太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收利用、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于晶體硅電池而言，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。影響晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個(gè)方面，如圖1所示：

(1)光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、正面電極的遮光損失以及長波段的非吸收透射損失。

(2)電學(xué)損失，包括硅片表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、硅片體電阻、擴(kuò)散層橫向電阻和金屬電極電阻，以及金屬和硅片的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽能電池特性的影響將比較顯著。

圖1.晶體硅電池效率損失模型

2.提高晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的途徑

和晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)制相對(duì)應(yīng)地，為了提高轉(zhuǎn)換效率，主要從減小入射光的反射、減小正面金屬電極遮光、降低電阻損耗、減小載流子復(fù)合幾個(gè)方面著手。

(1)減小入射光反射率：又可分成表面絨面織構(gòu)化和減反射膜兩個(gè)方面。表面絨面織構(gòu)化最典型的應(yīng)用就是堿制絨制備單晶硅電池的金字塔絨面結(jié)構(gòu)。采用選擇性腐蝕NaOH溶液，利用腐蝕液對(duì)各個(gè)晶面腐蝕速率的不同，形成非均勻腐蝕，在硅表面形成類似金字塔形狀的絨面，如圖2A。制得絨面的反射率可達(dá)到10%左右。依靠表面金字塔形的絨面結(jié)構(gòu)，對(duì)光進(jìn)行多次反射，不僅減少了反射損失，而且改變了光在硅中的前進(jìn)方向，延長了光程，增加了光生載流子的產(chǎn)量;曲折的絨面又增加了結(jié)面積，從而增加對(duì)光生載流子的收集率。對(duì)于多晶硅電池而言，由于硅片晶粒晶向的不均勻，無法使用堿制絨。為有效降低絨面反射率，目前已經(jīng)有反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者濕法納米黑硅技術(shù)應(yīng)用到規(guī)?；a(chǎn)中。RIE通常使用SF6/O2混合工藝氣體，在蝕刻過程中，F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF，O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)，如圖2B。其絨面反射率可達(dá)到4%以下。

減反射膜利用光的干涉相消原理，減小入射光的反射。從最開始的單層膜，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的雙層減反射膜和漸進(jìn)式減反射膜。根據(jù)所用鍍膜設(shè)備的不同，管式PECVD通常采用雙層SiNx1/SiNx2減反射膜，板式PECVD則采用漸進(jìn)式減反射膜。由于SiNx薄膜可調(diào)的折射率范圍比較小，相比于單層減反射膜，不管是雙層SiNx1/SiNx2減反射膜，還是漸進(jìn)式減反射膜，對(duì)反射率的降低并不是十分顯著。

(2)減小正面電極遮光損失：新型正面電極結(jié)構(gòu)例如MWT(metalWrapThrough)電池，它通過激光穿孔和灌孔印刷技術(shù)將正面發(fā)射極的接觸電極穿過硅片基體引導(dǎo)到硅片背面，通過16個(gè)電極孔收集光生電流，如圖3所示，直接減少了主柵的遮光面積。在MWT電池組件的封裝技術(shù)中，導(dǎo)電膠的采用將背面正負(fù)極同時(shí)與基板連接，這樣增加堆積密度，不僅方便安全，而且也減少FF損失和提高Jsc(分別大約2.5%和1.6%)。

圖3.MWT電池及其橫截面示意圖

把正面電極遮光減小到極致的是IBC電池，如圖4所示。該技術(shù)在電池背面分別進(jìn)行磷、硼局部擴(kuò)散，形成有指狀交叉排列的P+區(qū)和N+區(qū)，以及相對(duì)應(yīng)的P區(qū)金屬電極和N區(qū)金屬電極。所有的金屬電極都排列在電池背面，因此正面(受光面)完全沒有遮光損失。此外，P+和N+區(qū)接觸電極的覆蓋面積幾乎達(dá)到了背表面的1/2，大大降低了串聯(lián)電阻。

圖4.IBC電池及其結(jié)構(gòu)示意圖

(3)減小電阻損耗：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(jìn)行平衡。其中在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最成熟的是細(xì)柵密柵電池技術(shù)。在不降低正面電極總的印刷漿料增重的前提下，將細(xì)柵線寬度降低，細(xì)柵線數(shù)目增加。細(xì)柵線數(shù)目增加意味著相鄰柵線之間的間距減小，從而橫向電阻降低，同時(shí)不增加遮光面積。多主柵技術(shù)也是減小電阻損耗的主要方式。細(xì)柵線從一端到最近主柵的距離降低，可以減小總的細(xì)柵線電阻。采用多主柵的同時(shí)，主柵的寬度適當(dāng)降低，從而不增加總的遮光面積。另外一個(gè)能夠減小電阻損耗的技術(shù)是二次印刷技術(shù)。該技術(shù)通過套印兩次細(xì)柵線，一方面降低細(xì)柵線的寬度、另一方面還能增加細(xì)柵線的高度，在降低細(xì)柵線電阻損耗提高填充因子的同時(shí)，還能提高電池的短路電流。

