張偉康，陳群，王敏，陳小源，楊立友，魯林峰，李東棟?，朱緒飛

①南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210094；②中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；③晉能清潔能源科技有限公司，山西 呂梁 032100

叉指背接觸硅太陽(yáng)電池*

張偉康①②，陳群①②，王敏②，陳小源②，楊立友③，魯林峰②，李東棟②?，朱緒飛①

①南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210094；②中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；③晉能清潔能源科技有限公司，山西 呂梁 032100

發(fā)展高效晶體硅太陽(yáng)電池是前沿研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。其中叉指背接觸(Interdigitated back contact, IBC)硅太陽(yáng)電池是克服了傳統(tǒng)硅太陽(yáng)電池中柵線電極的遮光損失，具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率。IBC電池的核心是界面調(diào)控、背部圖形化設(shè)計(jì)和相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控，以及尋找低成本的生產(chǎn)方案。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地介紹了IBC硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和界面特點(diǎn)，以及生產(chǎn)制備中涉及的一系列工藝方法。文章最后展望了IBC太陽(yáng)電池的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

叉指背接觸；晶體硅硅太陽(yáng)電池；界面調(diào)控；摻雜；制備技術(shù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。晶體硅具有儲(chǔ)量豐富、性能穩(wěn)定、無(wú)毒、工藝成熟、帶寬較合適等優(yōu)勢(shì)，已占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)份額的90%以上[1-2]。由圖1可以看出，電池片的工藝成本僅占組件成本約18%[1]。開(kāi)發(fā)高效太陽(yáng)電池雖然一定程度上會(huì)提高電池片的原材料和工藝成本，卻可以有效降低電力平準(zhǔn)成本[3-4]。因此高效硅基太陽(yáng)電池已成為前沿研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局下發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》中也將太陽(yáng)能高效晶體硅電池列為重要戰(zhàn)略方向。

目前量產(chǎn)效率超過(guò)20%的電池有兩種：一種是日本Panasonic公司的硅異質(zhì)結(jié)電池(HIT或SHJ)，量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率為23%[5]。日本KANEKA公司通過(guò)優(yōu)化非晶硅(a-Si:H)鈍化層，抑制載流子復(fù)合，在151.9 cm2的電池上獲得了25.1%的轉(zhuǎn)換效率[6]。另一種是美國(guó)Sunpower公司的叉指背接觸(IBC)太陽(yáng)電池，其電池片的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到25.2%。IBC太陽(yáng)電池又稱作背接觸背結(jié)(backcontact back-junction，BC-BJ)太陽(yáng)電池，最初由Schwaetz和Lammert[7-8]提出。IBC硅太陽(yáng)電池的正負(fù)電極都位于電池片的背面，消除了傳統(tǒng)太陽(yáng)電池中柵線電極的遮光損失。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率使IBC硅太陽(yáng)電池受到了廣泛的關(guān)注[9-11]，但I(xiàn)BC硅太陽(yáng)電池在進(jìn)一步提高性能、降低成本方面仍然存在著諸多挑戰(zhàn)。目前，研究者的工作也主要是圍繞上述兩個(gè)方面，通過(guò)硅材料的選擇、電池前后表面的摻雜和圖形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等提高電池效率，同時(shí)尋求減少生產(chǎn)工藝步驟和降低生產(chǎn)成本的方案[12]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)IBC太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表面優(yōu)化方法、先進(jìn)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，同時(shí)展望了其發(fā)展方向。

1 IBC硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)特征

圖2(a)和2(b)分別是IBC太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物照片，金屬電極位于電池片背面，正負(fù)極呈指交叉狀排列。由于其器件結(jié)構(gòu)的特殊性，電池前表面的光生載流子必須擴(kuò)散到背表面的p-n結(jié)才能形成有效的光電流。因此材料中少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度要比器件厚度大，并且電荷的表面復(fù)合速率要非常低[13]。為提高其轉(zhuǎn)化效率，IBC太陽(yáng)電池的硅基體一般選用高質(zhì)量的n型單晶硅材料，并對(duì)其前表面進(jìn)行制絨處理和鈍化。對(duì)于電池的背面，優(yōu)化的重點(diǎn)在于減小接觸電阻、提高電荷的收集效率。

