高效硅太阳电池的要求

聚光光伏系统中所用的特殊硅太阳电池需要采用专门技术来制作以提高电池的效率，其关键要求如下:

(1)具有较长少数载流子寿命的高质量材料;

(2)有良好的扩散设计，从而尽可能地减少电阻和复合损失(注:电阻损失—欧姆损失—复合损失);

(3)形成优异的表面钝化层;

(4)有良好的电池边缘钝化(尤其对于面积较小的电池);

(5)有优异的减反射控制和陷光结构;

(6)有良好的金属化设计，从而尽可能地减少光和电阻损失。

3.2.1　较长的少数载流子寿命

聚光硅电池在制作时最好选用具有较长少数载流子寿命(几百到几千微秒)的硅片。这样少数载流子的扩散长度会远大于硅片的厚度，从而内部量子效率会提高，电池在基区的复合速率会降低。满足这些要求的硅片主要包括采用浮选(Float Zone，FZ)技术或提拉(Czochralski，CZ)技术生产的硅片，它们或者是低硼掺杂的硅片(高阻率硅片)，或者是低氧含量的硅片(例如磁式CZ)。降低硼和氧在硅片中的含量主要是想抑制硼氧化合物的生成，因为硼氧化合物会降低少数载流子的寿命。

从20世纪80年代中期到90年代中期，非聚光硅太阳电池的效率已达到24%，这主要归功于斯坦福大学和新南威尔士大学的研究。新的加工技术的引入在电池效率飞速提升中发挥了重要作用，因为这种技术能够使未经加工的采用FZ生长的硅片中较长的少数载流子寿命得到保持。而在这之前，人们对电池要有较长少数载流子寿命的必要性和加工技术都知之甚少。

在对电池背面进行高温处理的过程中，铝吸杂技术能够有效地阻止金属杂质进入硅片中。尽管这种技术非常有效，但是存在的问题是在硅片背面生成的铝－硅层有非常高的表面复合速率。不过，采用牺牲电池背面光线吸收量的设计还是可以制造出相对高效的电池的。采用高掺杂硅片制成的电池，其阻值在0.1～0.5Ω·cm－1范围内，在对红光不吸收的情况下可以使开路电压和填充因子最大化，而且在聚光条件下其效率可达到24%［1］。

20世纪80年代斯坦福大学的前期工作［2］证实了采用洁净的工艺过程能够很容易地提高硅片的初始少数载流子寿命，其中最关键的就是确保高温操作之前硅片和炉管都要被清洗干净。使用含有少量氯的炉管能有效阻止金属杂质扩散到硅片中。可以提供氯的物质包括三氯乙烷(由于对臭氧层有害，已经逐渐被淘汰)和反式1，2－二氯乙烯。炉管和石英器皿在使用之前要在氧－氯气氛中清洗，而且其温度要高于实际工艺温度，这样可以避免在实际操作过程中引入氯离子。

在整个加工过程中，若使硅片具有较长的少数载流子寿命，就没有必要再用铝、磷掺杂或其他技术来吸杂了。这就扩大了工艺方法的选择范围，比如可以自由地选择表面掺杂、氧化、金属化或是其他方法。

3.2.2　掺杂和电接触

大多数太阳电池都是以p-型硅片作为基底的，原因之一就是电子的迁移速率要比空穴迁移速率大3倍，这就意味着若电子作为少数载流子从电池的基区移动到p-n结要比空穴迁移容易得多。另一个原因是大多数太阳电池在向阳面扩散的薄层往往与基区的掺杂材料极性相反，而获得高质量的磷扩散远比硼扩散容易。但是，这种工艺容易在CZ生长的p-型硅上形成硼氧化合物，从而缩短了少数载流子的寿命。

对于聚光条件下使用的背结电池，则通常使用高阻率的硅片。这些电池一般在高注入条件下工作。低掺杂硅片的扩散长度相对要长，这样有助于降低电子和空穴扩散到电池背面时的损失。

为了减少电子横向传输到金属栅线时的电阻损失，传统电池向阳面需要有相对较厚的薄层磷扩散(“发射极”)。这个电阻损失与薄层电阻和栅线间距的平方成正比。但是，如果掺杂过量会损失其对蓝光的吸收，因为由短波光子激发的空穴容易产生表面复合，不会被p-n结收集(即薄层区空穴的有效扩散长度小于p-n结的厚度)。

受俄歇复合、禁带宽度变窄和其他高掺杂效应的影响，高掺杂会在掺杂层内产生其他的复合。其实通过高温将掺杂原子挤入深层，形成较深的p-n结(大约1μm)，同时降低掺杂原子的表面浓度，是可以减少这些复合的。与此同时，空穴的平均扩散率也会得到提高。经过这种处理的薄层电阻在70～120Ω范围内，其对蓝光会有很好的吸收，同时横向阻值损失也可以接受。

