效率超过20% 量产PERC电池是怎样炼成的？

受益于氧化铝钝化硅表面技术的革新，最近钝化发射极和背表面电池(PERC: Passivated Emitter and Rear Cell)概念在硅光伏工业领域显示出了复苏迹象，并推动了P型太阳能级单晶硅片(单晶硅)的应用，同时，太阳能电池转换效率在过去两年间突破了20%。而晶澳太阳能通过对工业化生产级别的PERC太阳能电池的不断研发，只需对现有传统背表面场(BSF)电池生产平台稍作改进，便能实现采用P型提拉法硅片太阳能电池的大规模生产，平均效率超过20.5%。不仅如此，实验结果还显示，同样的技术应用在基于种晶定向凝固法制备得到的高质量多晶硅(多晶硅)片的太阳能电池上，并结合陷光技术后，其大规模生产的平均效率也突破了20%。

钝化发射极和背表面电池(PERC)，或者严格地说是钝化发射极和背表面局部扩散(PERL)电池，一直被认为是能在单结硅片上取得高转化效率的电池结构[1]。研究发现，如果传统背表面场太阳能电池的整个背面金属电极被钝化层或叠层以及许多细小局部栅线电极所替代，则背表面的复合速率将会大幅度降低，电池在长波光段(低能量光子)的光谱响应也将有所提高，从而增加短路电流密度。此外，开路电压也将因为短路电流密度的增大和二极管背电极复合电流减小而有所提高[2,3]。通过在背部使用氧化物钝化层和局部扩散电极，结合在前表面采用倒金字塔结构和减反射膜，赵先生和他的合作者[4]在1998年报告了在使用P型浮法型硅片的单结PERC太阳能电池取得了接近25%效率。

从理论上来说，PERC概念的优势在于它不必像叉指型背电极(IBC)和本征薄膜异质结(HIT)电池(可残酷Maruyama等[5]和Mulligan等[6]的文章及其引文)那样对硅片质量有非常高的要求;更重要的是，这一概念还可以应用在P型硅片上，这是光伏行业一直以来主要使用的硅片类型。然而，多年以来，PERC结构概念向大规模工业化生产晶硅太阳能电池的转变受到了严重限制，主要原因是用热氧工艺获得高质量钝化效果的技术非常复杂。此外，还需避免局部扩散工艺在不显著降低硅片质量的前提下制备局部电极，以及控制与电池生产工艺相关的制造成本。

另一方面，氧化铝钝化硅表面技术是由Jaeger&Hezel[7]在将近30年前提出的。由于近年来对低成本高效率太阳能电池的需求的迅速增加，以及硅片价格的稳步降低，AI2O3钝化技术的影响力开始逐步复苏，并得到了更紧密的研究。大量研发团队已经通过实验证明AI2O3薄膜或是AI2O3/SiNx介质叠层能大幅度改善钝化效果，尤其是对于P型硅表面，从而替代常用的高温方法，后者将硅片放置于高温热氧工艺生长设备上进行混合气氛退火以形成表面钝化[8,9]。对AI2O3钝化硅表面的物理机制的理解重新激起了硅光伏研究界对PERC的研发兴趣。在前几年，得益于高产能光伏专用的基于多种沉积方法--例如空间原子层沉积(ALD)方法和等离子增强化学沉积(PECVD)方法的AI2O3沉积设备的出现以及针对光伏工业的适应性改造，已有相当多的工作(例如Kessels&Putkonen等[10]的论文及其引文)投入到了AI2O3薄膜钝化PERC电池背部的研究当中。所有这些工作都加快了PERC概念从实验室研究向大规模工业化生产高质量太阳能电池的转变速度。本文接下来将具体介绍，通过将少量额外工艺步骤--包括AI2O3/SiNx叠层在硅片背面的沉积以及通过脉冲激光开槽的方法制作局部接触电极图案-等加入到主流传统BSF电池生产工艺流程之中，可以将使用商用P型单晶硅片制成的PERC电池的平均效率稳定在20%以上。此外，晶澳太阳能在最近取得的实验结果显示，将同样的技术方法与先进陷光方案相结合，同样可以将使用铸造型多晶硅片制造的PERC电池的平均效率控制在20%左右。

实验详细信

PERC电池实验原料采用的是太阳能级硅片，由掺硼的P型提拉法单晶硅锭切割而成。这些硅片面积采用典型商用尺寸，通常为156mm×156mm，厚度为180±10μm，而体阻抗则均在1.0-3.0Ω-cm之间。

