中國科學院微電子研究所太陽能電池研究中心 賈銳

光伏作為新能源的一種，受到了各國的極大重視。如何對現有常規P型晶體硅技術進行升級改造，提升效率和降低成本，是各廠家必須面對的問題。目前首要解決的問題就是要降低新電池成本、保持高效，以便大規模應用。現在為降低成本所研究的高效電池主要是從減少表面陷光、表面遮光損耗等幾個方面入手。為了減少表面遮光就要把柵線做得很細，但是細的柵線又會使得電極接觸電阻增加，同時也增加了工藝難度，所以早在20世紀70年代就有人提出背接觸太陽能電池的概念。該技術基本消除了正面柵線電極的遮光損失，更加充分地利用了光照，提高了電池效率。同時，背接觸電池還將電池的兩極從背面引出，降低了封裝難度，簡化了制作工藝，使得電池更加美觀。MWT和EWT是背接觸電池的二種形式，屬于前結電池形式，發射極位于電池正面，有利于更多載流子的收集。MWT和EWT不完全依賴于柵線收集載流子，主要是通過對襯底打孔，通過不同的方式向孔洞中填充金屬或者重擴，實現前后發射極間的電流傳輸，與傳統電池相比，減小了正面的遮光面積，還不影響正面載流子的收集，從而提高了電池效率。本文將從這兩種高效晶硅太陽能電池的結構及其關鍵技術做進一步的分析和介紹。

MWT和EWT提效率、降成本

MWT(Metal Wrap-Through)即金屬電極環繞穿通電池，MWT電池將電池正面收集的電子通過孔洞中的金屬轉移至電池背面。它不再需要在電池正面制作“母線”，因此電池表面就有更大面積來收集光子并將其轉化為電能。德國研究人員Fraunhofer等已經制備出17.1%的MWT電池，還有荷蘭研究機構研究的多晶MWT電池效率也達到了17%。但是MWT電池中金屬化孔洞的制備和電級間的分流仍然是MWT發展需要優化的難題。

EWT(Emitter Wrap-Through )即發射極環繞穿通電池，它是MWT電池的改進版，兼具了IBC電池與MWT電池的優點。此外EWT的孔洞導通一般是通過重擴的方法來實現的，一方面把電池正面發射極和背面局部發射極連接在一起，另一方面重擴還可以降低接觸電極的接觸電阻。這樣通過重擴的孔洞將前表面發射極引入背面，實現把前表面收集的電子傳導到背電極上，電池的P型電極和N型電極的細柵全部交叉排列在電池背面，簡化了封裝工藝。前表面依然采用優良的金字塔結構和減反射膜，以減少光的反射損失，從而達到了提高電池效率的目的。

與傳統電池相比較，MWT和EWT的優點包括：(1)降低或完全消除了正面網格的遮光，增大了受光面積，故可以提高光電流的密度；(2)由于正負電極均位于電池背面，可簡化電池封裝工藝，更容易實現自動化，并且可以調節背面基極和發射極所占的面積比例，降低電極的接觸電阻；(3)用孔洞將前后發射極連接在一起，對于低少子壽命的硅襯底仍可以獲得較高的短路電流，可以降低對襯底的要求，低品質的薄基硅片更能體現MWT和EWT太陽電池結構的優越性；(4)實現從電池的前結和背結雙結共同收集電荷，故有很高的電荷收集率。此外，薄的硅片因為減少了電荷的傳輸路徑，降低了孔電阻，也可以提高電池的填充因子。

