摘要：

以金剛線切割的多晶硅片為基礎(chǔ)，正面是低反射率的亞微米級絨面，結(jié)合SiOx/SiNx薄膜保證正面的鈍化效果。背面采用AlOx/SiNx疊層鈍化，形成PERC電池結(jié)構(gòu)，大大改善背表面的鈍化效果。低反射率的亞微米級絨面使得高效多晶電池具有明顯的短路電流增益。SiOx/SiNx薄膜又能夠使得正面的表面積增加的情況下，鈍化效果不降低。背面PERC結(jié)構(gòu)一方面提高了背面長波段的光譜響應(yīng)，同時背面的背反射改善了長波段太陽光的利用次數(shù)。這種高效電池結(jié)構(gòu)保證了優(yōu)越的短路電流、開路電壓和填充因子，最終獲得了高轉(zhuǎn)換效率。

1、概述

近年來單晶技術(shù)的多項進步（切割及高效電池）使得成本大為降低，對以性價比優(yōu)勢主導(dǎo)市場的多晶產(chǎn)品構(gòu)成了壓力。

晶體硅采用電鍍金剛線或樹脂金剛線進行切割的，其優(yōu)點為表面損傷少、潔凈度高、幾何參數(shù)優(yōu)、機械不良率低等特點，切割過程環(huán)保等。金剛線切片具備成本優(yōu)勢：①切縫損失小，硅料利用率高，單公斤出片數(shù)可以達到53片以上。②單片金剛線消耗低于砂漿消耗成本及產(chǎn)能高能夠降低折舊費用。金剛線加工最主要的優(yōu)勢為切割效率可提升20%-40%，切割成本可降低15-20%；按照當(dāng)前的硅料及硅片價格，金剛線切割多晶的成本較砂漿加工，單片成本約降低0.3-0.4元。

行業(yè)樹脂金剛線多晶小規(guī)模量產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示合格率可以達到95%左右，切割工藝較為穩(wěn)定。樹脂金剛線切割已經(jīng)逐步解決了斷線、切割臺速低、碎片率高等問題。

金剛線切多晶硅片由于表面損傷層淺使用常規(guī)酸制絨反射率高達40%以上，轉(zhuǎn)化效率低等問題。黑硅技術(shù)可以解決硅片的絨面難題，并大幅提升電池端轉(zhuǎn)化效率。ITRPV機構(gòu)預(yù)測2016年金剛線硅片比例：多晶由2015年5%到2016年增加至10%；單晶由2015年35%到2016年增加至50%。金剛線切片市場前景廣闊。

2、高效電池的路線

高效電池需要克服的問題：（1）增大捕獲入射光的吸收；（2）減少光生少子在體內(nèi)、表面的復(fù)合；（3）減少電極接觸電阻；

方面1：光在硅中的吸收深度如圖1所示，短波主要在硅電池上表面1μm深度內(nèi)吸收，長波則能穿透更深的距離。黑硅及背鈍化技術(shù)可以提升硅電池的短波及長波吸收，提升量子效率。


方面2：體復(fù)合和表面復(fù)合都是重要的，背鈍化主要為降低背面復(fù)合速率提升少子壽命及開路電壓。

方面3：減小正面電極的電阻損耗往往需要和減小正面電極的遮光面積之間進行平衡。其中在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最成熟的是多主柵及密柵電池技術(shù)。

本文結(jié)合黑硅的表面狀態(tài)及背鈍化技術(shù)進行分析，探討組件功率提升的完全商業(yè)可行的技術(shù)。

2.1黑硅技術(shù)簡介

造成常規(guī)多晶效率低于單晶效率主要為多晶酸制絨在（300-450nm）的反射率較高，如何才能降低這部分的損失？

將材料表面加工成介于微米-納米級的微孔即可有效降低硅反射率從而提高短波的光吸收[1-5]。黑硅電池，核心是通過刻蝕技術(shù)，一方面在常規(guī)硅片表面制絨的基礎(chǔ)上形成納米級的小絨面，從而加大陷光的效果降低反射率，增加對光的吸收；另一方面，通過二次刻蝕來降低表面復(fù)合，從而將常規(guī)電池的轉(zhuǎn)換效率絕對值提高。


主流黑硅技術(shù)為干法制絨的離子反應(yīng)法（ReactiveIonEtching，RIE）及濕法制絨的金屬催化化學(xué)腐蝕法（metalCatalyzedChemicalEtching，MCCE），干法黑硅設(shè)備以常州比太科技為主，濕法黑硅設(shè)備以阿特斯和尚德以自我改造為主。

