表面織構化是通過制作表面機械結構增加電池對于光的吸收率，比較常見的是金字塔結構、倒金字塔結構和納米微結構等，應用最廣的織構化方法是濕法腐蝕[9]。效率較高的織構化為倒金字塔結構，入射到這個結構上的大多數光會在入射的第一個點上進入金字塔的側壁，大多數光耦合進入電池，反射的光將朝下反射，至少多出一次機會進入電池，同時，倒金字塔結構對于電池背部反射回的光有抑制其逃逸的作用，因而得到廣泛應用。
　　減反射層是為了改善電池對于入射光的吸收率而制作的薄膜結構。基于光的波動理論，1/4波長厚度的減反射涂層對于對應波長有最大程度的增透作用[10]。對于實驗室電池而言，最常用的減反射技術是生長一層薄的熱氧化膜和通過蒸發ZnS和MgF2層生成雙層減反射涂層。但是，現在幾乎所有的光伏公司均采用了等離子增強化學氣相沉積(PECVD)氫化氮化硅作為減反射結構，優點在于其優秀的折射率、極好的表面和體鈍化性質。
　　前表面鈍化是通過鍍薄膜結構減小電池表面復合的工藝，未經鈍化的電池表面有大量表面態，光照激發的電子-空穴對在表面復合十分嚴重，對電池性能影響較大，前表面鈍化就是通過淀積表面態較小的薄膜結構覆蓋原表面的過程，一般減反射層就有表面鈍化的作用。鋁背場結構目前應用在大多數產業化電池中，通過絲印鋁漿與硅在577℃溫度下鋁與硅形成共熔合金，鋁硅燒融物再生長在電池背面形成P+/P結得到。鋁背場能夠在電極處形成良好的歐姆接觸，而且有一定的吸雜作用。

　　3.1PERL太陽能電池

　　澳大利亞的新南威爾士大學研制了PERL結構的硅太陽能電池，1999年在4cm2的P型FZ硅實現了25%的轉換效率(1999年是24.7%，2009年太陽能光譜參照修正之后達到25%的效率)。PERL電池的特點是極好的單晶質量，在晶體硅正反雙面均長了SiO2層，良好的鈍化特性使得電池界面復合損失很低。金屬電極通過10mm×10mm的小孔接觸到電池，而且電極接觸的半導體部分重摻雜，這種結構能夠形成良好的歐姆接觸從而減小串聯電阻，而且可以抑制接觸處載流子復合，被稱為選擇性點接觸工藝[11]。另一個主要的特點是背面的Al電極層和SiO2層，這種組合對于入射到Si/SiO2界面角度在24.7°下的光線有高界面反射率。電池正面各向異性腐蝕形成的倒金字塔結構能夠有效地減少入射光的反射，而且對于電池背面反射回的光有高的反射率。這樣吸收的光線就能夠很大程度上陷在電池內部，提高了電池的量子效率。此外，一層MgF2/ZnS雙層結構覆蓋在氧化層表面，使得表面反射率進一步降低。這些舉措使得PERL電池的內量子效率顯著提高，藍光處內量子效率甚至達到了100%。PERL電池一直是高效硅基太陽能電池的代表[12-13]，但其復雜的光刻工藝以及對襯底晶格質量的高要求使得實現成本較高，因而一直沒有實現規模生產。

