详解钝化接触太阳能光伏电池

假设图二中间是吸收材料，左右两侧分别是空穴电极和电子电极，而电极与吸收材料之间则是选择性传输层，左侧为空穴传输层，右侧为电子传输层。由于选择性接触材料自身带隙、逸出功和费米能级的影响，吸收材料能带被迫弯曲，这使得只有与选择性传输层对应的载流子才能流向并穿透界面，同时排斥另一种载流子，进而降低了表面载流子浓度，从而带来了良好的表面钝化效果。

下面，我们用选择性接触的理论解释一下松下异质结(HIT)电池的原理。HIT电池吸收层采用n型单晶硅片，正面首先沉积很薄的本征非晶硅层，作为表面钝化层，然后沉积硼掺杂的p+型非晶硅层，二者共同构成正面空穴传输层。沉积后，硅片靠近表面由于能带弯曲，阻挡了电子向正面的移动，电子只能向后表面移动。相反的对空穴来说，虽然本征层对空穴有一个小的阻挡，但由于本征层很薄，空穴可以隧穿然后通过高掺杂的p+型非晶硅。在背面同样沉积本征非晶硅薄层和掺磷的n+非晶硅层，同样由于能带弯曲，空穴无法轻易传过背面，而电子可以传过，所以二者构成了电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层，使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出，从而实现二者的分离。

松下异质结HIT电池是一种典型的选择性接触结构。另一种典型的选择性接触电池为Silevo公司的Triex隧道异质结电池，与HIT电池结构相似但钝化层采用氧化硅而非本征非晶硅。而与这两种完全意义上的选择性电池不同，上文中提到的背面钝化接触电池其实是一种只在背面实现了选择性接触的电池。背面钝化接触技术究竟性能如何，有没有双面采用钝化接触技术实现选择性接触电池的设计呢?下面让我们看一下这个领域的最新进展。

背面采用TOPCon技术的背面钝化接触电池结构

钝化接触技术的研究进展

近年来，先后有多家研究机构对钝化接触太阳能电池展开研究。虽然松下已经展示了采用非晶硅薄膜作为钝化层的HIT电池，最新破纪录的效率达到25.6%，不过非晶硅薄膜由于其对表面准备要求较高，无法承受较高温度后续工艺，人们开始将视野投向其他有钝化效果的薄膜材料。几家研究机构目前的研究热点集中在氧化硅薄层和高掺杂硅薄层的叠层结构。

德国弗劳恩霍夫太阳能研究所（FraunhoferISE）

FraunhoferISE已在钝化接触电池方向耕耘多年。在2013年推出了自己的隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术。使用一层超薄的氧化层与掺杂的薄膜硅钝化电池的背面。其中背面氧化层厚度1.4nm，采用湿法化学生长。随后在氧化层之上，沉积20nm掺磷的非晶硅，之后经过退火重结晶并加强钝化效果。经过上述步骤，双面钝化的200μm厚度的n型FZ硅片的隐开路电压(iVoc)可以达到710mV以上，即使后续工艺温度超过400°C，iVoc仍可保持在700mV以上。其中氧化硅减少了表面态保持了较低的隧穿电阻，掺杂多晶硅提供了场致钝化并对载流子选择性透过。需要指出的是，早期MIS电池的研究中，研究人员就已经发现当氧化层厚度超过2nm后，其隧穿效应就开始显著下降，影响填充因子。

具体到电池工艺方面，FraunhoferISE采用n型FZ硅片，正面采用普通金字塔制绒，硼扩散，ALD氧化铝加PECVD氮化硅钝叠层起到钝化和减反射效果。背面采用上述TOPCon技术，正反金属化采用蒸镀Ti/Pd/Ag叠层实现，电池开路电压达到690.4mV，填充因子也达到81.9%。为了进一步提高效率，其进一步优化正面电极设计，降低金属接触面积，背面换用单层1μm的银提高背面内部反射，开路电压达到700mV，填充因子82%，效率达到23.7%。而在今年三月份的SiliconPV会议上，其公布的采用TOPCon技术的最新效率为24.9%。而相比PERL结构电池，TOPCon技术无需背面的开孔及对准。