圖1 多晶硅電池組件價(jià)格趨勢(shì)(插圖：電池各部分的成本比例)[1]

圖2 (a)IBC太陽(yáng)電池橫截面示意圖[12]；(b)Sunpower公司C60電池的正面(左)和背面照片(右)(圖片來(lái)源于https://www.aliexpress.com)

1.1 陷光結(jié)構(gòu)與表面鈍化

如圖2(a)所示，IBC太陽(yáng)電池前表面經(jīng)過(guò)制絨工藝可形成陷光結(jié)構(gòu)，通?？衫没瘜W(xué)腐蝕[14]、光刻[15]、納米壓印[16]、噴墨打印[17]等手段實(shí)現(xiàn)制絨。陷光結(jié)構(gòu)有多種類型，如金字塔形[18-19]、倒金字塔形[17]、蜂窩形[20]、V形槽[21]、納米線[22]等。

經(jīng)制絨得到的表面結(jié)構(gòu)雖能提高入射光的吸收效率，但同時(shí)會(huì)提高表面復(fù)合速率，生成的載流子很快復(fù)合，不能形成有效的光電流。表面鈍化的主要目的是減少光生載流子的表面復(fù)合速率[23-25]，所以優(yōu)異的陷光效果同前表面的鈍化處理是密不可分的。表面鈍化的方法通常有兩種：化學(xué)鈍化，使表面上的懸掛鍵形成飽和鍵，降低表面復(fù)合中心的密度，從而降低表面復(fù)合速率[26-28]；場(chǎng)鈍化，對(duì)硅表面進(jìn)行摻雜或者沉積具有特定電荷特性的薄膜，改變近表面光生電子和空穴的比例，當(dāng)電子和空穴任意一個(gè)密度降低時(shí)其復(fù)合效率也會(huì)相應(yīng)下降[29-30]。

普通晶體硅電池表面一般是先通過(guò)熱氧化鈍化在硅的前表面形成一層氧化硅薄膜，再沉積減反射層[5,31]形成雙層結(jié)構(gòu)。這種傳統(tǒng)的熱氧化鈍化雖然可起到鈍化效果，使平整硅表面的復(fù)合速率小于2 cm/s[13]，但在納米結(jié)構(gòu)表面，鈍化后的復(fù)合速率一般仍然高達(dá)1 000 cm/s[32]。IBC太陽(yáng)電池對(duì)前表面復(fù)合要求嚴(yán)格，通常將場(chǎng)鈍化和化學(xué)鈍化結(jié)合。一般首先形成一個(gè)低摻雜的n+前表面場(chǎng)，隨后再利用SiO2對(duì)其鈍化[33]。德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所的Granek等[34]還發(fā)現(xiàn)，磷擴(kuò)散的前表面場(chǎng)不僅可以起到鈍化效果，還可以用來(lái)輸運(yùn)光生電子，防止載流子被基體材料中的缺陷捕捉，降低多數(shù)載流子的橫向電阻，從而減小電池的串聯(lián)電阻。在HIT電池中沉積的本征非晶硅(a-Si:H)層也可以起到鈍化的效果[35]。

1.2 背表面摻雜與鈍化

如圖2(a)所示，IBC硅太陽(yáng)電池的背面一般有p++(發(fā)射極)和n++(背表面場(chǎng))兩個(gè)重?fù)诫s區(qū)，這兩個(gè)摻雜區(qū)域呈指交叉狀交替排列。兩個(gè)區(qū)的中間一般還存在一個(gè)間隙(gap)[12]。其中發(fā)射極用來(lái)收集空穴載流子，背表面場(chǎng)用來(lái)捕獲電子。由于中等摻雜區(qū)域中電子的遷移率是空穴的3倍，IBC電池常采用較大面積的發(fā)射極[36]，因此將有相當(dāng)比例的電子要通過(guò)橫向傳輸達(dá)到背表面場(chǎng)。由于前表面場(chǎng)可以降低多數(shù)載流子的橫向電阻，因此通過(guò)優(yōu)化前表面場(chǎng)特性可以進(jìn)一步增加發(fā)射極區(qū)面積或者整個(gè)圖形周期的寬度。目前，背表面的摻雜可結(jié)合光刻、絲網(wǎng)印刷、激光刻蝕或者噴墨打印等方法通過(guò)后續(xù)的擴(kuò)散或離子注入等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于摻雜過(guò)程中需要多層掩模的精確定位，從效率和成本的角度考慮，pitch的寬度一般在1.3 mm到3.5 mm之間[12]。