干法黑硅與濕法黑硅的差別：干法黑硅屬于單面制備，濕法為兩面制備；前者受設(shè)備參數(shù)影響較大，后者受硅片質(zhì)量及工藝條件影響較大。

黑硅技術(shù)可以將制絨后反射率做的很低，但是需要平衡載流子復(fù)合及鈍化才能能實現(xiàn)效率的有效提升。

行業(yè)內(nèi)常規(guī)電池效率疊加黑硅技術(shù)電池轉(zhuǎn)化效率可以達到18.9-19.0%，組件功率可以達到270W功率檔。


2.2背鈍化技術(shù)簡介

鈍化發(fā)射區(qū)背面（Passivatedemitterrearcontact，PERC）技術(shù)，通過在電池的背面添加一個電介質(zhì)鈍化層來提高電池的轉(zhuǎn)換效率。該技術(shù)在常規(guī)電池的背表面制備SiO2、Al2O3、SiNx鈍化膜，將p-n結(jié)間的電勢差最大化，這就可以使電流更加穩(wěn)定，降低了電子的復(fù)合，從而提升電池效率。

Al2O3薄膜具有極低的界面缺陷和較高的固定負電荷密度，能夠提供良好的表面鈍化效果；鍍膜或進行激光開槽，使光生電流通過該窗口被背面鋁層收集[6-10]。


背面疊層結(jié)構(gòu)材料折射率為硅3.9，氮化硅2.1，氧化鋁1.6；背面的疊層結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)：

①光從光密到光疏介質(zhì)時在一定角度都可以形成全反射，增大光反射的幾率。

②PREC結(jié)構(gòu)中間多一層疊層膜，增加紅光吸收減少穿透損失。

目前PERC電池的制備以P或N型單晶硅為主，對硅片襯底的電阻率和少子壽命提出了更高的要求。一般要求少子壽命高于100us。其光致衰減（LID）與普通單晶硅電池?zé)o明顯差別，如果采用摻鎵（Ga）技術(shù)，能夠進一步降低LID效應(yīng)。

PERC技術(shù)在2014年開始成熟，多晶硅電池可提升轉(zhuǎn)化效率0.5%，單晶硅電池可提升1%。預(yù)計2018年P(guān)ERC電池將占晶硅太陽電池總產(chǎn)能的30%以上。

2.3效率提升瓶頸

黑硅以其極低的反射率為制造高效太陽能電池提供了可能性，但在制備過程中會引入的大量表面缺陷并在硅表面形成表面態(tài)密度，作為復(fù)合中心導(dǎo)致載流子壽命大大減小[3-4]。因此，黑硅太陽能電池的制造過程，有效的表面鈍化不可或缺。

2.3.1前表面鈍化

目前主流多晶的擴散均使用淺結(jié)高方阻工藝，結(jié)深為0.3μm左右；PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生的載流子經(jīng)過相對較長的距離才能被電極收集到。黑硅絨面腐蝕坑的深度及開口大小會對載流子橫向輸運造成影響；

前表面結(jié)合二氧化硅及氮化硅膜，界面態(tài)密度降低至1-2×1012/cm2量級，即可實現(xiàn)良好的鈍化效果。行業(yè)經(jīng)驗認為開孔寬度在400±50nm，深度在180±50nm適合電池效率的提升。


2.3.2背表面鈍化

根據(jù)復(fù)合理論，復(fù)合率越高少子擴散長度越短，開路電壓也就越低。良好的背面鈍化效果有益于提升電參的開壓、短路電流及填充因子，進而提升電池轉(zhuǎn)化效率。


目前的鋁背面場可以提供一定的場鈍化效果，但Al作為受主雜質(zhì)在硅材料內(nèi)部的固溶度較低，鋁背場提供的場鈍化效果比較弱。AlOx/SiNx鈍化薄膜，一方面AlOx薄膜內(nèi)部的固定負電荷密度較高，能夠提供較強的場鈍化能力；另一方面，在高溫?zé)Y(jié)過程中，AlOx與P型硅基片界面能夠形成一層1~2nm厚的SiOx層，起到介質(zhì)鈍化的作用。AlOx/SiNx疊層薄膜能夠?qū)⑸贁?shù)載流子的表面復(fù)合速率降低到10cm/s。

對于P型基底高效電池結(jié)構(gòu)，如PERC、PERL、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx疊層鈍化薄膜為基礎(chǔ)。背面鍍完膜后進行局部的激光剝離出硅基片和背面鋁層的接觸窗口，背面的光生電流通過該窗口被背面鋁層收集。目前PERC電池技術(shù)已經(jīng)成為熱門的高效量產(chǎn)技術(shù)。