在上述设计中，FraunhoferISE只是将TOPCon技术用于正面。2014年，该研究机构公布了正反两面钝化接触的设计，实现了我们上文介绍的选择性接触电池结构。采用p型FZ硅片，250μm厚度，无需扩散，正反两面直接化学生长1.4nm氧化层，分别沉积15nm掺磷和掺硼的非晶硅，之后退火。正面采用溅镀ITO，蒸镀Ti/Pd/Ag叠层栅线，背面蒸银作为背面电极。该电池设计开路电压达到692.4mV，填充因子达到79.4%。由于退火温度的不同，这里沉积的非晶硅并未结晶为多晶硅，而是达到了类似薄膜硅电池中的微晶硅形态。但由于正面并未制绒，以及类似HIT电池中的正面ITO和微晶硅层的吸收，其短路电流只有31.6mA/cm2，效率17.3%。不过研究人员还特别对比了正面多晶硅和微晶硅的吸收，同厚度的微晶硅的吸收比非晶硅小最多两倍。因此研究人员认为通过后续优化，这一结构有望成为可以与HIT竞争的另一种选择性接触电池的设计。

双面采用钝化接触技术的选择性接触电池结构

美国国家可再生能源实验室（NREL）

NREL同样采用了氧化硅和多晶硅薄膜，其首先在n型硅片正面扩散p型发射极，之后使用KOH平整背面，接下来采用700C热生长或者硝酸化学方法制作约1.5nm厚度的二氧化硅层。之后在之上PECVD沉积几十纳米厚的高掺杂非晶硅(a-Si：H)。通过约850°C的退火处理，非晶硅薄层结晶为多晶硅，之后再经过450°C氮氢混合气氛退火(FGA)，加强表面钝化。最后背面整面金属化。

NREL称SiO2和多晶硅层对钝化接触的性质都有影响。通过850°C的非晶硅重结晶过程后，化学和热生长得到的氧化层可以得到相似的钝化效果，隐开路电压(ImpliedVoc)可以达到700mV以上，暗饱和电流(DarkSaturationCurrent)低于10fA/cm2，接触电阻约为20m-cm2。不过NREL认为高掺杂多晶硅/氧化硅/硅接触的良好品质的机理尚未完全弄清，良好的表面钝化可能来自氧化硅的化学钝化效果以及高掺杂多晶硅的场致钝化效果，良好的导电率则来自缺陷辅助隧穿机制以及氧化层上的微孔。

此外，澳大利亚国立大学(ANU)、美国加州大学(UC)、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)等研究机构也都在这一领域进行研究，探索不同的钝化材料和结构。

综上，背面钝化接触太阳能电池的优点包括(1)优良的背面钝化效果，彻底根除了背面金属与硅的直接接触，提高开路电压，而这被认为是目前太阳能电池主要的复合损失，而这是传统铝背场和PERC结构都无法避免的;(2)无需复杂的钝化层开口工艺。如果将钝化接触技术用于正面还可以省去扩散掺杂工艺，防止扩散影响高品质硅片的载流子寿命，但也会面临与HIT电池类似的正面寄生吸收问题，因此寻找吸光更少的钝化薄膜材料也是当前研究的热点之一。

展望

还记得选择性发射极刚刚兴起的时候，这一技术解决了银浆需要低方阻区域形成欧姆接触，而方阻太低复合过高之间的矛盾。虽然需要额外的工艺进行不同区域的扩散，后续工艺也需要额外对准，但仍被给予厚望，并被尝试采用。可随着浆料的改进，正面银浆可以与方阻越来越高的硅形成良好的接触，均一发射极扩散浓度整体降低，不但解决了选择性发射极针对的问题，还避免了复杂的工艺，因此迅速得到推广和采用，选择性发射极技术如今也不像昔日那般受人追捧。

背面是否会经历类似的道路呢，PERC和PERL结构虽然部分解决了背面钝化的问题，但如何形成局部接触仍然给传统丝网印刷产线带来不小的调整。反观钝化接触技术，虽然无需开孔使电池背面的结构更加价单，但传统晶硅电池制造商缺乏钝化接触技术所需要的薄膜沉积及结晶的产业经验，简单的结构并不一定意味着简单的生产。背面钝化接触技术能否后来居上，而选择性接触电池家族由于双面钝化接触电池的加入也更加让人期待，这一技术有能力跟HIT一争高下吗，让我们一起拭目以待。

特别需要指出的是，在市场需求和成本结构变换的多重影响下，即使是FirstSolar这样的薄膜大厂近年来也通过收购Tetrasun布局晶硅电池和组件。国内的薄膜光伏制造商是否有类似的打算呢?凭借在非晶硅薄膜沉积和结晶方面人才、技术和设备的积累，钝化接触技术或者其他选择性接触技术也许是国内薄膜光伏制造商切入晶硅领域的不错的技术切入点。