為了抑制IBC太陽(yáng)電池背表面的載流子復(fù)合，一般需要在硅基體的背面與金屬電極之間加上一層SiO2鈍化層，隨后通過(guò)局部腐蝕實(shí)現(xiàn)電極與硅基體的局部接觸。電極與摻雜區(qū)域的接觸面積和圖形方案需綜合考慮載流子復(fù)合和電流收集效率。通過(guò)這種局部接觸的設(shè)計(jì)，大面積IBC電池的填充因子可達(dá)到82.7%[36]。Holman等[37]還發(fā)現(xiàn)背表面介質(zhì)層的存在可以抑制金屬電極在紅外區(qū)域的等離子體損耗?？梢?jiàn)，背表面的鈍化是保證IBC太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)高效率的重要因素。

1.3 背表面摻雜和電極的圖形結(jié)構(gòu)

對(duì)于IBC太陽(yáng)電池，正負(fù)電極都位于電池的背面，并呈指交叉狀，通過(guò)鈍化層上的開(kāi)孔與硅板接觸，其摻雜和接觸圖形方式多種多樣。例如：Swanson等[38]介紹了一種點(diǎn)接觸式太陽(yáng)電池，見(jiàn)圖3所示。電池的背表面摻雜和接觸的圖形不是條狀的，而是由排布整齊的小點(diǎn)組成。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了背面重?fù)诫s區(qū)域的面積，從而大大減小了摻雜區(qū)域的飽和暗電流，提高了電池的輸出電壓和電池效率。圖3(b)可看出，點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池的背面有兩層金屬鋁，一層通過(guò)小孔與n+區(qū)域接觸，另一層與p+區(qū)域接觸，兩層之間通過(guò)Al2O3隔開(kāi)。接觸面積的減小，使背面上的SiO2層的面積也適當(dāng)增大，進(jìn)一步減小了表面復(fù)合速率。Swanson等[38]在1984年制備出的點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池的效率達(dá)到了19.7%。

圖3 點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu): (a) 底部；(b) 橫截面[38]

Guo等[39]在2005年介紹了一種背交叉埋槽式電極太陽(yáng)電池(interdigitated backside buried contact, IBBC)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。他們采用激光刻蝕埋電極技術(shù)(laser-grooved BC technology)，而未采用光刻法，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟，降低了生產(chǎn)成本。這種埋槽式電極太陽(yáng)電池的效率達(dá)到了19.2%[39]。

圖4 IBBC電池橫截面示意圖[39]

IBC太陽(yáng)電池的背表面摻雜區(qū)有點(diǎn)狀摻雜和條形摻雜之分，電極與摻雜區(qū)域的接觸方式也有點(diǎn)接觸和線接觸，圖3中所示的為點(diǎn)接觸式背電極的電池。線接觸式背電極不同點(diǎn)在于其摻雜區(qū)域是條形的，鈍化層上的開(kāi)孔也是條形的。Engelhart等[40]應(yīng)用激光刻蝕的方法在p型硅片上制備出了RISE太陽(yáng)電池(rear interdigitated contact scheme, metalized by a single evaporation, RISE)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。RISE太陽(yáng)電池的背面有高度不同的兩層金屬，兩層的高度相差約40 μm，較高的一層通過(guò)鈍化層上條形開(kāi)孔與硼摻雜區(qū)域相連接形成背場(chǎng)，較低的一層與磷摻雜層相連形成發(fā)射極。這種電池的制備過(guò)程中并未使用掩蓋層，而是使用激光刻蝕結(jié)合化學(xué)腐蝕的方法形成背電極，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟，降低了成本。Engelhart等[40]在4 cm2的p型硅片上制備出了效率高達(dá)22%的RISE太陽(yáng)電池。

