張竹青+花國然+王強(qiáng)

摘 要： 選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池是人們實(shí)現(xiàn)高效率、低成本太陽能電池的新方法之一。在此簡(jiǎn)單介紹了選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的結(jié)構(gòu)特征以及性能特點(diǎn)，并介紹目前國內(nèi)外常采用的選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的制備方法：兩步擴(kuò)散法、光刻掩膜法和絲網(wǎng)印刷電極法，通過圖表逐個(gè)分析其制備步驟及優(yōu)缺點(diǎn)。最后展望了選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)，提出了兩種工藝方法來解決選擇性摻雜太陽能電池制備工藝復(fù)雜的途徑，分別是熱擴(kuò)散法和激光摻雜法。

關(guān)鍵詞： 太陽能電池； 選擇性摻雜； 表面復(fù)合； 轉(zhuǎn)換因子

中圖分類號(hào)： TN304?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）20?0129?03

Research and development of solar cells with selective region doping

ZHANG Zhuqing1， HUA Guoran2， WANG Qiang3

（1. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China； 3. School of Electronic Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： Solar cells with selective region doping is one of the new method to achieve high efficiency and low cost solar cells. The structure characteristics and performance feature of this solar cells are introduced briefly. Three preparation methods （two?step diffusion method， photoetching mask method and silk?screen printing electrode method） of solar cells with selective region doping which is commonly used at home and abroad， are introduced respectively. The preparation steps， advantages and disadvantages of each method are analyzed by means of figures. The development trend of this solar cells is prospected. Thermal diffusion method and laser doping method are proposed to solve the preparation technology complexity of the solar cells with selective region doping.

Keywords： solar cell； selective doping； surface recombination； conversion factor

0 引 言

自從光伏效應(yīng)產(chǎn)生以來，太陽能電池經(jīng)過前人的努力探索研究，已經(jīng)成為較為成熟的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但是大幅度的投入使用依舊難以實(shí)現(xiàn)。單一地通過改變材料的性能，或者電池制備方法，在大范圍提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率上很難完成[1?3]。從前人的研究中可以看出，太陽能電池的表面摻雜濃度影響其轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)能得到較高的短路電流，但是會(huì)降低開路電壓；反之會(huì)改善電池的歐姆接觸，降低電池的串聯(lián)電阻，提高電池的轉(zhuǎn)換因子。從這里不難看出摻雜濃度對(duì)于短路電流和開路電壓的影響是對(duì)立矛盾的。為了解決傳統(tǒng)工藝下制備的太陽能電池結(jié)構(gòu)的難題，便提出了選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的結(jié)構(gòu)。

這種電池的結(jié)構(gòu)特征是：在金屬電極柵線以下的區(qū)域形成高濃度摻雜，通過得到良好的歐姆接觸來減小串聯(lián)電阻；在電極以外的區(qū)域形成輕濃度摻雜，同時(shí)制作淺結(jié)，以便于太陽光的吸收從而減小光生表面復(fù)合，提高電池的短路電流[4?6]。

1 選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的理論基礎(chǔ)

選擇性摻雜太陽能電池是可以提高太陽能電池的開路電壓，短路電流和填充因子，進(jìn)而提高其光電轉(zhuǎn)換因子。

1.1 減少太陽能電池的串聯(lián)電阻

串聯(lián)電阻[Rs]會(huì)影響太陽電池的填充因子和短路電流，從而會(huì)導(dǎo)致電池光電轉(zhuǎn)換效率的改變。擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻，電池的體電阻還有上下電極與太陽能電池之間的歐姆接觸及金屬導(dǎo)體的電阻三者構(gòu)成了太陽能電池的串聯(lián)電阻，其表達(dá)式為[7]：

[Rs=Re+Rc+PPN+Rb] （1）

式中：[Re]表示電池的電極電阻；[Rc]表示電池的接觸電阻；[RPN]表示電池的P?N結(jié)電阻；[Rb]表示電池的基區(qū)電阻，其中接觸電阻[Rc]與摻雜濃度是密切相關(guān)的。太陽能電池的表面摻雜濃度越高會(huì)導(dǎo)致接觸電阻越小，則串聯(lián)電阻就會(huì)減小，同時(shí)較深的P?N擴(kuò)散結(jié)可以防止電極區(qū)的金屬向結(jié)區(qū)滲透，從而在禁帶中減少了電極金屬引入雜質(zhì)能級(jí)的概率。

1.2 減小光生少數(shù)載流子的表面復(fù)合

表面復(fù)合對(duì)于半導(dǎo)體器件性能及穩(wěn)定性有著重要的影響，嚴(yán)重的表面復(fù)合會(huì)使器件失效[8]。endprint

