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EWT 太阳 电 池 技 术 进 展倡赵恒利 , 涂洁磊 , 廖华 , 李景天 , 李光明 , 何京鸿 , 张树明( 云南师范大学太阳能研究所 ; 教育部可再生能源材料先进技术与设备重点实验室 ; 云南昆明 650092)摘 要 介绍了 EWT 太阳电池发展历史 、 研究现状及国内外 EWT 太阳电池的技术研究进展 , 指出了EWT 太阳电池研究中的难点 , 提出了 EWT 太阳电池的发展方向 , 并对 EWT 太阳电池的发展前景进行了展望 。关键词 EWT 太阳电池 ; 技术进展 ; 激光打孔 ; PN 区域的界定中图分类号 TM 615 文献标识码 A 文章编号 1007 - 9793(2011)02 - 0039 - 05目前大规模生产的常规硅太阳电池 , 为了提高载流子的收集效率 , PN 结的发射区处于电池的正面 , 电池的受光面都有栅线电极 。 栅线电极的存在阻挡了部分阳光 , 降低了电池的效率 。 另一方面 , 由于电池的正负电极分别位于电池的两面 ,在电池进行串联封装时 , 要从一块电池的正面焊接到另一块电池的背面 , 这样就加大了自动化生产的难度[1] 。 为此 , 1993 年 James M . Gee 研制出 EWT ( Emitter wrap - through ) 硅太阳电池 [2] 。这种电池将金属电极栅线完全转移到了电池的背面 , 使正负电极的主栅分布在电池背面的两侧 , 成功的解决了上述难题 。1 EWT 硅太阳电池的结构及特点EWT 硅太阳电池是一种前结背接触电池 。它的 PN 结依然位于电池的正面 , 以有利于提高载流子的收集效率 , 通过重扩散或者镀有金属的孔 ( 目前用的最多的是激光打孔 ) 把电池正面发射区和背面局部发射区连接在一起 , 将前表面发射区引入背面 , 实现把前后表面收集的电子传导到背面电极上 , 正负电极细栅全部交叉排列在电池背面 , 主栅排列在电池背面的两侧 。 前表面依然采用优良的金字塔结构和减反射膜 , 以减少光的反射损 失 。 EWT 硅太 阳 电 池 的 结 构 如 图 1所示[3] 。EWT 硅电池具有以下显著优点 (1) 由于正面完全没有电极栅线 , 增加了有效受光面积 , 故可以提高光生电流的密度 , 从而获得较高的效率 。(2) 由于正负电极均位于电池背面 , 可简化光伏组件的封装 , 使自动化生产更容易实现[4] 。 (3)电池背面采用定域合金制背场的方法 , 既产生了内建电场 , 同时减少电极与基体的接触面积 , 使金属与半导体界面的高复合速率区大大减少 , 降低了背面的表面复合 , 因而可更好地提高电池性能 ;(4) 可实现从电池的前结和背结共同收集电荷 ,故有很高的电荷收集率 。 而且 , 薄的硅片因为减少了电荷的传输路径 , 降低了孔电阻 , 故也可以提高电池的填充因子 。 因此 , 低品质的薄基硅片更能体现 EWT 太阳电池结构的优越性 [5] 。目前 , 硅基电池已经成为市场的主流 , 基于EWT 硅太阳电池的以上优点 , 并且随着人们对进第 31 卷第 2 期2011 年 3 月 云南师范大学学报Journal of Yunnan Normal UniversityVol . 31 No . 2Mar . 2011倡 收稿日期 2011 - 01 - 10作者简介 赵恒利 (1977 - ), 男 , 山东临沂人 , 硕士生 , 主要研究方向为光伏科学与应用工程 。 Email zhaohengli @139. com基金项目 云南省重点基金项目 (2009 CC 012)、 霍英东青年教师基金项目 (111061)、 云南省中青年学术技术带头人后备人才 (2008 PY 054) 项目资助通讯作者 涂洁磊 , 女 , 博士 , 教授 , 主要从事太阳电池方面的研究 。图 1 EWT 硅太阳电池结构示意图Fig . 1 Illustration of EWT cell一步提高电池效率和降低电池成本的要求 , EWT硅太阳电池正越来越受到人们的重视 。2 EWT 太阳电池的国内外研究现状国外对于 EWT 电池的研究较为深入 , 主要的代表机构有 德国 Fraunhofer 实验室 、 美国 Sandia国家实验室 、 德国 University of Konstanz 、 美国 Ad -vent 太阳能公司等 。德国 Fraunhofer ISE 采用 SiO 2 钝化及光刻技术 , 在 4 cm 2 的 Fz - Si 衬底上制作出实验室效率为21. 