圖5 RISE背結(jié)太陽(yáng)電池(圖中電池的背面向上)[40]

除了利用摻雜技術(shù)形成前后表面場(chǎng)和發(fā)射極外，還可以通過(guò)沉積非晶硅層形成異質(zhì)結(jié)為電池提供必要的內(nèi)建電場(chǎng)。氫化非晶硅(a-Si:H)良好的鈍化性能還能夠幫助晶體硅電池獲得700 mV以上的開(kāi)路電壓。各功能的沉積溫度一般在200 °C或以下，避免了高溫過(guò)程，可以有效抑制薄晶硅電池中各種材料的熱膨脹系數(shù)失配而發(fā)生的卷曲現(xiàn)象。同時(shí)，沉積的方式更加容易對(duì)摻雜區(qū)域進(jìn)行精確控制，減小了發(fā)射區(qū)和基區(qū)短路的可能[10,41-44]。2014年，日本Panasonic公司在143.7 cm2的IBC-HIT電池上獲得了25.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，驗(yàn)證了大面積高效電池的可行性和巨大的商業(yè)潛力[10]。

2 IBC太陽(yáng)電池的制備技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的更新與發(fā)展，制備太陽(yáng)電池的技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，其中IBC太陽(yáng)電池的制備工藝有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。IBC太陽(yáng)電池的制備分為表面制絨、表面鈍化、摻雜及背電極的制備等過(guò)程。其中應(yīng)用到的技術(shù)多種多樣，例如：化學(xué)腐蝕[45]、反應(yīng)離子刻蝕[46]等技術(shù)可用于表面制絨；熱氧化[47]、PEVCD[47]、原子層沉積(ALD)[22]技術(shù)可用于表面鈍化；表面摻雜可以通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散或離子注入技術(shù)等實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于背電極的構(gòu)型，則可利用絲網(wǎng)印刷、光刻法和噴墨打印獲得[48]。如今，優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)的重點(diǎn)在于如何在保證效率的基礎(chǔ)上減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。新興的制備技術(shù)既有優(yōu)勢(shì)也有亟待攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 絲網(wǎng)印刷技術(shù)

絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)過(guò)程中。該技術(shù)是指通過(guò)絲網(wǎng)將金屬漿料或者特殊涂料印刷到硅板上，印刷過(guò)程中精細(xì)的絲網(wǎng)固定在網(wǎng)框上，置于硅片上方，絲網(wǎng)封閉了除柵格線以外的其他區(qū)域。印刷過(guò)程中硅片和絲網(wǎng)之間的距離(網(wǎng)距)，溫度、壓力、刮刀速度及其他變量都要嚴(yán)格控制，不同的結(jié)構(gòu)有不同的印刷工藝要分別進(jìn)行。

2010年，Bock等[49]使用絲網(wǎng)印刷結(jié)合激光刻蝕的方法對(duì)IBC太陽(yáng)電池的背面進(jìn)行了摻雜，電池工藝過(guò)程如圖6所示。其中絲網(wǎng)印刷技術(shù)應(yīng)用在背面Al-p+發(fā)射極的制備上[50]，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)取代高溫?cái)U(kuò)散摻雜，避免了高溫?cái)U(kuò)散對(duì)晶體硅的破壞，同時(shí)應(yīng)用激光刻蝕技術(shù)簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，以及使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)進(jìn)行鈍化降低了工藝溫度。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)工藝成熟，成本低廉，但由于IBC電池背部圖形的特點(diǎn)，需經(jīng)過(guò)多次絲網(wǎng)印刷和精確的對(duì)準(zhǔn)工藝，從而增加了工藝難度和成本。為此，研究者也相繼提出利用激光刻蝕[19,40]、離子注入[51]、噴墨打印[52-53]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)摻雜或電極的圖形化。但是在目前的技術(shù)水平下，絲網(wǎng)印刷仍然在IBC太陽(yáng)電池生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。

