单晶高效PERC电池结构与制造方法分析

苗杰　焦朋府　李艳芝　张超　贾宇龙

摘 要：单晶高效PERC电池是近些年光伏电池行业最为热门的电池结构形式，本文对PERC电池的结构性能进行分析，同时从材料方面、晶体硅的表面钝化技术以及高效晶硅电池金属化方法等方面论述了单晶高效电池的制造技术，为光伏电池制造工作提供一定参考。

关键词：PERC;晶质硅;电池;制造

随着我国能源和环境双重压力的日益加剧，太阳能光伏发电因其具有显著的能源、环保和经济效益而将成为我国能源发展的重要方向，也将是根本解决雾霾、酸雨和温室气体等生态环境问题的有效手段之一。然而我们仍然清楚地看到，在光伏产业高歌猛进的同时，由于太阳能光伏技术是一门综合性的高技术行业，涉及多个交叉学科（基础理论与技术科学，主要有物理特别是半导体物理、光学、电子学及电工学等，其制造技術仍需要人们持续进行研究[1]。本文将对晶体硅太阳能电池中的PERC电池结构及其制造方法进行分析。

1 PERC电池的结构性能

PERC电池全称是钝化发射极及背面电池，其结构示意图如图1所示。PERC电池是PERL电池的前身，也是PERL电池的一个初级发展阶段[2]。当时在还没有办法制成低表面复合的硼扩散之前，电池背面的金属接触只能由铝直接接触背面P型硅表面完成，但铝与淡P型硅较难形成良好的欧姆接触，因此PERC电池只能制造在低于0.5Ω·cm的平p型FZ硅片上，更高的衬底电阻率会使接触电阻迅速上升，电池的FF大大下降。但0.50Ω·cm电阻率的FZ单晶的载流子寿命较低，造成比较大的电流损失。除了背面接触区域没有硼扩散之外，PERC电池的所有其他工艺方法都与PERL电池相同[3]。

PERC电池的背面也像PERL电池一样采用了局部金属接触，但金属接触区域下没有浓硼扩散。这样的接触区域的复合率仍旧很高，而且在少数载流子扩散长度距离之内的光生载流子仍可扩散到背面接触区域被复合而损失掉。为了减小这种背接触区域的复合损失，背面的接触区域被大距离（2mm）分隔开来。因而PERC电池的电阻损失较大，FF不高。因此后来的PERL电池用浓硼区域形成金半接触及表面钝化，因此它允许背面接触点间距离大大下降到0.25 mm，因此FF大大提高。一个PERC电池在Sandia测量得到了22.3%的光电转换效率。它达到了688mV开路电压，82.1%的填充因子和39.4 mA/cm2的短路电流密度。

PERC电池只是UNSW在研发电池过程中的一个过渡结构，它在1989年得到了22.3%的世界最高晶硅电池的效率记录。然而，由于PERC电池的结构简单，它比PERL电池更便于工业生产，因此在二十几年后的今天，光伏工业界对这种PERC结构，以及PERC的变型演变结构兴起了新的研发和生产的兴趣。

2 高效晶体硅光伏电池制造方法

2.1 材料方面的要求

由于晶体硅是间接禁带半导体，它对光子的吸收系数较低，一部分长波光子要穿过几百微米厚的硅材料才能被吸收，这样在硅体内产生的少数载流子要穿过很长的距离才能到达电池的发射结被吸收形成电流，如果硅体内的载流子复合速率过高，光生载流子中的一部分在到达发射结以前就复合消失了，从而使电池的量子效率下降[3]。因而高效电池的一个基本要求就是其材料体内的复合率要很低，即其载流子扩散长度要远大于电池的厚度。这个要求与前节所述的常规晶硅电池不同，常规电池的铝背场处复合较高，因此它只要求少子扩散长度覆盖衬底的主要厚度区域，而能把这一区域的光生载流子输运到表面发射结就可以了。穿过这一区域的载流子大半会在铝背场处复合损失掉了。图2给出了硅晶体内杂质浓度对硅太阳电池性能的影响。可以看到能产生深能级的金属（主要是重金属）杂质会大大增加体复合率，从而降低载流子寿命。如：Au、Cu、Ag、Fe等[4]。

2.2 表面钝化

晶体硅内的硅原子是有序排列的，每（下转第85页）（上接第83页）个硅原子与相邻四个同样的原子以共价键相结合，从而很少有断键（断键在禁带中产生的能级会大大增加复合作用），因而体复合很低。而到了晶体的表面，所有的共价键全都断掉，这会产生极高的表面态密度。如果不把这些界面态钝化，也就是与某种其他的原子相结合，这就会产生极高的表面复合率。

目前已知的几种表面钝化方法如下：①PECVD氮化硅膜钝化;②含氯氧化（TCA，HCl等），或干氧氧化，以及Forming gas退火;③扩散形成的表面势垒钝化;④非晶硅与硅形成的异质结钝化;⑤Al2O3能极好地钝化p型硅表面。

2.3 高效晶硅电池金属化方法

主要以丝网印刷为主，还有喷墨印刷来制造电池的金属化。但这种方法在烧结时金属与硅片共熔，这对硅片表面损伤较大，电池的性能一般只能达到20%～21%。采用这种方法的以各家公司为主，也有很多实验室，如荷兰的ECN研究中心和新加坡的SERIS实验室，而且电池设计多为PERC型电池[4-5]。

但印刷金属的最难的地方其实是在电池背面的金属化。这也是要以激光或印刷方法在背面钝化介质层上打开接触孔，然后印刷铝浆，烧结形成背面点接触，在这个过程中还要防止破坏背面钝化层。虽然各大浆料公司都已在大力开发这种铝浆，但实际应用时还是很难达到最佳效果，这也是印刷金属化方法的电池效率不很高的另一个原因。但由于这种方法的成本最低，绝大部分以生产为目标的高效电池研发还是采用了这种方法。

3 结语

高效晶体硅太阳能电池近些年来发展十分迅猛，同时市场应用也十分广泛。高效电池与普通电池的一个最主要的区别在于背表面的钝化。目前生产上采用的传统电池都是用全面积背面铝烧结形成铝背面场，这种铝背场虽然比金属直接接触的表面复合有所下降，但下降并不很多。铝背场比绝缘层形成的表面钝化作用相差甚远，因此传统电池的开路电压都不很高。在本文的论述中，PERC电池的结构简单，比PERL电池更为有利于工业生产，在未来一段时间内，PERC结构仍是业界主导的电池结构形式。

参考文献：

[1]尹庆磊，姜辰明，王学孟，等.薄晶体硅PERC电池的工艺研究[J].可再生能源，2015，33（10）：1445-1449.

[2]康冬妮.单晶PERC电池片Al2O3钝化层划痕的解决方法[J].工业设计，2017（5）：141-142.

[3]陈龙，卢玉荣，王仕鹏，等.PERC电池激光开窗技术应用研究[J].太阳能，2017（1）：28-31.

[4]白焱辉，王学孟，梁宗存，等.PERC电池背表面开膜参数的模拟及优化[C]//中国光伏大会暨中国国际光伏展览会，2014.

[5]张群芳，朱美芳，刘丰珍.高效薄膜硅/晶体硅异质结电池的研究[J].太阳能，2006（4）：41-42.