存在的問題：背鈍化技術(shù)在多晶應(yīng)用上的困境為主流P型硅的硼氧復(fù)合對導(dǎo)致的光致衰減比較大。有些設(shè)備廠家正在著手從設(shè)備設(shè)計上實現(xiàn)降低P型多晶的衰減。

2.3.3技術(shù)匹配

由于金剛線切割硅片損傷層一般小于5微米，優(yōu)于砂漿切片的損傷[11-12]；裸片測試少子壽命＞1.4μs，普通砂漿片少子壽命＞1.2μs；由于損傷層的不同，金剛線濕法黑硅的工藝需考慮電學(xué)及光學(xué)的性能，最終實現(xiàn)效率提升[13]。

背鈍化技術(shù)能鈍化黑硅的表面[9-10]，行業(yè)內(nèi)金剛線加工多晶硅片在黑硅及背鈍化技術(shù)的結(jié)合下可實現(xiàn)量產(chǎn)效率突破20%，60片規(guī)格組件功率可以達到285W，可以滿足領(lǐng)跑者認證計劃的效率目標。

根據(jù)界面態(tài)缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合，我們認為濕法黑硅在硅片背面拋光，例如通過刻蝕深度及少子壽命優(yōu)化，然后進行氧化鋁及氮化硅的復(fù)合鈍化，其與干法相比的效率差異會縮小。隨著黑硅工藝的推廣，金剛線切多晶硅片的比例將逐步增加。

3、小結(jié)
多晶硅片在金剛線切割+黑硅技術(shù)+背鈍化技術(shù)的匹配下，優(yōu)越的光吸收帶來電流增益，良好的鈍化實現(xiàn)開壓提升，最終實現(xiàn)"1+1>2"的效果。

多晶電池效率可以突破20%，60片組件功率達到285W；制造商為了維持稼動率并取得較佳的利潤，會更加重視高效市場的需求，也會持續(xù)發(fā)展PERC、黑硅等技術(shù)。高效技術(shù)的結(jié)合促進光伏發(fā)電平價上網(wǎng)，擴大市場占有量的目的。

參考文獻

（1）蘇曉東，代智華，鄒帥，韓長安，辛煜，王栩生，章靈軍 《全液相法制備納米黑硅材料及其太陽電池》。第八屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電研討會論文集，463，2012年

（2）鄧彤，劉愛民，李葛亮，李永祥，竇智《黑硅的表面態(tài)研究》 中國科技論文在線 2013年4月-

（3）岳之浩 《黑硅和黑硅太陽電池的制備和性能的分析》南京航空航天大學(xué) 博士論文 2013年9月

（4）郭婉《黑硅太陽能電池制備與表面鈍化的研究》大連理工大學(xué) 碩士論文 2013年9月

（5）余超 《黑硅太陽能電池的工藝研究》北京交通大學(xué) 碩士論文 2014年6月

（6）朱彥斌，梁宗存，陳達明，沈輝 《晶體硅電池表面鈍化技術(shù)進展》中國光伏大會暨展覽會，2010年7月

（7）趙素香、張松 、王振交、李果華 、季靜佳《PERC 結(jié)構(gòu)多晶硅太陽電池的研究》 2012年 半導(dǎo)體技術(shù)第 37 卷第 12 期939-942

（8）賀強 《背面拋光及鈍化多晶硅太陽能電池研究》 北京交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 2013年6月

（9）孫昀、賈銳、孟彥龍、王仕建、金智、劉新宇 《用于高效硅太陽電池的原子層沉積Al2O3表面鈍化特性研究》 《太陽能》 2013年06期

（10）梁宗存，王殿磊，朱彥斌 《高效太陽電池硅襯底特性對原子層沉積Al2O3薄膜鈍化性能的影響》 《半導(dǎo)體學(xué)報》, 2014, 35(5):054002-6

（11）周肅，周春蘭，王文靜，湯葉華，陳靜偉 《硅片切割工藝對表面損傷層結(jié)構(gòu)及堿制絨工藝的影響》 《中國光伏大會》2013年

（12）雷登輝，郭永剛，董鵬 《金剛線切割對太陽能電池效率影響研究》《中國化工貿(mào)易》2014年 138-140

（13）曹芳《金剛石線鋸切割多晶硅表面制絨方法的研究》 蘇州大學(xué) 碩士論文 2015年5月