圖6 利用絲網(wǎng)印刷制備Al-p+發(fā)射極及整個(gè)電池的制備過(guò)程[49]

2.2 激光刻蝕技術(shù)

圖6中的生產(chǎn)過(guò)程也應(yīng)用到了激光刻蝕技術(shù)。激光刻蝕是利用激光束對(duì)硅板表面或其表面涂層進(jìn)行刻蝕，其優(yōu)點(diǎn)是避免了傳統(tǒng)掩模工藝，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟。激光刻蝕技術(shù)可以與其他技術(shù)結(jié)合用于電極制備和局部摻雜等過(guò)程。德國(guó)Institut für Solarenergieforschung Hameln研究所提出的RISE工藝中[40]，即使用到了激光刻蝕技術(shù)。首先利用PECVD方法在硅片上沉積一層SiNx作為保護(hù)層，再使用激光刻蝕在硅板的背面刻蝕出線狀溝槽，之后對(duì)其進(jìn)行摻雜，如圖7(c)-(e)所示。經(jīng)過(guò)前表面的單面制絨后，在背面加上一層有機(jī)保護(hù)層，再使用激光刻蝕與化學(xué)刻蝕形成條形接觸開(kāi)孔并移去有機(jī)保護(hù)層，如圖7(g)-(j)。之后通過(guò)PECVD在正面覆蓋一層SiNx鈍化層(圖7(k))。最后通過(guò)單面蒸發(fā)金屬鋁，形成背電極。對(duì)于正負(fù)電極在凹槽側(cè)壁上的分離，Engelhart等[40]采用的是自對(duì)準(zhǔn)分離方法[54]，即形成金屬電極之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)退火過(guò)程在溝槽的側(cè)壁上生成一層多孔氧化層，形成鋁電極后在電極上再覆蓋一層很薄的氧化硅，之后使用濕化學(xué)腐蝕就可分離側(cè)壁上的金屬電極。在RISE工藝中，激光刻蝕定位準(zhǔn)確，減少了工藝步驟，對(duì)降低生產(chǎn)成本具有積極的作用。

圖7 RISE背結(jié)硅太陽(yáng)電池的制備過(guò)程[40]

2.3 離子注入技術(shù)

IBC硅太陽(yáng)電池的制備過(guò)程中通常需要對(duì)硅表面進(jìn)行摻雜。摻雜區(qū)域的濃度、深度及摻雜均勻性等都會(huì)直接影響到硅太陽(yáng)電池的性能[55]。除了傳統(tǒng)的高溫?fù)诫s方式，還可以使用PECVD先在晶體硅表面形成一層磷硅玻璃(PSG)作為磷源，再通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)摻雜[56]。

此外，利用離子注入進(jìn)行摻雜也獲得了光伏領(lǐng)域的關(guān)注。離子注入技術(shù)指真空中一束離子束射向一塊固體材料，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的現(xiàn)象[57]。在IBC太陽(yáng)電池的生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的高溫?cái)U(kuò)散摻雜是熱化學(xué)反應(yīng)和熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，雖然使用高溫?cái)U(kuò)散比較容易獲得高濃度、深結(jié)深的摻雜區(qū)域，但是其摻雜效果受化學(xué)結(jié)合力、擴(kuò)散系數(shù)和材料固溶度等因素的限制。長(zhǎng)時(shí)間的高溫過(guò)程不但會(huì)對(duì)硅片晶格結(jié)構(gòu)造成損傷，還會(huì)造成摻雜離子的側(cè)向擴(kuò)散，使相鄰區(qū)域相互滲透。使用離子注入技術(shù)既可以克服傳統(tǒng)高溫?fù)诫s的缺點(diǎn)，又可以進(jìn)行精準(zhǔn)、高純度的摻雜，還能減少高效硅太陽(yáng)電池制備的工藝步驟。由于精準(zhǔn)的摻雜水平，離子注入技術(shù)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(jià)格和嚴(yán)格的工藝控制要求，該技術(shù)尚未在晶硅電池領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著光伏行業(yè)的深度整合以及對(duì)高效電池技術(shù)的需求，相關(guān)設(shè)備廠商和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始將離子注入技術(shù)引入到高效晶硅電池的研發(fā)中。此外，使用離子注入進(jìn)行摻雜所得到的摻雜區(qū)域的界面平整，減少側(cè)向擴(kuò)散，因此在IBC硅太陽(yáng)電池的制備方面有廣闊的應(yīng)用前景[58-59]。利用離子注入技術(shù)制備IBC太陽(yáng)電池的流程圖如圖8[60]。