(4)減小載流子復(fù)合：最簡便的減小載流子復(fù)合的方式是使用低雜質(zhì)含量、低缺陷密度的高品質(zhì)硅片。最近幾年由于硅片鑄錠工藝的進(jìn)步以及高品質(zhì)多晶硅料的使用，硅片的體少子壽命有很大改進(jìn)。普通多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率也有顯著的提高，目前業(yè)內(nèi)平均轉(zhuǎn)換效率在18.4%左右。

晶體硅電池的擴(kuò)散層屬于摻雜較重的區(qū)域，相比于電池的基底區(qū)域，少數(shù)載流子復(fù)合較為嚴(yán)重。降低擴(kuò)散層的摻雜濃度能夠有效降低少數(shù)載流子復(fù)合，提高電池的開路電壓和短路電流。高阻密柵(高擴(kuò)散方阻、多細(xì)柵線數(shù)目)技術(shù)是目前業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的技術(shù)手段。高阻密柵技術(shù)通過提高電池?cái)U(kuò)散層的方塊電阻，降低擴(kuò)散層的表面摻雜濃度以及總的摻雜濃度，最終提高開路電壓和短路電流。不過由于橫向電阻增加以及表面濃度降低，該技術(shù)需要犧牲一部分填充因子。選擇性發(fā)射極技術(shù)能夠同時(shí)兼顧高擴(kuò)散層方塊電阻以及填充因子，該技術(shù)在電極區(qū)域形成的是重?fù)诫s的N型層，極大降低了與金屬電極的接觸電阻，有益于改善填充因子，同時(shí)在受光區(qū)形成的是輕摻雜的N型層，能有效降低N型層的載流子復(fù)合，改善短波段的光譜響應(yīng)，提高開路電壓和短路電流。2010左右，該技術(shù)在業(yè)內(nèi)曾非常熱門，當(dāng)時(shí)與均勻發(fā)射極電池相比，轉(zhuǎn)換效率能夠提高0.2個(gè)百分點(diǎn)左右。近幾年由于漿料的性能不斷改進(jìn)，選擇性發(fā)射極的優(yōu)勢(shì)越來越小，個(gè)別選擇性發(fā)射極技術(shù)如硅墨技術(shù)、激光選擇性發(fā)射極逐漸被淘汰出局。

對(duì)晶體硅電池而言，提高轉(zhuǎn)換效率的重要途徑是改善前表面以及背表面的鈍化效果。由于P型晶體硅電池的擴(kuò)散層是N型導(dǎo)電層，使用目前的SiNx減反射薄膜內(nèi)帶有固定正電荷，能夠起到良好的場(chǎng)鈍化效果，使用SiOx/SiNx薄膜能夠進(jìn)一步提高界面的介質(zhì)鈍化效果。

在晶體硅電池背面，目前的鋁背面場(chǎng)可以提供一定的場(chǎng)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(chǎng)提供的場(chǎng)鈍化效果比較弱。能夠顯著改善背面鈍化效果的是AlOx/SiNx鈍化薄膜，一方面AlOx薄膜內(nèi)部的固定負(fù)電荷密度較高，能夠提供較強(qiáng)的場(chǎng)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。對(duì)于P型基底，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。許多高效電池結(jié)構(gòu)，如PERC、PERC、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx疊層鈍化薄膜為基礎(chǔ)。與常規(guī)晶體硅電池相比，PERC電池用AlOx/SiNx疊層薄膜替代鋁背場(chǎng)，背面鍍完AlOx/SiNx后進(jìn)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)，其轉(zhuǎn)換效率提升在0.5~0.8個(gè)百分點(diǎn)之間。

3.20.5%以上效率多晶電池量產(chǎn)技術(shù)路線

晶科能源專注于具有可量產(chǎn)性的高效電池開發(fā)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20%以上的高效多晶電池的批量生產(chǎn)，有望在年內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.5%以上量產(chǎn)效率。其高效多晶硅電池結(jié)構(gòu)如圖7所示。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(jí)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(jí)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(shí)背面的背反射改善了長波段太陽光的利用次數(shù)。在正面電極上，采用多主柵細(xì)柵密柵設(shè)計(jì)。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。

圖7.晶科能源量產(chǎn)高效多晶電池結(jié)構(gòu)示意圖

金剛線切割的多晶硅片硅材料損失較少，單位時(shí)間內(nèi)的切片數(shù)增加，在成本上比常規(guī)砂漿線切割的多晶硅片有優(yōu)勢(shì)。而且其機(jī)械損傷較少，相應(yīng)的缺陷密度較小。但是用常規(guī)的酸制絨手段不能實(shí)現(xiàn)有效的絨面制備。金剛線切割的多晶硅片經(jīng)過常規(guī)酸制絨后的表面平均反射率接近30%，只能選擇另外的新型的制絨手段。