4% 的 EWT 电池 , 成为目前 EWT 电池的最高效率保持者 [6] 。 但光刻技术复杂 , 成本高 , 不适宜规模化生产 。美国 Sandia 国家实验室采用光刻发射极图案结合丝网印刷接触技术在 41 cm 2 的 Fz - Si 上获得了 15. 6%( AM 1. 5) 的效率[7] 。德国 University of Konstanz 研究了两种技术路线 。 A . Kress , R . Tolle 等人在 10 10 cm2的Cz - Si 上采用丝网印刷扩散阻挡层和二次扩散技术 , 得到了 16. 1% 的效率 , 开路电压 600 mV , 短路电流 37. 9 mA / cm2 , 填充因子大约为 70% [8] ;H . Knauss , W . Jooss 等人采用金属化学镀层技术 ( electroless plating metallisation technology ) 在24 cm 2 的 Cz - Si 上获得了 16. 6% 的效率 , 其开路电压是 591 mV , 短路电流密度是 37. 7 mA / cm2 , 填充因子达到 74. 6%, 并预计如果能优化打孔工艺进一 步 去 除 激 光 损 伤 的 话 , 效 率 将 能 达 到17. 3% [9] [10] 。 但该技术大大的增多了工艺步骤 ,关键步骤 P - Al 共同扩散又不易控制[11] 。美国 Advent Solar Corporation 采用多晶硅材料和比较成熟的丝网印刷技术 , 实现了 15. 2% 的效率 , 其电池的开路电压是 600 mV , 短路电流密度是 35. 4 mA / cm 2 , 填充因子为 71. 3% [12] 。在国内 , 北京科技大学材料学院的刘维和中科院电工研究所的周春兰曾对 EWT 背结电池中的激光刻槽及腐蚀工艺进行过研究[13] 。 云南师范大学太阳能研究所深入研究了激光打孔对单晶硅材料性能的影响 , 并对 EWT 硅电池的结构进行了设计与性能模拟[14] 。3 EWT 太阳电池的关键技术进展3 . 1 激光打孔EWT 太阳电池完全去除了正表面的栅线电极 , 依靠电池中的无数导电小孔来将收集到的载流子传递到背面的发射区电极上 。 导电孔的制作 , 早期主要采用光刻和湿法化学腐蚀法 , 目前最常用的方法是激光打孔 。 激光打孔方便易行 , 适合大规模化生产 , 但初期激光打孔精度不高 , 包括激光打出的孔是不是精确地排列在一条直线上 、 激光打孔的精确定位 、 激光打孔后的机械损伤等等问题 , 曾经是 EWT 太阳电池无法用激光打孔技术大规模化生产的主要原因 。 故激光打孔是实现 EWT 太阳电池的一个关键技术 。 随着近几年激光技术的飞速发展 , 现在这些问题已经得到了较好的解决 [15] 。云南师范大学太阳能研究所的研究还发现 , 打孔激光进行打孔作用后 , 使得硅材料本身的性质趋向于好的方向发展 , 对下一步太阳电池的制作提供了较好条件 。 这是因为 , 在制备硅太阳电池材料的过程中 , 机械加工往往使材料表层微结构产生缺陷 ; 掺杂时杂质离子能量高 , 进入基片后会使基片形成错位 、 层错及各种类型的缺陷 , 注入层遭到了破坏 , 加之 , 注入的杂质未进入晶格位置 , 导电性能较差 。 在激光的作用下 , 破坏的表面层再结晶 , 部分消除了材料表面的缺陷 , 改善了晶格结构 ; 恢复了注入杂质的电活性 , 增加了 P 型杂质的固溶度 ,改善了晶格的质量 , 同时使杂质离子进入了晶格的位置 , 使得硅的电阻率下降 , 少子寿命提高[14] 。3 . 2 电池背面 PN 区域的界定与常规硅太阳电池不同 , EWT 太阳电池的 P型区域和 N 型区域间隔排列在电池的背面 , 导电孔和背面的 N 型区域相连 , 并且要求 P 型区域和N 型区域要靠的很近 , 而且还不能够短路 , 这就对04 云南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷 电池背面 PN 区域的界定提出了很高的要求 , 故电池背面 PN 区域的界定是实现 EWT 太阳电池的一个关键技术 。 目前 , 实现 EWT 太阳电池背面PN 区域的界定的方法主要有下列几种 3. 2. 1 丝网印刷法早期的 EWT 太阳电池背面的制备多采用光刻的方法 , 其优点是设计精度高 , 缺点是成本高 ,制备工艺较复杂 , 容易引入对人体有毒的化学物质 , 不利于大规模工业化生产 。 