图一显示了PERC电池的器件结构。该电池结构除了背部之外，其余部分均与传统全覆盖BSF电池相同。电池前表面涂覆了一层均匀的发射极(重掺杂n+层)，是在使用各向异性刻蚀法对硅片表面进行制绒后在其上面进行热扩散磷元素掺杂而成的。

在发射极顶部，有一层由PECVD工艺沉积而成的SiNx层，起到减少反射光和对前表面进行钝化的作用;接着还在表面沉积大量与发射极直接接触的金属(Ag)电极栅线。而电池背部则是由AI2O3/SiNx电介质叠层覆盖着的，位于顶部厚度较大的铝层则作为导电电极。电介质叠层的制作过程分成两步，首先是使用ALD或PECVD工艺在裸硅表面沉积一层非常薄的AI2O3(~5-25nm);紧接着使用PECVD工艺沉积一层较厚(≥100nm)的SiN层。

通过脉冲激光工艺在AI2O3/SiNx叠层上划开一系列凹槽可以实现铝与硅片的接触。凹槽图案是预先设计好的，电极只能透过凹槽才能实现与硅片的接触。而重P+掺杂区域正好处于开槽区域下面，因此形成了所谓的局部背表面场(LBSF)。通过该方法，电极数目以及金属电极总面积和硅在Al金属化(形成电接触)期间的溶解都能得到很好控制。

图二的截面SEM(扫描电子显微镜)图展示了一个PERC电池背部的局部电极细节。从图中可以看到，厚厚的Al层通过丝网印刷工艺印刷在硅片背表面上，位于顶部的AI层与其下面的Si衬底没有直接的接触，因为它们被一层AI2O3/SiNx叠层(厚度太薄而无法在图中显示出来)所分开，只是通过一个碗状的凹槽穿透电介质层伸入Si体内部。凹槽区域是由Al与Si由名为“共烧结过程”[11]的快速热处理形成的合金，该结构也被称为LBSF。该结构的特点之一是AI和Si之间的欧姆阻抗非常低。在共烧结过程中，电池前表面丝网印刷Ag栅线也同时在高温条件下穿透SiN与n 发射极直接接触。结果与讨论　　ALD和PECVD这两种工艺都能用于在硅片表面沉积氧化铝薄膜。实验结果显示在金属化之前背表面的复合速率可以被很好地控制在100cm/s以下，而开路电压(iVoc)则在680-690mV之间轻微波动。考虑到本次研究所使用硅片的质量，以及制绒表面远远大于实际硅片面积的情况，这些数据与文献[12](可参考Werner等[13]所写文章及其引文)所报告的结果非常吻合。

单晶硅PERC电池

由于PERC电池背面的表面复合速率已经被大幅度降低，而二极管复合速率也已经通过将金属覆盖面积从传统全BSF的100%降低到只占局部BSF背面一小部分区域得到了大幅度降低，使用商用单晶硅片的太阳能电池效率直接提升至了20%以上，远高于全覆盖BSF单晶硅电池的大于19%的基线。图三显示了一块效率为20.25%的PERC太阳能电池[14]以及一块效率为19.1%的全覆盖BSF太阳能电池的归一化外部量子效率(EQE)曲线。图中的绿色区域代表的是标准太阳光谱(大气质量1.5global-AM1.5G)的光通量大小，它由EQE测量光谱的波长决定。

如图三所示，虽然这两个样品在短波光区域的EQE差别不大(因为这两个电池样品在前表面的器件结构是相同的)，但在长波光区域的差异却非常明显。PERC电池在长波光区域的光谱响应有着明显的优势，这是提高电池转换效率非常关键的因素，因为更多被这个波段的光子激发的载流子可以被收集，从而大幅度减少AI2O3背钝化区域附近和金属电极区域的光生载流子复合。图中的黄色区域则描绘了光通量之差(~9.3×1016/cm2)，意味着在一个太阳(AM1.5G)光照的短路连接条件下有更多的载流子流出电池。量子效率的提升不但将短路电流密度(J2sc)提升了大约~1.5mA/cm，同时也将PERC电池的开路电压提高了10.0mV以上。其结果是PERC电池的绝对效率比全覆盖BSF电池高出1%。