離子注入過(guò)程中高能離子對(duì)硅材料會(huì)有一定程度的損傷，可通過(guò)高溫退火的方法消除。高溫退火不但可以消除損傷，還能在硅片兩面都形成一層SiO2層，起到鈍化的效果，并且使用離子注入技術(shù)不產(chǎn)生PSG或BSG層，去除上述材料所伴隨的污染和化學(xué)品消耗。由于IBC硅太陽(yáng)電池背電極的特殊構(gòu)型，在使用離子注入實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片背面的摻雜時(shí)，需要同絲網(wǎng)印刷或噴墨打印等掩模技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)背面圖形化區(qū)域摻雜。得益于離子注入的高質(zhì)量摻雜，制備出的IBC硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率也會(huì)有所提高。2012年，Rohatgi等[61]使用離子注入法制備出了效率為19%～20%的高效硅太陽(yáng)能電池，同時(shí)也論證了離子注入技術(shù)應(yīng)用在高效硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)上的可行性。

圖8 離子注入制備IBC硅太陽(yáng)電池流程圖[60]

2.4 噴墨打印技術(shù)

IBC硅太陽(yáng)電池背部的摻雜、鈍化以及金屬化都要基于其特有的圖形化結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷和激光加工方法仍存在對(duì)準(zhǔn)精度較差、工藝步驟多或成本較高等缺點(diǎn)，而噴墨打印技術(shù)因其具有非接觸、圖形化精度高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)而受到關(guān)注[48]。1987年，研究者首先利用噴墨打印技術(shù)打印出電池電極[62]，目前，噴墨打印技術(shù)已經(jīng)在表面陷光結(jié)構(gòu)[18]、金屬化[63-64]、摻雜[65-66]等太陽(yáng)電池關(guān)鍵工藝都得到了驗(yàn)證，如圖9為通過(guò)噴墨打印技術(shù)用于各種工藝的示意圖。

圖9 噴墨打印在(a)表面制絨、(b)金屬化、(c)摻雜工藝中的應(yīng)用[48]

2.4.1 表面制絨

表面制絨增強(qiáng)前表面光吸收能力，是電池制備中必不可少的環(huán)節(jié)。IBC硅太陽(yáng)電池的前表面絨面結(jié)構(gòu)有金字塔、倒金字塔、納米孔、納米錐等結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的制備方法是濕法刻蝕，由于晶面的各向異性腐蝕，可以獲得金字塔結(jié)構(gòu)(圖10(a))[45]。也可利用反應(yīng)離子刻蝕獲得陷光性能優(yōu)異的納米錐結(jié)構(gòu)(圖10(b))[46]。然而高比表面積的納米結(jié)構(gòu)將提高電荷復(fù)合速率，需要對(duì)高效的鈍化方案深入研究。此外，還可以將光刻或納米壓印技術(shù)同后續(xù)刻蝕工藝結(jié)合，獲得周期性的倒金字塔[67]或V型溝槽等結(jié)構(gòu)[68](圖10(c)和10(d))。

圖10 (a)濕法刻蝕制備的金字塔結(jié)構(gòu)[45]；(b)反應(yīng)離子刻蝕制備的納米錐結(jié)構(gòu)[46]；光刻法制備的(c)倒金字塔[67]和(d)V型溝槽[68]結(jié)構(gòu)

