层下沉积薄的热氧化层(10-15nm)，这层氧化物可以用RTO在相对较低的温度下(850℃)快速生长。另外，这层薄氧化物也再正面的较轻扩散的发射极部分起到了正面钝化的作用。当采用了这样的堆叠时，转换效率可以达到20.5%。
另一种优良的钝化层是非晶硅。对于HIT电池结构，由于发射极是由非晶硅层组成的，因此很自然的选择非晶硅作为背表面钝化层。这种钝化层也应用在标准电池上，得到的转换效率达到21.7% (Voc=677mV)。
近来有研究表明，PECVD沉积的SiCx层也展现了良好的钝化特性(S<30cm/s)。我们是将SiCx层作为低成本衬底上的硅薄膜的再结晶的扩散阻挡层，这是由于他的良好的热稳定性。PECVD设备可以在沉积前提供原位等离子清洗步骤，这就使优化工艺步骤成为可能。为了优化SiCx的表面钝化质量，采用了1Ωcm p型高寿命FZ硅片。随后沉积SiCx，并未采用任何湿法化学工艺。实现了Δn在1×1014cm3和1×1015cm3之间，表面再复合速率低于5cm/s。成功研究了高钝化的SiCx层后，在具有高效正表面结构和背面钝化的电池上采用了不同组成的堆叠。同样，在PECVD反应腔中进行了沉积和表面处理。采用E-gun蒸发的方法沉积了2μm厚的Al层，并进行了接触部分的激光烧结。尽管在E-gun蒸发后和LFC形成后没有进行退火，还是得到了大于20%的转换效率（表3）。
热稳定性
如果背面钝化介质层必须与标准的正面丝网印刷金属化相结合，一个关键的因素就是在工艺流程中沉积这一层的位置（图7）。在烧结步骤后在背表面沉积一层介质层（图8选择1）要求表面条件足够好，包括背面发射极的刻蚀和重度的清洗，因为在这一步硅片已经经过了几步比较“脏”的工艺步骤。因此，尽管介质层在后面不会再经过任何高温步骤，但是获得较好的表面钝化仍然是一项困难的任务。
另一种方法是，在正面SiN沉积的同时在发射极扩散后沉积背面介质层（图8 选择2）。在背面介质层沉积之前，背面发射极层仍然需要被刻蚀去除，并且介质层必须能够承受高温步骤，也就是随后的烧结步骤。
另一种方法是再发射极扩散之前沉积背表面介质层（选择3）。在此时，硅片已经绝对干净，背面介质层将遮盖住背面的发射极扩散，去除掉背面刻蚀步骤。如果制绒条件很好的得到控制，背面介质层也能够遮盖住背表面制绒部分。这样的工艺步骤看来就完美了，但是钝化层必须能够承受后面两个高温步骤而不失去钝化的能力。
因此，除了较好的电学和光学性能，良好的热稳定性对于钝化层来说也是至关重要的。
传统的具有良好热稳定性的钝化层选择方案是在800℃到1050太阳能的好处℃之间热生长的SiO2。这层薄膜在我们的第一个试验中得以应用，将LFC技术转移到工业生产的工艺步骤。然而，由于工艺步骤的较高温度，在工业环境中应用此工艺将比较苦难，尽管在对比温度下氧化并不会降低材料的质量。
接近当前工业实际的工艺是采用PECVD沉积SiN。然而，这并不能达到与热氧化物相同的
钝化效果，因为SiNx层引发的反型层会带来有害的分路。热稳定性也是一大问题，尽管最近的研究表明中等程度的钝化在烧结步骤之后能够保持。