为了展示工业研发的真实结果，图四给出了从多次实验中随机抽取的一次实验得到的系列电池参数结果：图中显示了关键电池性能参数，包括开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充因子(FF)和转换效率(η)的变化。在本次实验中，一批总数为400块的全方块单晶硅片被平均分为4组，每组电池都施加不同的工艺条件。从图中可以看出每组电池的平均效率都在20.5%以上。值得注意的是，尽管本次实验中的每个电池片组被施加于稍微不同的工艺条件，但它们却得到了几乎相同的转换率，这表明PERC电池的工艺容错度是相当大的。

多晶硅PERC电池

由定向铸造法制得的多晶硅片因其相对较差的晶格质量，传统上被认为只适合于制造低成本但质量普通的太阳能电池。在过去几年，得益于定向晶粒凝固法的发展，拥有统一晶粒尺寸和较低位错密度的高质量多晶硅硅片已经实现了产业化并商用[15-17]。由这些高质量多晶硅片制得的太阳能电池的效率比正规多晶硅片制得的电池效率平均高出~0.3-0.5%。例如，在晶澳太阳能的大规模生产中使用这种硅片的电池平均转换效率目前能达到~18.0±0.1%。

目前我们将多晶硅太阳能电池基准效率设定为18%。但在2014年上半年，通过在高质量多晶硅片上采用与上述单晶硅电池相同的PERC技术工艺，我们将多晶硅太阳能电池的平均转换效率提高到了19%以上。为了进一步提高电池质量，晶澳太阳能提出了具有先进知识产权的陷光方案，以解决传统多晶硅片酸性制绒表面的高反射率问题。多晶硅电池的平均效率因此得到了逐步提升，最近更是达到了20%以上。

图五显示了从一批这种多晶硅PERC电池上抽取的单块样品测得的I-V特性;其转换效率为20.1%。这批总数为1600片的电池被平均分成4组，图五的内图显示了这些电池的效率分布情况。可以看到图中的电池效率分布较宽散，这对于多晶硅电池来说并不奇怪，主要原因是多晶体的晶格质量变动较大，即便所使用的是高质量硅片。尽管如此，对于硅光伏行业来说大约20%的平均转换效率仍然是值得称道的成绩。

在本实验中，电池的绝对效率提升了1%，主要得益于将具有知识产权的陷光方案集成在硅PERC电池制造流程中;其主要作用是大幅度降低多晶硅电池表面的反射率。图六显示了PERC电池的EQE图和反射曲线，并与效率只有18%的传统多晶硅电池进行比较。从图中可以看出，将陷光方案集成到PERC结构后，在Al金属层的钝化作用下，电池的光谱响应发生了显著改变，从而有效提升电池Isc和Voc。

结论

为了验证电池的设计效果和相应的制造工艺，并判断设备是否能改装成现代大规模生产平台，最重要的是持续提升电池性能和测试电池的可靠性，到目前为止我们进行了多次实验并总共制造了超过100,000片电池。本研究工作中报告的商用版本丝网印刷PERC电池展现了比传统全覆盖BSF电池更优异的性能，不管使用的是单晶硅片还是多晶硅片(用这两种硅片制得的太阳能电池的平均效率分别超过了20.5%和20.0%)。

在PERC电池生产中，依靠在硅电池背部增加AI2O3介质钝化层或者是AI2O3/SiNx叠层，以及激光开槽局部接触电极(LBSF)结构，不需要依赖最高质量的P型硅片就能将电池效率提升1%。不仅如此，该工艺还能用在传统硅太阳能电池制造平台上，并且不必大规模改变电池工艺流程。值得注意的是，通过依靠Al2O3而无需将硅片放置于高温热氧化环境中就能取得优质的钝化效果，这也大大降低了制造晶片硅太阳能电池所需花费的成本。使用短脉冲激光消融接触槽的工艺完全能与丝网印刷电池制造平台兼容。当然，正确选择沉积方法和设备，包括激光消融设备以及将它们顺利地集成到现有电池生产线中，同时优化工艺参数，是能大规模制造PERC电池时的关键所在。幸运的是，得益于高产能AI2O3沉积设备和脉冲激光加工设备的快速发展和商业化，要成功实现上述关键点已经变得容易得多。

最后需要指出的是，目前全球超过90%的光伏组件都是采用晶硅片技术制造的。而这些组件中的大约35-40%又是采用提拉法单晶硅片制造的，剩余60-65%则是采用定向凝固法多晶硅锭制造的。在这些组件中，有超过95%都是采用P型硅片，占据了全球太阳能发电的主导。因此，随着PERC电池性能的持续提升，将PERC器件结构应用在主流P型硅基太阳能电池上将会成为未来数年的主流技术趋势。