2017年04月26日   来源： 摩尔光伏

摘要：

　　以金刚线切割的多晶硅片为基础，正面是低反射率的亚微米级绒面，结合SiOx/SiNx薄膜保证正面的钝化效果。背面采用AlOx/SiNx叠层钝化，形成PERC电池结构，大大改善背表面的钝化效果。低反射率的亚微米级绒面使得高效多晶电池具有明显的短路电流增益。SiOx/SiNx薄膜又能够使得正面的表面积增加的情况下，钝化效果不降低。背面PERC结构一方面提高了背面长波段的光谱响应，同时背面的背反射改善了长波段太阳光的利用次数。这种高效电池结构保证了优越的短路电流、开路电压和填充因子，最终获得了高转换效率。 

1、概述

　　近年来单晶技术的多项进步（切割及高效电池）使得成本大为降低，对以性价比优势主导市场的多晶产品构成了压力。

　　晶体硅采用电镀金刚线或树脂金刚线进行切割的，其优点为表面损伤少、洁净度高、几何参数优、机械不良率低等特点，切割过程环保等。金刚线切片具备成本优势：①切缝损失小，硅料利用率高，单公斤出片数可以达到53片以上。②单片金刚线消耗低于砂浆消耗成本及产能高能够降低折旧费用。金刚线加工最主要的优势为切割效率可提升20%-40%，切割成本可降低15-20%；按照当前的硅料及硅片价格，金刚线切割多晶的成本较砂浆加工，单片成本约降低0.3-0.4元。

　　行业树脂金刚线多晶小规模量产数据显示合格率可以达到95%左右，切割工艺较为稳定。树脂金刚线切割已经逐步解决了断线、切割台速低、碎片率高等问题。

金刚线切多晶硅片由于表面损伤层浅使用常规酸制绒反射率高达40%以上，转化效率低等问题。黑硅技术可以解决硅片的绒面难题，并大幅提升电池端转化效率。ITRPV机构预测2016年金刚线硅片比例：多晶由2015年5%到2016年增加至10%；单晶由2015年35%到2016年增加至50%。金刚线切片市场前景广阔。 

2、高效电池的路线

　　高效电池需要克服的问题：（1）增大捕获入射光的吸收；（2）减少光生少子在体内、表面的复合；（3）减少电极接触电阻；

　　方面1：光在硅中的吸收深度如图1所示，短波主要在硅电池上表面1μm深度内吸收，长波则能穿透更深的距离。黑硅及背钝化技术可以提升硅电池的短波及长波吸收，提升量子效率。

　　方面2：体复合和表面复合都是重要的，背钝化主要为降低背面复合速率提升少子寿命及开路电压。

　　方面3：减小正面电极的电阻损耗往往需要和减小正面电极的遮光面积之间进行平衡。其中在工业化生产中应用最成熟的是多主栅及密栅电池技术。

　　本文结合黑硅的表面状态及背钝化技术进行分析，探讨组件功率提升的完全商业可行的技术。

　　2.1黑硅技术简介

　　造成常规多晶效率低于单晶效率主要为多晶酸制绒在（300-450nm）的反射率较高，如何才能降低这部分的损失？

　　将材料表面加工成介于微米-纳米级的微孔即可有效降低硅反射率从而提高短波的光吸收[1-5]。黑硅电池，核心是通过刻蚀技术，一方面在常规硅片表面制绒的基础上形成纳米级的小绒面，从而加大陷光的效果降低反射率，增加对光的吸收；另一方面，通过二次刻蚀来降低表面复合，从而将常规电池的转换效率绝对值提高。

　　主流黑硅技术为干法制绒的离子反应法（ReactiveIonEtching，RIE）及湿法制绒的金属催化化学腐蚀法（MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE），干法黑硅设备以常州比太科技为主，湿法黑硅设备以阿特斯和尚德以自我改造为主。

　　干法黑硅与湿法黑硅的差别：干法黑硅属于单面制备，湿法为两面制备；前者受设备参数影响较大，后者受硅片质量及工艺条件影响较大。

　　黑硅技术可以将制绒后反射率做的很低，但是需要平衡载流子复合及钝化才能能实现效率的有效提升。

　　行业内常规电池效率叠加黑硅技术电池转化效率可以达到18.9-19.0%，组件功率可以达到270W功率档。

　　2.2背钝化技术简介

　　钝化发射区背面（Passivatedemitterrearcontact，PERC）技术，通过在电池的背面添加一个电介质钝化层来提高电池的转换效率。该技术在常规电池的背表面制备SiO2、Al2O3、SiNx钝化膜，将p-n结间的电势差最大化，这就可以使电流更加稳定，降低了电子的复合，从而提升电池效率。

