中電投西安太陽能電力有限公司 ■ 董鵬 宋志成 張治 屈小勇

0 引言

從1954年第一塊單晶硅太陽電池問世以來，作為太陽電池的主要發(fā)展方向，晶硅電池技術(shù)取得了重大進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率從最初的6%提高到現(xiàn)在的24.7%[1](僅考慮單節(jié)非聚光模式下的太陽電池)，然而這與晶硅電池的理論極限效率31%[2]還有很大差距。圖1為常規(guī)晶硅電池的工藝流程，在此基礎(chǔ)上的單晶電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18.8%，多晶電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17.5%。在不改變工藝方法和器件結(jié)構(gòu)的前提下，晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率遇到瓶頸，如何進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)換效率成了各大廠商和研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)課題。

圖1 常規(guī)晶硅電池工藝流程圖

晶硅太陽電池的效率損失主要分為光學(xué)損失和電學(xué)損失兩類，如圖2所示[3]。高效電池技術(shù)研究重點(diǎn)就是通過工藝方法、器件結(jié)構(gòu)和原輔材料等各方面的改善，降低光學(xué)損失和電學(xué)損失，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提升。本文從工藝原理、實現(xiàn)方法、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化情況等方面對離子注入技術(shù)進(jìn)行分析。

圖2 晶硅太陽電池的效率損失機(jī)理圖

1 離子注入工藝原理

當(dāng)真空中有一束離子束射向一塊固體材料時，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象稱為離子注入[4]。在硅片中注入相應(yīng)的雜質(zhì)原子(如硼、磷、砷等)，可改變其表面電導(dǎo)率或形成p-n結(jié)。常規(guī)晶硅電池通過高溫擴(kuò)散的方式制備p-n結(jié)。高溫擴(kuò)散是熱化學(xué)反應(yīng)和熱擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)合，p-n結(jié)質(zhì)量受化學(xué)結(jié)合力、擴(kuò)散系數(shù)和材料固溶度等因素的限制，且長時間的高溫過程會對硅片晶格結(jié)構(gòu)造成損傷。另外，由于擴(kuò)散爐設(shè)備的限制，擴(kuò)散工藝還有一個難以克服的缺點(diǎn)，就是摻雜的均勻性較差。用離子注入技術(shù)代替高溫擴(kuò)散制備p-n結(jié)，可有效解決上述問題。

用于實現(xiàn)離子注入工藝的設(shè)備叫離子注入機(jī)。由于精準(zhǔn)的摻雜水平，離子注入機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)，但受限于其高昂的價格和嚴(yán)格的工藝控制要求，該技術(shù)一直未在晶硅電池領(lǐng)域推廣。近年來，隨著光伏行業(yè)的深度整合以及對高效電池技術(shù)的需求，相關(guān)設(shè)備廠商和著名研究機(jī)構(gòu)開始將離子注入技術(shù)引入到高效晶硅電池的開發(fā)中，并嘗試將其產(chǎn)業(yè)化。

2 離子注入電池實現(xiàn)方法

用離子注入技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴(kuò)散技術(shù)，可很方便地實現(xiàn)晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化，其工藝流程如圖3所示。離子注入過程中高能離子對硅片晶格會造成一定損傷，可通過高溫退火的方法消除該損傷，利用退火這一步驟可同時在硅片表面生長一層薄的SiO2層，對硅片表面起到鈍化作用。

圖3 離子注入電池工藝流程圖

離子注入技術(shù)相比傳統(tǒng)擴(kuò)散技術(shù)在晶硅電池中的優(yōu)勢有：1) 發(fā)射極在高方阻情況下能保證很好的均勻性；2) 退火過程同時可對發(fā)射極進(jìn)行熱氧化鈍化，減少表面復(fù)合損失；3) 離子注入制備的發(fā)射極能與絲網(wǎng)印刷電極有更好的接觸，減少接觸電阻損失；4) 不用對邊緣進(jìn)行刻蝕，進(jìn)而增加了電池的有效受光面積，減少光學(xué)損失；5) 無需去磷硅玻璃(PSG)這一步驟，減少污染和化學(xué)品消耗；6)通過控制離子注入工藝的注入劑量、離子能量和退火工藝能精確控制摻雜水平；7)離子注入技術(shù)可方便實現(xiàn)圖形化區(qū)域摻雜，可實現(xiàn)選擇性發(fā)射極，也為背接觸電池(IBC)等高效電池結(jié)構(gòu)提供了可能性。