雖然利用光刻和納米壓印的方法能獲得周期性的陷光結(jié)構(gòu)，但上述方法工藝步驟較多，難以適應(yīng)太陽(yáng)電池的生產(chǎn)需求。Borojevic等[17]利用噴墨打印的方法在單晶硅上刻蝕出了倒金字塔結(jié)構(gòu)和V形凹槽結(jié)構(gòu)，如圖11(a)和10(b)。通過(guò)噴墨打印制備表面結(jié)構(gòu)步驟相對(duì)簡(jiǎn)單：先在晶體硅表面涂抹一層抗腐蝕層；然后使用噴墨打印機(jī)在需要刻蝕的區(qū)域打印功能性油墨，使這些區(qū)域的抗腐蝕層具有透過(guò)性；最后進(jìn)行化學(xué)刻蝕。雖然噴墨打印可以刻蝕復(fù)雜結(jié)構(gòu)且工藝簡(jiǎn)單，但是打印的點(diǎn)或者線的密度受機(jī)器限制，這決定著刻蝕出來(lái)的溝槽或倒金字塔之間的距離。在打印時(shí)如果墨滴之間的距離大會(huì)導(dǎo)致刻蝕出來(lái)的結(jié)構(gòu)之間間隔大，這會(huì)影響陷光結(jié)構(gòu)的性能。因此在打印后可先使用各向同性腐蝕液進(jìn)行腐蝕，把結(jié)構(gòu)之間的表面變圓滑，再進(jìn)行各向異性的刻蝕，減小平臺(tái)面積。

Nievendick等[69]還利用噴墨打印技術(shù)在硅片上打印出含氟的腐蝕性液滴，從而直接刻蝕出蜂窩狀凹坑結(jié)構(gòu)(圖11(c)和11(d))。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕制絨的硅片表面反射率一般在26%到29%之間[70]，利用噴墨打印制備的蜂窩狀凹坑結(jié)構(gòu)將硅片的表面反射率降至18.2%[69]。該工作一方面驗(yàn)證了噴墨打印直接制絨的可行性，同時(shí)為節(jié)約試劑、降低廢液量方面提供了新的途徑。

圖11 噴墨打印制備出的：(a)倒金字塔結(jié)構(gòu)俯視圖[17]；(b)V形凹槽結(jié)構(gòu)[17]；(c) 蜂窩狀凹槽顯微鏡圖[69]；(d) 蜂窩狀凹槽三維圖[69]

2.4.2 噴墨打印制備背電極

IBC硅太陽(yáng)電池的正負(fù)電極都位于電池的背面，所以不用考慮電極寬度帶來(lái)的遮光損失，但是電極的大小還關(guān)系到電極金屬的用量。Hermans等[64]利用噴墨打印技術(shù)使用Ag納米顆粒墨水實(shí)現(xiàn)了對(duì)HIT太陽(yáng)電池的金屬化，減小了接觸線寬。圖12為使用噴墨打印技術(shù)結(jié)合后續(xù)電鍍制備的電極形貌[71]。除了能減少金屬用量之外，噴墨打印的非接觸特征還可以避免因機(jī)械接觸對(duì)電池片造成的損壞，提高電池的良率。因此對(duì)于IBC硅太陽(yáng)電池的金屬化，噴墨打印是一種高效、經(jīng)濟(jì)的制備方法。

2.4.3 直寫摻雜

圖12 噴墨打印結(jié)合后續(xù)電鍍工藝制備的IBC電池背電極的(a)數(shù)碼照片和(b)顯微照片[71]

圖13 傳統(tǒng)光刻發(fā)局部摻雜工藝與噴墨打印局部摻雜工藝對(duì)比[66]