　　Al2O3薄膜具有极低的界面缺陷和较高的固定负电荷密度，能够提供良好的表面钝化效果；镀膜或进行激光开槽，使光生电流通过该窗口被背面铝层收集[6-10]。

　　背面叠层结构材料折射率为硅3.9，氮化硅2.1，氧化铝1.6；背面的叠层结构可以实现：

　　①光从光密到光疏介质时在一定角度都可以形成全反射，增大光反射的几率。

　　②PREC结构中间多一层叠层膜，增加红光吸收减少穿透损失。

　　目前PERC电池的制备以P或N型单晶硅为主，对硅片衬底的电阻率和少子寿命提出了更高的要求。一般要求少子寿命高于100us。其光致衰减（LID）与普通单晶硅电池无明显差别，如果采用掺镓（Ga）技术，能够进一步降低LID效应。

　　PERC技术在2014年开始成熟，多晶硅电池可提升转化效率0.5%，单晶硅电池可提升1%。预计2018年PERC电池将占晶硅太阳电池总产能的30%以上。

　　2.3效率提升瓶颈

　　黑硅以其极低的反射率为制造高效太阳能电池提供了可能性，但在制备过程中会引入的大量表面缺陷并在硅表面形成表面态密度，作为复合中心导致载流子寿命大大减小[3-4]。因此，黑硅太阳能电池的制造过程，有效的表面钝化不可或缺。

　　2.3.1前表面钝化

　　目前主流多晶的扩散均使用浅结高方阻工艺，结深为0.3μm左右；PN结区产生的载流子经过相对较长的距离才能被电极收集到。黑硅绒面腐蚀坑的深度及开口大小会对载流子横向输运造成影响；

　　前表面结合二氧化硅及氮化硅膜，界面态密度降低至1-2×1012/cm2量级，即可实现良好的钝化效果。行业经验认为开孔宽度在400±50nm，深度在180±50nm适合电池效率的提升。

　　2.3.2背表面钝化

　　根据复合理论，复合率越高少子扩散长度越短，开路电压也就越低。良好的背面钝化效果有益于提升电参的开压、短路电流及填充因子，进而提升电池转化效率。

　　目前的铝背面场可以提供一定的场钝化效果，但Al作为受主杂质在硅材料内部的固溶度较低，铝背场提供的场钝化效果比较弱。AlOx/SiNx钝化薄膜，一方面AlOx薄膜内部的固定负电荷密度较高，能够提供较强的场钝化能力；另一方面，在高温烧结过程中，AlOx与P型硅基片界面能够形成一层1~2nm厚的SiOx层，起到介质钝化的作用。AlOx/SiNx叠层薄膜能够将少数载流子的表面复合速率降低到250px/s。

　　对于P型基底高效电池结构，如PERC、PERL、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx叠层钝化薄膜为基础。背面镀完膜后进行局部的激光剥离出硅基片和背面铝层的接触窗口，背面的光生电流通过该窗口被背面铝层收集。目前PERC电池技术已经成为热门的高效量产技术。

　　存在的问题：背钝化技术在多晶应用上的困境为主流P型硅的硼氧复合对导致的光致衰减比较大。有些设备厂家正在着手从设备设计上实现降低P型多晶的衰减。

　　2.3.3技术匹配

　　由于金刚线切割硅片损伤层一般小于5微米，优于砂浆切片的损伤[11-12]；裸片测试少子寿命＞1.4μs，普通砂浆片少子寿命＞1.2μs；由于损伤层的不同，金刚线湿法黑硅的工艺需考虑电学及光学的性能，最终实现效率提升[13]。

　　背钝化技术能钝化黑硅的表面[9-10]，行业内金刚线加工多晶硅片在黑硅及背钝化技术的结合下可实现量产效率突破20%，60片规格组件功率可以达到285W，可以满足领跑者认证计划的效率目标。

　　根据界面态缺陷导致的载流子复合，我们认为湿法黑硅在硅片背面抛光，例如通过刻蚀深度及少子寿命优化，然后进行氧化铝及氮化硅的复合钝化，其与干法相比的效率差异会缩小。随着黑硅工艺的推广，金刚线切多晶硅片的比例将逐步增加。

3、小结

　　多晶硅片在金刚线切割+黑硅技术+背钝化技术的匹配下，优越的光吸收带来电流增益，良好的钝化实现开压提升，最终实现"1+1>2"的效果。

多晶电池效率可以突破20%，60片组件功率达到285W；制造商为了维持稼动率并取得较佳的利润，会更加重视高效市场的需求，也会持续发展PERC、黑硅等技术。高效技术的结合促进光伏发电平价上网，扩大市场占有量的目的。