从上世纪九十年代末开始 , 随着丝网印刷技术的成熟 , 丝网印刷法逐渐成了界定背面 P 型区域和 N 型区域常用的方法 。 丝网印刷法的主要原理是通过丝网印刷设备在硅片上间隔印刷扩散阻挡层或耐腐蚀浆料 ,已用来阻挡扩散或腐蚀液的腐蚀 , 使电池背面的P 型区域和 N 型区域间隔分布 。3. 2. 1. 1 扩散前丝网印刷扩散阻挡层在扩散之前 , 直接在电池的背面 P 型区域丝网印刷上扩散阻挡层浆料 , 见图 2 所示 。图 2 丝网印刷扩散阻挡层Fig . 2 Screen printed diffusion barrier硅片背面丝网印刷上浆料后 , 在红外炉里(250 – 300° C ) 快速热退火 60 秒 , 可以得到高质量的扩散阻挡层[ 1 6 ] 。 该阻挡层能在磷扩散时完全可以阻挡磷的扩散而保持 P 型 , 而没有印刷浆料的区域则被磷扩散为 N 型 。 扩散结束后 , 再将阻挡层去除 , 以便以后的工序中在原阻挡层的区域做 P 型电极 。 但阻挡层不太容易去除 , AdventSolar Corpration 采用了在丝网印刷前开一个细槽的办法来去除阻挡层 , 在 1 mm 宽的阻挡区域开一个 0. 35 mm 宽的细槽 , 开槽后虽然细槽在扩散时能形成 N 型层 , 但在制作电极工序中 , 通过印刷Al 去补偿 , 如图 3 所示[ 17 ] 。 此法虽然大大简化了工序 , 可取得较好的效果 , 但整个电池工序就必须有三次丝网套印 , 这对丝网印刷工艺精确定位提出了更高的要求 。3. 2. 1. 2 扩散后丝网印刷耐腐蚀浆料按常规硅太阳电池的制作工艺扩散以后 , 在图 3 开槽去除扩散阻挡层Fig . 3 Slotted diffusion barrier removal硅片的前面和背面的间隔的 N 型区域丝网印刷上耐腐蚀浆料或者是油墨 , 然后用 HF 等腐蚀液腐蚀硅片 , 去除没有印刷上耐腐蚀浆料或者是油墨区域的 n 型层[18] , 这样就形成了背面 P 型区域和 N 型区域的交叉间隔分布 , 最后用溶剂将耐腐蚀浆料或者是油墨去除 , 见图 4 所示 。 这种方法界定背面 P 型区域和 N 型区域简单易行 , 但由于P 型区域和 N 型区域是在交叉和间隔中直接相邻 , 容易造成短路而导致电池制作失败 。图 4 扩散后丝网印刷耐腐蚀浆料制作EWT 硅太阳电池Fig . 4 The emitter wrap - through celldiagramfabricated with a etch resist3. 2. 2 激光刻槽法用激光刻槽法实现 EWT 太阳电池背面 PN区域的界定相对比较简单 、 效率较高 , 可降低电池的成本 , 适合于 EWT 太阳电池的大规模生产 。 激光刻槽的精度虽然比光刻技术低的多 , 但由于太阳电池对精度的要求不是很高 , 并且随着激光技术近些年的不断发展 , 现在已经可以较好解决这个问题 。 激光刻槽容易给硅片带来新的辐射损伤 , 特别是在 p 型电极周边形成高复合区 , 增加了少数载流子的复合中心 , 降低了载流子的收集 , 但通过优化刻槽和化学腐蚀工艺参数可减少其对太阳电池性能的影响 。 由于激光刻槽的槽中的部分区域将用来制做 EWT 太阳电池的电极 , 由于要形成良好的欧姆接触 , 这就要求硅片表面平整光滑而侧壁垂直陡峭[19] 。 中科院电工所的研究发现 ,当 NaOH 刻蚀溶液浓度为 12%, 温度为 80℃, 时间为 2035 min 时 , 可以得到较好的槽面结构 , 能14 第 2 期 赵恒利 , 等 EWT 太阳电池技术进展 较好的满足欧姆接触电极的制备以及背面结构的设计要求 [13] 。 根据激光刻槽和扩散的先后顺序 ,此法又分为两类 。3. 2. 2. 1 扩散前进行激光刻槽先对硅片进行干氧氧化 , 形成双面的 SiO 2层 , 再进行前面的去除氧化层和制绒 , 接着进行激光打孔和激光刻槽 , 用碱溶液刻蚀损伤层 , 然后进行 P 扩散 , 再在前面镀上减反射膜 , 背面用 Al 蒸镀电极 , 最后进行 PN 相邻区域 Al 的去除 , 这样就实现了 EWT 电池背面 PN 区域的界定[20] 。 此法的优点是用 SiO 2 做了背面 PN 区域的相互绝缘 , 不容易短路 , 成功率很高 , 适合大规模化生产 ,缺点是由于背面 SiO 2 层的存在 , P 型电极和 P 型栅线之间必须用激光烧烛接触技术 ( LFC ) 来形成良好的欧姆接触 。3. 2. 2. 