IBC太陽(yáng)電池需要對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行局部摻雜，圖13對(duì)比了光刻和噴墨打印直寫摻雜的技術(shù)路線[66]。從中可見(jiàn)，使用噴墨打印實(shí)現(xiàn)局部摻雜不但工藝步驟得到了簡(jiǎn)化，摻雜區(qū)域十分精確，而且大大節(jié)約了生產(chǎn)使用的材料，最重要的是噴墨打印局部摻雜還可經(jīng)過(guò)一步高溫過(guò)程形成發(fā)射極和背表面場(chǎng)，減少了對(duì)晶體硅表面的破壞和工藝步驟[66]。2012年，Kyungsun等[72]經(jīng)過(guò)一步高溫過(guò)程，利用硼摻雜墨水實(shí)現(xiàn)了對(duì)n型Cz-Si的摻雜，并制備出了效率為19%的硅太陽(yáng)電池。Kyungsun等[65]表示噴墨打印的直寫摻雜制備p+發(fā)射極，不但工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，而且可制備出高質(zhì)量的p+發(fā)射極，大大降低n型硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本。

綜上所述，噴墨打印在晶體硅太陽(yáng)電池的應(yīng)用中，可提供直寫、掩模、刻蝕等多種工藝，為表面制絨、選擇性摻雜、鈍化、金屬化提供了廉價(jià)的方案。同時(shí)，先進(jìn)的工業(yè)噴墨打印機(jī)已經(jīng)具有2 000個(gè)噴頭，噴射頻率高達(dá)10 kHz，為未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用掃清了障礙。正如德國(guó)的Stüwe博士在文章中所說(shuō)，隨著IBC電池研究越來(lái)越活躍，噴墨打印摻雜區(qū)域?qū)?huì)是未來(lái)研究的重要領(lǐng)域[48]。

3 總結(jié)與展望

IBC硅太陽(yáng)電池作為一種新型高效的硅太陽(yáng)電池，其研究與開(kāi)發(fā)是光伏領(lǐng)域前沿研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要論述了IBC硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和界面特點(diǎn)，以及生產(chǎn)制備中涉及的一系列工藝方法。在效率的提升方面，研究的聚焦于電池前、后表面的優(yōu)化。電池前表面的優(yōu)化集中在提高陷光結(jié)構(gòu)性能和降低表面復(fù)合；背光面則聚焦于電學(xué)性質(zhì)，如減小電阻損失和優(yōu)化載流子收集效率等。對(duì)于IBC硅太陽(yáng)電池的制備工藝，研究焦點(diǎn)在減少制備步驟、降低生產(chǎn)成本。介紹了絲網(wǎng)印刷、激光刻蝕、離子注入、噴墨打印等技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)。作為一種新型的高效太陽(yáng)電池，IBC硅太陽(yáng)電池正在吸引著越來(lái)越多的目光。IBC與HIT結(jié)合后將進(jìn)一步提升效率，降低工藝溫度，也為制備超薄晶體硅電池提供了有效途徑，將為太陽(yáng)能的高效轉(zhuǎn)化，降低電力平準(zhǔn)成本，拓寬晶體硅光伏應(yīng)用領(lǐng)域，解決能源短缺問(wèn)題提供更加有效的途徑。

(2016年8月22日收稿)■

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(編輯：溫文)

Interdigitated back contact silicon solar cells

ZHANG Weikang①②, CHEN Qun①②, WANG Min②, CHEN Xiaoyuan②, YANG Liyou③, LU Linfeng②, LI Dongdong②, ZHU Xufei①

①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; ②Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201210, China; ③Jinneng Clean Energy Limited, Lüliang 032100, Shanxi Province, China

Developing high efficiency crystalline silicon (c-Si) solar cell presents an important tendency in photovoltaic community. Among different type c-Si solar cells, the interdigitated back contact (IBC) devices possess distinct power conversion efficiency, mainly due to the absence of the front metal contacts and thus the elimination of optical shading losses. The most important issues in IBC solar cells are the interfacial engineering and pattern design on the rear side for field effect optimization, as well as exploring cost effective strategies for mass production. In this article, we reviewed the unique structural and interfacial properties of IBC solar cells, followed by the technical methods evolved in production process. In the end, a summary will be provided with perspective on the future development of IBC solar cells and new opportunities offered by these devices.

interdigitated back contact, crystalline silicon solar cell, interfacial engineering, doping, production technology

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.05.005

*國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61474128)，優(yōu)秀青年科學(xué)基金 (61622407)和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2013302)資助

?通信作者，E-mail: lidd@sari.ac.cn