电接触主要是把电流从太阳电池中采集出来。这些电接触主要是金属－硅接触以及单位接触面积的很大的表面复合电流。可喜的是现在已有比较好的方法可以抑制这种复合。在正负极接触下方，分别掺杂浓度较高的硼和磷，可以很好地排除金属－硅接触附近的少数载流子，并能减小接触电阻。这就允许电接触面积限制在比较小的区域内，从而可以降低电接触区和高掺杂区的复合。经进一步技术处理，电接触区的薄层电阻一般控制在5～25Ω范围内。

3.2.3　表面钝化

对于大多数太阳电池来说，表面复合和高掺杂区的复合是其复合的主要部分。众所周知，在硅电池表面生长一层二氧化硅可以有效地抑制表面复合。首先硅基片于氧气氛中在900～1 100℃下氧化，然后在氮气氛或氩气氛中原位退火，这是一种非常有效的表面钝化技术。氧化之后典型的做法是紧接着用合成气体(含5%氢气的氮气或氩气)来氢化得到硅－氧界面。

400℃时用PECVD(等离子增强化学气相沉积)技术沉积的氮化硅有非常优异的表面钝化性能，同时也是非常好的减反射层［3］。由此制作的电池的开路电压已达720 mV左右［4］。合适的热退火技术可以很好地提高这些薄层的性能，这也说明了氢在表面钝化技术中起到非常重要的作用。

采用异质结非晶硅进行表面钝化的电池，其在非聚光条件下开路电压已高达730 mV［5］。这项技术的优势是其所需的处理温度仅为200℃，缺点是非晶硅会吸收部分太阳光，而且还会覆盖一层能导电的透明氧化物。用宽带隙的碳化非晶硅来取代非晶硅，并改善透明导电氧化物的性能，就有可能大大提高聚光太阳电池的性能。

异质结可能会在降低电接触处表面复合上起到重要的作用，而且不需要在电接触下进行重掺杂。近几年硅太阳电池的转换效率已经接近极限，主要受限于表面复合。

3.2.4　边缘复合

在太阳电池生产工艺的最后阶段，往往会用切片机、钻石划线器或激光器从主硅片上把电池切下来。电池的切割边缘完全没有钝化，通常还有大量的连续晶格缺陷，例如微裂痕。对于一个厚度为250μm、面积为1 cm2的方形太阳电池，未钝化的边缘面积达0.1 cm2，是总面积的10%，这严重降低了太阳电池的转换效率。受边缘复合影响的理想因子会远大于1，这意味着其对电池填充因子的影响要大于对开路电压的影响。

目前有很多种方法可以抑制边缘复合。边缘面积与硅片的厚度成正比，因此薄电池的边缘复合会很小。线聚焦系统使用的电池的面积越大(约20 cm2)，边缘面积在总面积中的比例就越小，因此边缘复合的影响就越小。

如果切割的时候能避开p-n结，就能明显地降低结复合，而结复合在边缘复合中占据重要的地位。因此，在设计电池的时候，最好不把p-n结延伸到切割区域内。如果在太阳电池的有效面积周围有一个较宽的未掺杂区，若其厚度是电池厚度的几倍，就能最大限度地降低切割边缘效应。在菲涅尔透镜的焦点处，这样的电池设计方法是可行的，但在碟式聚光系统的焦斑处，采用这种电池设计方法制成密集电池阵列并不是一个好办法。

在电池制作过程中，最好是在钝化步骤之前完成大部分边缘切割工作。这样在电池制作工艺即将结束时就会只剩下一小部分的边缘需要处理来形成整个电池。但是这种办法会显著增加工艺操作的复杂性，也会增加硅片破裂的风险。

3.2.5　减反射和陷光结构

通常到达抛光的裸硅片表面的太阳光线中大约有1/3会被反射。而对这种反射可以通过在电池表面形成减反射层，或是粗糙化电池表面，或者两者兼用的办法来加以控制。

减反射层可以在硅片、空气以及电池周围透明封装材料间提供具有梯度变化的折射率。经常被用做钝化层的二氧化硅也能同时用做减反射层。但是，二氧化硅的折射率只有1.46，低于所需的最佳折射率值(1.9～2.4)，反射损失还是比较大。

常见的用做减反射层的材料包括氮化硅和二氧化钛。用PECVD技术生成的氮化硅膜有非常优异的表面钝化性能，不需要另外的氧化物钝化膜。二氧化钛的透明度很高，折射率非常理想，达到了2.4，可以用于封装太阳电池。