針對(duì)金剛線切割多晶硅片，晶科能源實(shí)現(xiàn)的高效電池生產(chǎn)技術(shù)工藝流程如圖8所示。在先進(jìn)制絨階段，金剛線多晶硅片經(jīng)過常規(guī)酸制絨工藝進(jìn)行初步制絨，去除表面附近的損傷層。繼續(xù)經(jīng)過黑硅技術(shù)手段進(jìn)行再制絨，形成亞微米級(jí)的絨面。后續(xù)經(jīng)過絨面微處理完成整個(gè)先進(jìn)制絨過程。為增強(qiáng)前表面的鈍化效果，一低溫氧化的薄層SiOx薄膜被引入到正面擴(kuò)散層表面。除了提供鈍化效果，該氧化層還具有一定的抗PID效果。低溫氧化工藝使得增加該工藝步驟所需的成本較低。在PERC結(jié)構(gòu)化階段，高效電池先經(jīng)過背面AlOx/SiN疊層薄膜沉積，再進(jìn)行正面SiNx減反射薄膜沉積。后續(xù)經(jīng)過激光開膜形成背面鋁層的接觸窗口，然后印刷PERC鋁漿，通過調(diào)整匹配PERC鋁漿的燒結(jié)工藝，達(dá)到形成良好背面局部接觸的效果。背面PERC結(jié)構(gòu)將降低背面復(fù)合速率，改善長波吸收效率，從而提升整體電性能。

特別值得一提的是，當(dāng)電池正面和背面分別集成黑硅技術(shù)和PERC技術(shù)的情況下，電池效率的實(shí)際提升達(dá)到了1+1>2的效果。這與以往電池片正面或背面多項(xiàng)技術(shù)集成時(shí)出現(xiàn)的提升效果無法疊加是不同的。

圖8.晶科能源量產(chǎn)高效多晶電池的工藝流程

4.20%以上效率多晶電池電性能表現(xiàn)

圖9所示的雙面鈍化的少子壽命測(cè)試表明，金剛線多晶硅片具有較高的體少子壽命，達(dá)到350us左右，優(yōu)于常規(guī)砂漿線多晶硅片。這樣就從基礎(chǔ)上保證了高效多晶電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖9.雙面鈍化少子壽命對(duì)比測(cè)試

經(jīng)過先進(jìn)制絨技術(shù)手段得到的絨面尺寸在亞微米范圍。從SEM圖片(圖10A)觀察，制絨后的絨面在蟲卵形凹坑內(nèi)部還有許許多多微小的丘陵結(jié)構(gòu)，入射光在蟲卵凹坑內(nèi)的微型丘陵結(jié)構(gòu)表面處形成多次反射，從而極大降低制絨后的反射率。和常規(guī)酸制絨相比，其平均反射率能夠降低到10%以下。

背面PERC結(jié)構(gòu)中的AlOx/SiNx疊層薄膜，一方面是鈍化膜，另一方面和背面鋁層組成了一面反射器。AlOx/SiNx疊層薄膜中的負(fù)電性固定電荷起到了場(chǎng)鈍化的作用，AlOx和硅基底背面形成SiOx薄層還起到介質(zhì)鈍化效果，兩者疊加很好改善了背面的鈍化效果。從內(nèi)量子效率測(cè)試看，如圖11所示，在中長波段，高效電池相比常規(guī)電池的內(nèi)量子效率有顯著提升。背面AlOx薄膜的折射率約為1.6，SiN薄膜的折射率在2.1左右，AlOx/SiNx疊層薄膜與硅基底以及背面鋁層較大的折射率差異使得透射到背面的中長波段入射光被反射回電池內(nèi)部，增加了對(duì)中長波段太陽光的利用率。

圖11.高效多晶硅電池的內(nèi)量子效率

良好的金剛線切割多晶硅片品質(zhì)、極低的正面反射率、優(yōu)越的背表面鈍化性能和背反射特性、優(yōu)化的正面電極多主柵設(shè)計(jì)，使得晶科能源的高效多晶硅電池批量生產(chǎn)效率超過20%，也有機(jī)會(huì)進(jìn)一步提升到20.5%以上。短路電流密度從常規(guī)多晶電池的36.7mA/cm2提升到39.3mA/cm2，開路電壓從638mV提高到659mV，創(chuàng)造了業(yè)內(nèi)多晶硅電池量產(chǎn)效率記錄。圖12為高效多晶硅電池批量生產(chǎn)效率分布。

圖12.高效多晶硅電池批量生產(chǎn)效率