相較于傳統(tǒng)擴(kuò)散技術(shù)，離子注入技術(shù)制備的發(fā)射極具有更低的表面復(fù)合速率和更好的表面鈍化效果，使離子注入電池在短波區(qū)域的IQE響應(yīng)較高，即藍(lán)光響應(yīng)較好。

表1為分別用擴(kuò)散和離子注入制備的電池電性能對比[5]。由于離子注入制備的p-n結(jié)均勻性更好，具有更好的短波響應(yīng)，離子注入制備的電池開路電壓Voc和短路電流密度Jsc均有明顯提高，平均轉(zhuǎn)換效率比擴(kuò)散制備的電池高0.5%左右。

表1 擴(kuò)散和離子注入制備的電池電性能對比

3 離子注入技術(shù)結(jié)合其他高效電池技術(shù)的應(yīng)用

3.1 離子注入技術(shù)與SE技術(shù)的結(jié)合

離子注入技術(shù)的另一個優(yōu)勢在于其可很方便地實現(xiàn)選擇性發(fā)射極(SE)的制備。實現(xiàn)方式為：先在硅片表面進(jìn)行低濃度的離子注入摻雜，形成p-n結(jié)，再通過掩膜遮擋硅片表面其他區(qū)域，在柵線位置進(jìn)行第二次高濃度離子注入摻雜，形成選擇性發(fā)射極[6]。應(yīng)用選擇性摻雜技術(shù)可進(jìn)一步改善硅片表面的藍(lán)光響應(yīng)，提高電池轉(zhuǎn)換效率[7]。

3.2 離子注入技術(shù)與背鈍化技術(shù)的結(jié)合

近年來，背鈍化技術(shù)在高效晶硅電池中開始被重視。其原理是在硅片背面沉積一層Al2O3作為電池背表面的鈍化層，可有效降低電池背表面的復(fù)合速率，增加背面對光的反射，使原本會透過電池片的光反射回電池片內(nèi)部進(jìn)行二次吸收，增加了電池片對光的吸收。實驗表明，背鈍化技術(shù)可有效提高電池轉(zhuǎn)換效率[8]。

離子注入技術(shù)能實現(xiàn)對電池正表面的鈍化，結(jié)合背鈍化技術(shù)，使電池的前后表面均可有效鈍化，最大程度減少復(fù)合損失，增加對光的利用，大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率。目前已有研究機(jī)構(gòu)結(jié)合上述兩種技術(shù)使晶硅電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)20%以上[9]。

圖4為離子注入與背鈍化技術(shù)結(jié)合的高效晶硅電池工藝流程圖。制絨后的硅片先通過離子注入制備p-n結(jié)，同時對正表面形成SiO2鈍化，然后結(jié)合背鈍化技術(shù)進(jìn)行Al2O3的沉積，以及前后表面SiN膜的沉積。對比傳統(tǒng)晶硅電池的工藝流程可看出，正是利用離子注入的優(yōu)勢，可在較少的工藝步驟下實現(xiàn)p-n制備和雙面鈍化的效果，而且能與背鈍化技術(shù)實現(xiàn)完美的工藝對接。所以離子注入技術(shù)結(jié)合背鈍化技術(shù)提高電池效率是未來高效晶硅電池發(fā)展的一個重要方向。

圖4 離子注入與背鈍化結(jié)合的電池工藝流程圖

3.3 離子注入技術(shù)與IBC電池的結(jié)合

交叉指型IBC電池主要采用體少子壽命較高的n型單晶硅片作為基底。其特點(diǎn)是正面無電極，實現(xiàn)了電池正面“零遮擋”，正負(fù)電極交叉排列在電池背面[10]。

常規(guī)IBC電池用n型材料作為襯底，正面制成絨面結(jié)構(gòu)以降低反射率，表面采用SiO2/SiN層，與n+層結(jié)合作為前表面電場。背面p+區(qū)域和n+區(qū)域交錯間隔的交叉式接觸面通過常規(guī)熱擴(kuò)散方法制備，并通過在SiO2上打孔或開槽實現(xiàn)局部背接觸，利用點(diǎn)接觸實現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的接觸。IBC電池的發(fā)射區(qū)與基區(qū)電極覆蓋了背表面的大部分面積，有利于電流的收集。

IBC電池的工藝過程十分復(fù)雜，工藝中存在的難點(diǎn)主要包括：1) 在硅片同一面實現(xiàn)p+區(qū)域和n+區(qū)域的交錯擴(kuò)散；2) 氧化層的制備；3)金屬電極下實現(xiàn)重?fù)诫s；4) 激光燒結(jié)等。美國Sunpower公司和日本Sharp公司分別開發(fā)了各自的產(chǎn)業(yè)化IBC電池，其中Sunpower公司的IBC電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.3%。但由于制作工藝過于復(fù)雜，工藝控制過程嚴(yán)格，成本一直居高不下，很難大規(guī)模推廣。