根据折射率大小来排布的多层减反射层比较受欢迎，此层折射率最高的材料紧挨着硅材料。这也就意味着厚度大于几十个纳米的二氧化硅薄膜会显著降低其上覆盖的减反射层(例如TiO2，n=2.4)的光学性能。幸运的是，几十个纳米厚的二氧化硅可以作为高质量的钝化层。

粗化硅表面技术(表面布纹)可以减少反射损失，这种技术可使反射的光再次接触硅表面的其他部位而使之有机会被二次吸收。对于表面布纹的电池，仅需一层天然的减反射层就能将反射损失降低到很低的水平。

(100)定向硅片使用各向异性刻蚀技术很容易形成粗糙表面，因此在生产高效太阳电池中被普遍使用。碱刻蚀(例如氢氧化钾或四甲基氢氧化氨刻蚀)能很容易地在(111)定向面上形成高度有几微米的竖直金字塔结构，此技术在太阳电池行业中被普遍采用。利用氢氟酸和硝酸混合液的各向同性刻蚀技术可以生成圆形的突出结构，在不过度增加反射损失的前提下，能降低复合速率。在生产高效电池时经常采用的另外一种布纹方法是用二氧化硅有选择性地掩盖晶硅表面，形成一系列由窄氧化物条分割形成的方形“窗口”。这时再使用碱刻蚀技术，就可以在(111)面上生成倒立的、没有锋利边角和顶点的金字塔结构。

硅片的大部分表面经过布纹处理后将会使主导面由(100)面变为(111)面，这将增大表面复合速率。一方面是因为表面面积的增大，另一方面是因为(111)定向硅本身的复合速率就高于(100)定向硅的。但是，布纹处理导致光学损失的减少远远超出了由其引起的电池电压的降低量。

在电池表面进行布纹的另一个原因是形成陷光结构。尽管电池的前20μm厚度范围内可以吸收3/4的太阳能光谱，但还是需要几毫米厚的硅片来吸收其余的太阳光。薄硅片吸收的太阳光要少一些，但是，如果将硅片的一面或两面粗糙化，就可能增加电池对长波光的吸收。如果入射到硅片上的光的入射角大于arcsin(n1/n2)，那么光线就会在硅中发生全反射(硅在长波段的折射率n2=3.6);入射角在空气中要大于16°(n1=1.0)，在封装的电池中要大于25°(n1=1.5)。

许多种表面布纹方式都提供了优异的陷光结构，而且其性能接近随机陷光方案W或50W的极限(朗伯定律)［6］，W代表硅片厚度。采用像倒立金字塔这样的几何陷光结构方案，就能达到甚至超过朗伯陷光结构的效果［7］。

在配有跟踪装置的聚光光伏系统中，为使光线垂直照射电池表面，其入射角的范围是有限制的。如果设计的电池仅能接收与电池面法线方向呈θ角内的光线，那么就有可能限制光线的损失。从理论上来看，这种情况下硅片中光线的平均光程可以高达W/sin2θ［8］。因此采用很薄的基底(＜10μm)不会造成太大的短路电流损失。但是还必须考虑其他因素的影响，例如，尽管使用薄基底可以抑制电池基区的复合，但是表面复合仍然会降低电池的开路电压。另外，考虑到生产薄太阳电池的过程中设计和处理硅片的复杂性，所以实际聚光电池的厚度会达到几十到几百个微米。

3.2.6　电池金属化后引起的反射损失

大多数太阳电池的正面有作为负极的金属栅线，背面有作为正极的金属薄层。像背结电池和长条电池，其向阳面就没有金属接触。

传统太阳电池在设计金属栅线时既要考虑电阻损失，又要考虑反射损失。太阳电池越小，产生的电流就越小，受金属栅线遮光的影响也越小，但是边缘复合会越大，同时对实际操作的要求也越高。

目前有许多种方法可以减小金属栅线的有效光学宽度。最简单的方法就是利用镀银技术沉积的横截面为半圆形的栅线(图3.1)。银表面的反射率很高。在封装的太阳电池中，入射到栅线表面的光线大约有1/3被反射到栅线间的晶体硅上，还有1/3的光线以特定的角度向上反射，从而在空气和透明封装材料界面处产生全反射，最终被硅材料吸收。因此，这种栅线的有效光学宽度只有其几何宽度的1/3［9］。至于用于辐照度为1～5 W/cm2的线性聚光光伏系统中的聚光太阳电池，栅线引起的反射和电阻综合损失是很小的［10］。

图3.1　对于大部分入射光，横截面为半圆形的封装金属栅线其有效光学宽度是其几何宽度的1/3。光线a被反射到下层硅表面上，光线b在空气－玻璃界面处发生全反射，只有光线c逃逸，未被电池吸收