　　3.2IBC太陽能電池
　　1975年，Schwartz和Lammert第一次提出了IBC結構[14-15]，IBC電池的顯著特點在于沒有正面電極，正負電極均位于電池背面，且正負電極呈現叉指狀。當時提出的目的是為了解決由于高照明強度帶來的電壓飽和問題，而伴隨這種結構而來的串聯電阻的減小、柵線遮光的移除，對于取得高效率的光伏電池很有幫助，使得IBC電池一直被認為是取得高效率電池的一種有效途徑。此外，IBC電池的背面叉指化電極結構有望降低電池片間組裝成本，減少鋁條焊接工藝。自從IBC結構被提出以后，一直是高效率太陽能電池的研究熱點。2011年，ECN實驗室利用絲網印刷硼源發射極及熱擴散的方式制出了效率為19.1%的IBC電池[16]。2012年，歐洲IMEC實驗室分別利用CVD沉積硼源和BBr3氣態擴散兩種方式制備IBC，發現BBr3氣態擴散下有實驗最高效率，達到了23.3%[16]。2013年，德國的ISFH實驗室研究了IBC電池的背部鈍化，比較了SiO2基極電極處鈍化與全背場Al2O3鈍化的效果，發現SiO2鈍化有較高的開路電壓，但是填充因子偏小，轉化效率大于全背場Al2O3鈍化制作的電池，達到了23.1%[17]。目前最高效率的IBC太陽能電池由美國的Sunpower公司保持。2014年，Sunpower公司成功刷新了IBC電池的記錄，達到了25.0%的電池效率。Sunpower公司的IBC電池結構如圖3所示，采用了N型硅片作為襯底，前表面是為了減反射采用的制絨、SiO2鈍化及前表面場優化的擴散層，背表面是叉指狀的N+和P+擴散及柵線用于收集電池背部產生的光生載流子。Sunpower一直致力于高效率的太陽能電池，其IBC電池的產業線效率早就超過了20%[18]，是目前商用高效硅太陽能電池的代表。其取得高效率的關鍵在于局部背接觸減少了接觸復合損失，正面柵線的移除大大減少了電池效率中的光學損失，背面的金屬化增加了背面反射以及較低的串聯電阻。2011年，Sunpower等[19]在N+與P+之間采用制絨二氧化硅層做了隔離，并且在背表面做了更優的鈍化，使得IBC電池工藝線效率達到了23.6%。2014年，Sunpower[20]繼續在原有基礎上改進，減小了發射極的復合和背部光學損失，首次做出了電池效率達到25%的IBC電池，接近了Swanson在2005年提出的實際單結太陽能電池極限效率——26%。

　　Sunpower公司分析了25%效率的IBC電池后發現，電池效率的主要損失在于發射極復合和背部光學損失，同時，常州天合公司分析的IBC電池效率的主要損失同樣在于光學損失和復合損失[21]。因此，IBC電池下一步提升的空間在于背部減反射和更高效的鈍化。對于硅基太陽能電池，HIT電池一直是高效鈍化的代表。
　　3.3HIT電池
　　HIT太陽能電池起源于Hamakawa等[19]設計的a-Si/c-Si堆疊太陽能電池,與單晶、非晶硅太陽能電池相比,其具有低溫工藝,高的穩定性等優點，HIT太陽能電池的電池效率記錄由日本的松下公司(原本是三洋公司，但是三洋公司被松下公司收購)保持，松下公司2013年在面積101.8cm2，98mm厚的N型Cz硅上制成了24.7%的HIT電池[22]。

　　松下公司的HIT電池結構如圖所示，一層本征非晶硅和P型非晶硅淀積在隨機制絨的N型Cz硅上，形成一個PN異質結，本征非晶硅和N型非晶硅淀積在另外一面形成一個背表面場結構，接著兩面同時鍍上非晶硅、透明導電氧化層和電極，就形成了HIT太陽能電池。HIT電池有很多優勢：將本征非晶硅層插入P型(或者N型)非晶硅和晶體硅的工藝能夠形成優秀的鈍化；200℃以下的低溫工藝能夠最大程度上保證晶體硅質量不衰減；與熱擴散電池相比，HIT電池有更好的溫度系數和開路電壓。
　　3.4HBC電池
　　HBC結構由日本的夏普公司提出，是背接觸IBC電池與硅基異質結HIT電池的良好結合。由于沒有正面柵線遮光，電池有高的短路電流；由于有高質量的氫化非晶硅鈍化，電池有高的開路電壓。HBC結構結合兩種電池的優點，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率為25.1%的太陽能電池。HBC電池的結構如圖5所示。為了獲得高的開路電壓，需要盡可能的減少異質結面載流子的復合。公司采用了與HIT電池氫化非晶硅類似的方法實現了a-Si:H的結晶控制；為了獲得高的短路電流，電極采用了全背面結構的制作。利用HIT電池的優點，所有工藝都在200℃下制作完成，因此HBC電池摒棄了背面擴散摻雜的方式分別采用氫化結晶i/p及i/n非晶硅及光刻腐蝕的技術，完成了局部高摻雜。