利用選擇性發(fā)射極的工藝原理，將離子注入技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴(kuò)散技術(shù)作為IBC電池中的摻雜工藝，同時還能實現(xiàn)對摻雜表面的熱氧化鈍化，其工藝流程圖如圖5所示。這樣，上述IBC電池的幾個工藝難點(diǎn)(包括p+和n+交錯擴(kuò)散、氧化層的制備和金屬電極下重擴(kuò)散)均可通過離子注入技術(shù)的應(yīng)用得到有效解決，其中背面發(fā)射極和背表面場的制備需用到圖形化區(qū)域摻雜技術(shù)。而且得益于離子注入的高水平摻雜效果，能提高p-n結(jié)、前表面場(FSF)和背表面場(BSF)的質(zhì)量。因此將離子注入技術(shù)引入IBC電池中能有效降低IBC電池的工藝難度，降低制作成本，并且可提高電池轉(zhuǎn)換效率。

圖5 離子注入與IBC結(jié)合的電池工藝流程圖

4 結(jié)束語

離子注入技術(shù)作為半導(dǎo)體工藝一項重要的摻雜技術(shù)，在晶硅電池中也有顯著的應(yīng)用價值。相比于傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝，用離子注入制備的p-n結(jié)有更好的均勻性，更好的雜質(zhì)分布，同時能對硅片表面形成熱氧化鈍化，降低表面復(fù)合速率，減少死層。用離子注入技術(shù)替代傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝，可有效提高電池的轉(zhuǎn)換效率，并在大規(guī)模生產(chǎn)中提高產(chǎn)品良率，降低生產(chǎn)成本。離子注入技術(shù)與現(xiàn)階段主流的高效晶硅電池技術(shù)均能很好的兼容，具有很強(qiáng)的整合能力，包括選擇性發(fā)射極(SE電池)、背鈍化技術(shù)(PERC/PERL電池)、背接觸技術(shù)(IBC電池)等。因此離子注入技術(shù)在高效晶硅電池中有著廣泛的應(yīng)用前景，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和相關(guān)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，使用成本也會隨之降低。我們相信離子注入技術(shù)會推動晶硅電池朝著更高效率更低成本的方向不斷前進(jìn)。

[1]Jianhua Zhao，Aihua Wang, Green A M. High-efficiency PERL and PERT silicon solar cells on FZ and MCZ substrates[J].Solar Energy Meterials & Solar Cells, 2001, 65：429－435.

[2]Shockly W, Queisser J H. Detailed Balance Limit of Effi ciency of p-n Junction Solar Cells[J]. Journal of Applied Physics, 1961,32(3): 510－519.

[3]H?rkünen，Jaakko. Processing of High Efficiency Silicon Solar Cells[R]. Helsinki University of Technology Reports in Electron Physics, 2001.

[4]劉恩科，朱秉升. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[5]Jian wu, Yumei Li, Xusheng Wang, et al. 19.2% effi cient c-Si solar cells using ion implantation[A].The 22nd International Photovoltaic Science and Engineering Conference[C]. Hang-zhou,2012.

[6]Rohatgi, Meier A. Developing novel low-cost, high-throughput processing techniques for 20%-effi cient monocrystalline silicon solar cells[J]. Photovoltaics International journal, 2010,(11).87－93.

[7]Krygowski W T, Rohatgi A, Selzer T. A novel processing technology for high-effi ciency silicon solar cells[J]. Journal of The Elecrochemical Society, 1999, 146: 1141－1146.

[8]Schmiga C, Hermle M, Glunz W S. Towards 20% Efficient n-Type silicon solar cells with screen-printed aluminiun-alloyed rear emitter[A]. 23rd European Photovoltaics Solar Energy Conference[C], Valencia, 2008.

[9]Dawei W, Rui J, Ding Wuchang, et al. Optimization of Al2O2/SiNxStacked Antireflection Structure for n-type surface-passivated crystalline silicon solar cells[J]. Journal of Semiconductors, 2011, 32(9)094008-1－094008-4.

[10]Aleman M, Das J, Janssens T, et al. Development and Intergration of a high efficiency baseline leading to 23% IBC Cells[J]. Energy Procedia, 2012, 27: 638－645.