激光打孔技術應用日趨廣泛

簡化工藝是MWT和EWI電池制備的發展趨勢。首先從打孔技術看，MWT和EWT電池的制備都需要打孔，MWT中的金屬化孔洞主要起到連接前后兩面發射極的作用，主要收集載流子的還是表面柵線。而EWT對打孔的要求更高，它表面沒有一點遮光的柵線，全部都是通過孔洞來收集載流子并且傳輸到背面的發射極上，單位面積上孔的數目更是遠大于MWT。早期有用化學腐蝕、光刻和激光刻槽的方法進行孔的制備，這些方法工藝繁瑣而且成品率也不夠高，但后來隨著激光技術的發展，現在大量生產的MWT和EWT都用激光打孔技術，尤其是有些多晶電池的制備，用化學腐蝕方法制孔很難得到大小均勻的孔洞，而且現在成熟的激光技術在打孔后可以改善Si材料的本身性質，所以現在量產的MWT和EWT都采用激光技術。

不論MWT還是EWT其孔徑都在30微米～100微米之間，成熟的激光技術對于孔徑和孔壁的均勻性都有比較理想的表現，在MWT電池的晶片上，其孔洞的數目大約在100個～300個左右；在EWT的晶片上現在標準都是每1毫米的間隔有1個孔。目前對EWT打孔存在的困難主要在于縮短打孔時間、提高成功率和無損傷等方面，所以對激光的頻率和重復率要求更高。

制絨改善表面反射率

與傳統電池一樣，MWT和EWI電池都需要在表面進行制絨。制絨的主要目的是將其表面的反射率降到10%以下。制絨的方法很多，包括激光刻槽技術、反應離子刻蝕技術、掩膜刻蝕法、電化學腐蝕、化學腐蝕法等。

在MWT和EWT中有用酸腐蝕的，也有用堿腐蝕的，因為這兩種類型的電池對襯底的要求都不高，既有多晶也有單晶，所以不同襯底可以選擇各自適當的方法，但不論哪種腐蝕都可以改善激光打孔對硅片帶來的損害，減小激光打孔對孔壁高溫灼燒的影響，為制備電池之后的工藝打下良好的基礎。

現在MWT和EWT在制絨中采用金字塔、納米柱、倒金字塔等絨面設計，其中陷光效果最好的是納米柱結構，它不僅改變了硅的表面形貌，還增強了可見光的吸收。

濕法擴散可增加均勻度

擴散是制備太陽能電池的核心步驟，通過擴散可在硅襯底上形成PN結。企業里通常使用的方法是濕法擴散，用POCl3作為磷源，BBr3作為硼源。金屬化孔洞填充存在的問題是經過高溫燒結后很難形成連續的通道，所以EWT要求孔洞中進行重擴降低接觸電阻，并以此來作為電流傳輸的通道。

現在量產MWT和EWT通常采用的是濕法擴散，擴散濃度越高其表面的方塊電阻就會相應減小，如果襯底是P型硅片，進行磷擴散，通常用的濕法擴散是將兩片硅片緊貼在一起，在850℃的擴散爐里用液態POCl3進行磷擴散，如果擴散時間分別為90分鐘左右的話，用四探針法進行測量，擴散硅片的方塊電阻在R=20～30Ω/sq的范圍內，之后用10%的HF去除硅片表面的磷硅玻璃，再用大量的冷、熱去離子水進行沖洗，其優點就是擴散得比較均勻。

另外，制備EWT電極時還可用Al-P共擴散的方法，與傳統方法一樣都是要先用激光打孔，在電池背面同時用絲印的方法印上有P和Al的叉指電極，面積比約為1∶1，然后一起放進燒結爐里進行燒結，這樣可大大節省工藝步驟，但是由于激光損傷和表面沒有鈍化，使得表面復合略顯增加而且效率也只有10%，所以這個工藝還有一些參數需要去改善，例如背電極、激光參數等都還需要優化。