2 扩散后进行激光刻槽先将硅片的两面都扩散成 N 型 , 然后通过在背面丝网印刷 Ag / Al 浆料共烧的办法补偿电池的n 型层 , 烧结后 , 直接用激光开槽实现电池背面 PN区域的界定 , 见图 5 所示 [21] 。 用此种方法 , 还有个优点 , 可以选择把电池的周边结一起去除 。 但这种方法 , 又会给硅片带来新的辐射损伤 , 降低了载流子的收集 。 所以 , 刻槽后如何较好的除去槽区辐射损伤部分和堆积物 , 一直是人们研究的一个重点 。图 5 扩散后进行激光刻槽制作 EWT 硅太阳电池Fig . 5 The emitter wrap - through cellstructure fabricated with laser scribing4 EWT 硅太阳电池面临的问题和发展方向随着人们对电池成本降低的要求 , 硅片的厚度正变得越来越薄 , 虽然低寿命的薄基硅片更能体现 EWT 太阳电池的优越性 , 但硅片厚度过薄 ,本身的机械强度就不高 , 激光打孔特别是激光刻槽更加降低了硅片的机械强度 , 使硅片变的很容易破碎 。 这就对生产工艺和封装技术提出了更高的要求 。 由于 EWT 硅太阳电池本身的特殊结构 ,决定了电池的开路电压和填充因子不高 , 故提高电池的开路电压和填充因子是下一步 EWT 太阳电池研究的重点 。 另外 , EWT 硅太阳电池的制造工艺与常规硅太阳电池相比 , 技术还是比较复杂 ,特别是背面 PN 区域和正负栅线都比较容易短路 , 这就需要继续改良生产工艺和栅线设计 , 使EWT 硅太阳电池向简单化 、 工业化方向发展 。5 结 论本文通过对 EWT 太阳电池技术进展的研究 ,得到了以下结论 (1) 低品质的硅材料更能体现EWT 电池结构的优越性 。 (2) 激光打孔作用后 ,使得硅材料本身的性质趋向于好的方向发展 , 对下一步太阳电池的制作提供了较好条件 。 (3) 激光打孔和电池背面 PN 区域的界定是实现 EWT硅太阳电池的关键技术 , 但还有一些问题需要人们继续研究 。参 考 文 献 [1] 任丙彦 , 吴鑫 , 勾宪芳 , 等 . 背接触硅太阳电池研究进展 [ J ]. 材料导报 ,2008,22(9)101 - 105.[2] GEE J M , SCHUBERT W K , BASORE P A . 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Status Solidi C 6, 2009, 3736 - 743.Technology progress in EWT silicon Solar CellsZHAO Heng - li , TU Jie - lei , LIAO Hua , LI Jing - tian ,LI Guang - ming , HE Jing - hong , ZhANG Shu - ming( Institute of Solar Energy , Yunnan Normal University ; Key Laboratory ofRenewable Energy Advanced Materials and Manufacturing Technology ,Ministry of Education , Kunming ; 650092)Abstract The history and development of EWT silicon solar cells is described . It would focus on the structur -al design and the progress of technical . And then , the difficulties and development direction in presented EWTsilicon solar cells will be pointed out . At last , some opinions on further studies of EWT silicon solar cells werealso presented .Key words EWT silicon solar cells ; Technology progress ; Laser hole ; Rear p - n junction isolation34 第 2 期 赵恒利 , 等 EWT 太阳电池技术进展
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