　　夏普公司并不是HBC效率的保持者，目前HBC電池效率最高記錄已由日本松下公司改寫，他們在143.7cm2的N型Cz硅上，實現了電池效率25.6%，也是目前單結硅基太陽能電池的最新記錄。松下HBC電池的結構如圖6所示，正面制絨，且有SiN鈍化層，背面是非晶硅，下面是叉指狀分布的n型非晶硅和p型非晶硅及相應的電極。測試結果發現，相比于HIT電池，HBC電池在量子響應度上有明顯的增加，使得電池的短路電流由39.5mA/cm2增長到41.8mA/cm2，有5.8%的提升。但開路電壓有1.3%的減少，應是背部結構復雜性增加導致鈍化效果降低的原因。

　　3.5  4種結構電池的比較
　　PERL電池很早就達到了25%的光電轉化效率，但是一直停留在實驗室階段。IBC電池和HIT電池不僅在實驗室有高的轉化效率，而且應用在了產業線上。HBC電池是剛剛提出的概念，能否應用在產業線上尚屬未知。表2比較了4種類型電池的優缺點，并給出了相應的代表研究機構和產業化現狀。

　　目前，市面上典型結構的太陽能電池主要依賴如電極漿料等材料的改進來實現效率提升，而25%以上高效率的硅電池僅僅依賴材料改進是很難達到的。為此，國內的電池公司可以借鑒這些大公司的思路，進行創新突破，在已有的基礎上改進升級。
　　綜上所述，要實現產業化25%效率的硅基電池，至少需要在以下幾方面有所改善：1)硅襯底材料的改進，努力提高少子壽命，目前產業化的晶硅材料主要是P型的，P型硅材料中的光生載流子壽命短。目前實現25%的高效硅電池都是N型材料。所以預期隨著高效率電池的普及，N型材料有望實現大規模生產應用，由于硅片成本和N型晶硅電池的規模直接相關，這種成本和規模的相互促進會很快使得N型襯底的硅電池得到普及；2)背接觸結構的應用，有效減少了電極遮光，提高了電池效率。由于背接觸結構的電池涉及到嚴格的電極隔離工藝，預期選區激光技術有可能得到新的應用，如選區摻雜工藝和選擇性刻蝕技術，這些激光技術要求嚴格控制光致缺陷態，對激光本身和工藝要求都很高，由于激光技術的規模應用也能降低成本，因此未來背接觸結構的硅基太陽能電池超短脈沖激光技術可能得到應用。此外，激光制絨[23]、激光打孔[24]、激光刻蝕邊結和激光焊接[25]等工藝在太陽能電池上的應用，也預示激光技術在未來的太陽能電池工藝上有較大的應用；3)硅基異質結結構是提升太陽能電池的有效方法，在提高開路電壓方法有著重要意義，HIT電池專利已經失效，國內一些廠家的HIT效率也在不斷提高。

　　未來硅基異質結可能還會有新的進展，關鍵的突破可能來源于薄膜材料——非晶硅材料可以用其他材料代替，但關鍵是要求成本要低，可能用到更低成本的薄膜工藝如印刷工藝，比如通過硅和鈣鈦礦薄膜材料研制新型異質結結構，以及相應的HBC新型電池等，創新空間非常大。相信國內主要廠家將很快掌握背接觸和異質結的工藝，且隨著N型硅材料成本的下降，國內硅基太陽能電池行業也將進入25%的高效率電池時代。

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鄧慶維 黃永光 朱洪亮

中國科學院半導體研究所半導體材料重點實驗室

來源：激光與光電子學進展

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