表面復(fù)合率[Us]用以表征表面復(fù)合的速度大小，其定義是在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積的半導(dǎo)體表面復(fù)合掉的電子或者空穴對(duì)數(shù)。其表達(dá)式為[9]：

[Us=sΔPs] （2）

式中：比例系數(shù)[s]為表面復(fù)合的強(qiáng)弱，具有速度的量綱，[ΔPs]表示表面處非平衡少數(shù)載流子濃度。式（2）的直觀意義就是：非平衡載流子數(shù)目隨著表面復(fù)合而流失，如同表面處非平衡載流子[ΔPs]都以[s]大小的垂直速度流出了表面。摻雜濃度越小，表面光生少數(shù)載流子的復(fù)合速度也越小，所以應(yīng)該選擇較低的摻雜濃度從而來獲得較好的表面復(fù)合。

1.3 增加太陽能電池的輸出電壓

最大的開路電壓理論上極限應(yīng)當(dāng)由P?N結(jié)的內(nèi)建勢(shì)壘電壓所決定[10]。內(nèi)建勢(shì)壘電壓[VD]與半導(dǎo)體的禁帶寬度[Eg]、導(dǎo)帶能級(jí)[Ec]、價(jià)帶能級(jí)[Ev]以及費(fèi)米能級(jí)[Ef]之間的關(guān)系表達(dá)式為[11]：

[VD=Eg-Ec-Ef-Ef-Ev=kTqlnNANDni2] （3）

式中：[NA]表示受主濃度；[ND]表示施主濃度；[ni]表示本征載流子濃度。從式中可以看出隨著摻雜濃度的增加，開路電壓也會(huì)增加。但是開路電壓不會(huì)隨著摻雜濃度的增加而一直呈線性增加的狀態(tài)，而是存在一個(gè)峰值。因?yàn)檫^量的重?fù)诫s會(huì)導(dǎo)致禁帶寬度的收縮，影響本征載流子的濃度，從而改變有效摻雜濃度且減少少子壽命[12]。

2 選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的加工方法

目前國內(nèi)外對(duì)于選擇性摻雜工藝常用的方法有兩步擴(kuò)散法、光刻掩膜法、絲網(wǎng)印刷電極等。

2.1 兩步擴(kuò)散法

世界上首個(gè)選擇性發(fā)射極太陽能電池的產(chǎn)生便是通過雙次擴(kuò)散的方法，即兩步擴(kuò)散法來制備的。兩步擴(kuò)散法的制備流程如圖1所示。在清洗襯底后，輕擴(kuò)散形成N層，再用等離子刻蝕的技術(shù)去掉周邊，形成P?N結(jié)。在電池表面淀積一層二氧化硅層作為掩膜層，再刻蝕出電極窗口以便下一步驟的重?cái)U(kuò)散來完成選擇性摻雜的過程。去掉背面，腐蝕掉二氧化硅層后，再鍍上氮化硅層作為電池的抗反射層以便提高電池的效率，最后印刷正反面電極。由于生產(chǎn)中是在輕摻雜后，再進(jìn)行一次重?cái)U(kuò)散的，這種兩次擴(kuò)散的制備方法就被稱之為兩步擴(kuò)散法[13]。

圖1 兩步擴(kuò)散法的工藝流程

這種擴(kuò)散方法是先對(duì)整個(gè)發(fā)射區(qū)輕擴(kuò)散，再對(duì)電極區(qū)進(jìn)行重?cái)U(kuò)散，雖然制備工藝簡(jiǎn)單易行，但是二次重?cái)U(kuò)散會(huì)帶來雜質(zhì)的二次分布，會(huì)增加非電極區(qū)的表面復(fù)合，從而降低了電池的效率。

2.2 光刻掩膜法

光刻掩膜法[14]實(shí)際上也是兩步擴(kuò)散法的一種，如圖2所示。

圖2 光刻掩膜法的工藝流程圖

在清洗制絨后的硅片上先通過氧化的方法制備一層掩膜層，也就是二氧化硅（SiO2）層，利用光刻的技術(shù)在電池表面刻蝕出電極窗口，然后進(jìn)行第一次重磷擴(kuò)散，將SiO2層腐蝕去除后，進(jìn)行第二次的輕擴(kuò)散，這樣選擇性摻雜的工序也就完成了；再淀積一層減反射膜，即氮化硅層；最后利用工業(yè)對(duì)準(zhǔn)的方法，對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)完成的重?fù)诫s區(qū)域，進(jìn)行電池電極的燒結(jié)工作，制作鋁背場(chǎng)，整個(gè)選擇性摻雜的太陽能電池器件便形成。