實驗室中對MWT和EWT的擴散也有用干法擴散的，其磷源片種類很多，主要成分有磷酸鑭、CeP5O14、SiP2O7幾種，硼源片的主要成分有B2O3、BN和SiO2的混合物兩種，擴散時在源片的同一石英舟上放上要擴散的硅片，待爐溫加熱至850℃的時候緩慢將石英舟推入恒溫區，并一直通氮氣，P擴散一小時后其方阻約在R=20～30Ω/sq的范圍內，均勻性也較好，而且背面不用做遮擋，但是尾氣是有毒的，需要進行處理。另外，源片的保存是個很重要的問題，要求干燥，而且要定期進行烘干，若保管不善會減少源片的使用壽命。

減反層折射率控制在2.3左右

晶體硅太陽電池中少數載流子的復合導致了光生載流子的損失，從而引起了電池效率的降低。而硅片中少數載流子的壽命值在很大程度上受到硅片表面形狀的影響，如果在硅表面加一層氧化層，硅與氧化層之間的內表面上絕大部分硅原子的未飽和鍵都被氧化層中的原子所填補，因而降低表面態密度，這就是鈍化層的作用。

玻璃的折射率n0為1.5，晶體硅的折射率nsi為3.6，最合適的減反射膜的光學折射率經過計算為2.3。所以要想做良好的減反層，折射率就需要控制在2.3左右。

SiO2可以有效地減小表面態，減少表面復合，從而起到鈍化的作用。但是制備SiO2的時候需要高溫條件，長時間的高溫條件易使質量較差的單晶及多晶硅襯底產生缺陷，導致硅片少子壽命的下降，并引起襯底摻雜濃度的再分布。許多有害雜質也會在高溫條件下擴散到硅片體內。早期就有人提出SiNx是理想的減反射膜，而且還可以同時達到表面鈍化和體內鈍化的效果。PECVD法沉積的氮化硅膜的折射率可以通過調節反應氣體的流量進行調整，一般可調范圍在1.9～2.5之間。SiNx薄膜還有著卓越的抗氧化和絕緣性能，同時具有良好的阻擋鈉離子、掩蔽金屬和水蒸氣擴散的能力。這些優點是其他鈍化膜所不能比擬的，因此是一種用作晶體硅太陽電池減反射及鈍化薄膜的理想材料。

熱生長的SiO2由于其良好的致密性，具有很好的表面鈍化作用，而PECVD法沉積SiNx膜對硅片的表面和體內都有一定的鈍化作用。由于短波長的光在電池的上表面很小的薄層內有很大的吸收，因此為了更好地降低電池的上表面復合速率，提高電池的短波響應，同時結合熱生長SiO2的表面鈍化特性以及PECVD法沉積SiNx良好的減反射以及體鈍化特點，硅片表面先生長一層SiO2薄膜，然后在SiO2薄膜上生長一層SiNx。這也是因為SiNx與硅片的附著力不好，容易脫落，通常SiNx中含有電荷，當作為P型鈍化的時候有可能會形成一個反型的通道，所以對于N型鈍化有理想的效果。

背電極制備以絲網印刷技術為主流

MWT和EWT的基極和發射極都在背面，這就要求兩個電極盡可能接近但又不能短路。早期用光刻的方法，但工藝繁瑣、成本相對較高，后來隨著絲網印刷技術的發展，在制備MWT電極的時候大多采用絲網印刷技術。

MWT需要用絲網印刷技術在前后表面絲印母線和細柵線電極，并且可以填充孔洞，這些都是影響MWT電池性能的直接因素。現在大多數電池的絲網印刷采用銀漿來做電極，因為銀有良好的導電性，為了降低成本也有用鋁漿或者銀鋁漿的。MWT對漿料也有很多要求，首先是要有良好的黏附性，在絲印的過程中要保證漿料把孔洞填滿，不能有縫隙；其次要求高溫燒結的過程中不能有太大的收縮，以免從孔壁上脫落下來，裂縫和過度收縮都會大大增加電池的串聯電阻。

通過優化漿料金屬化的工藝過程，已可獲得效率達到16%的多晶硅MWT電池。2010年也有研究人員用絲印的方法制備EWT電池，在單晶襯底上作出了16%轉換效率。