選擇先重磷漿擴(kuò)散的方法能夠理想的控制電極區(qū)與襯底在進(jìn)行選擇性摻雜時(shí)的濃度差，清晰的分別出選擇性摻雜區(qū)域，但是其中要引入光刻技術(shù)，無疑會(huì)增加生產(chǎn)成本，從而降低了生產(chǎn)效率。

2.3 絲網(wǎng)印刷法

圖3為絲網(wǎng)印刷法[15]制備選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池的工藝流程圖。首先是對(duì)整個(gè)硅片表面進(jìn)行清洗制絨的工藝操作，接著使用絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行高濃度磷漿的印刷。印刷所得的圖形與工業(yè)化生產(chǎn)中的晶體硅太陽能電池的電極圖形保持一致，這時(shí)應(yīng)該注意印刷的磷漿的量要保證在擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)可以得到較深的結(jié)深，同時(shí)要確保重?fù)诫s區(qū)域與電池的電極的柵線嚴(yán)格對(duì)齊。在這種情況下形成的擴(kuò)散便是選擇性擴(kuò)散。再使用等離子刻蝕的方法去掉周邊的P?N結(jié)，防止電池造成短路。在被氫氟酸溶液腐蝕掉磷硅玻璃后的電池表面，鍍上抗反射層，也就是氮化硅層，通過減少反射光來提高太陽光的吸收率，進(jìn)而提升電池效率。最終印刷燒結(jié)鋁背場(chǎng)以及正背面的電極用來形成電池器件。

從工藝流程圖中可知，絲網(wǎng)印刷的方法由于一次擴(kuò)散就可以達(dá)到選擇性摻雜的效果，所以簡(jiǎn)單化了工藝，但由于局部印刷磷漿的方法必然會(huì)導(dǎo)致表面擴(kuò)散的不均勻性，從而增加電池的表面復(fù)合，可能提高“死層”的厚度，從而降低其效率。

圖3 絲網(wǎng)印刷法的流程圖

3 結(jié) 語

選擇性區(qū)域摻雜太陽能電池有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，然而加工工藝復(fù)雜程度較高一直是其難以得到大規(guī)模發(fā)展的弊端。如何簡(jiǎn)化其工藝成為急需解決的一大難題，有兩種途徑：一是使用熱擴(kuò)散法來制備太陽能電池，可以創(chuàng)新地使用氫氟酸對(duì)于材料不同的刻蝕比來制備此結(jié)構(gòu)電池，可以簡(jiǎn)化其工藝；二是使用激光刻蝕的方法，可以有效改變硅片表面雜質(zhì)的摻雜量，從而實(shí)現(xiàn)高低濃度摻雜的電池結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] THOMAS C P， WEDDING A B. Theoretical enhancement of solar cell efficiency by the application of an ideal doen?shifting thin film [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2012， 98（3）： 455?464.

[2] XIA J B， SHOZO Y. Strategy to improve the performance of dye?sensitized solar cells： interface engineering principle [J]. Solar Energy， 2011， 85（12）： 3143?3159.

[3] 袁鎮(zhèn)，賀立龍.太陽能電池的基本特性[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（16）：163?165.

[4] LEE E， LEE H， CHOI J Y， et al. Improved LDSE processing for the avoidance of overplating yielding 19.2% efficiency on commercial grade crystalline Si solar cell [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2011， 95（12）： 3592?595.

[5] 屈盛，劉祖明，廖華，等.選擇性發(fā)射極太陽電池結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法[J].中國建設(shè)動(dòng)態(tài)，2004（4）：42?45.

[6] 吳正軍，梁海蓮，顧曉峰.選擇性發(fā)射極參數(shù)對(duì)太陽電池光電特性的影響[J].微納電子技術(shù)，2010，47（4）：202?206.

[7] 王敏，崔連延，孫靜靜.太陽能電池工程用數(shù)學(xué)模型的建立[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（35）：8812?8815.

[8] 熊紹珍，朱美芳.太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[9] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[10] 杜忠明.多晶硅太陽電池關(guān)鍵技術(shù)[D].昆明：云南師范大學(xué)，2006.

[11] 安其霖，曹國琛，李國欣，等.太陽電池原理與工藝[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[12] 于書文.GaSb熱光伏電池及其減反射層的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[13] 韓允.磷漿法制備選擇性發(fā)射極單晶硅太陽能電池的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[14] 劉祖明.晶體硅太陽電池及其電子輻照研究[D].成都：四川大學(xué)，2002.

[15] 屈盛.絲網(wǎng)印刷制作選擇性發(fā)射極太陽電池的研究[D].昆明：云南師范大學(xué)，2005.