光伏技术7-8-晶体硅太阳能电池
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转换效率 4.5 %，开辟了光伏发电新 纪元。一年半后，效率提升至10 %。 优点： ① 顶层无电极遮挡
扩散结太阳电池的结构
② 正负电极在背面，易连接
缺点：电阻较高
9
3.2 传统空间电池
主要特点：
① 采用栅线电极 ② 采用氧化硅减反膜 ③ 采用p型衬底 ④ 抗辐射性能好
60年代初期空间电池结构
转换效率 10 ~ 12 %
背面点接触减小了金属电极和p型基极的界面，并 用氧化层取代肖特基接触，减小了表面复合
n型发射极的浓磷扩散形成了n+ 型接触，p型 基极的浓硼扩散形成p+ 型接触
24
3.6 三种产业化的高效率太阳能电池
（1）掩埋栅太阳能电池
丝网印刷电池
改进之处：
• 金属栅线导电性好 •表面氧化层钝化和电极重掺杂钝化 •电极遮光面积显著减少
10
采用p型衬底的原因
表 掺杂浓度 Na 、Nd 对Si少子迁移率μn 、 μp 和少子扩散系数Dn 、Dp 的影响 掺杂浓度 Na 、Nd 散射中心 P型Si n型Si 空穴扩散系 数 Dp / (cm2/s) 10 1
低
Si 晶格
电子迁移率 电 子 扩 散 系 空穴迁移率 μ n /(cm2s-1 数 μ p /(cm2SV-1 ） Dn / (cm2 / 1 V-1 ) s) 1600 40 400 80 2 40
H
2
SiHCl
3
H
2
Si 3 HCl
单晶硅棒
直拉单晶法， 引入B元素 切片，化学腐 蚀修复机械损 伤
7
P型硅片
2. 生产工艺：(2) 电池制备
研磨与清洁
双面研磨至晶圆厚度约200µm，NaOH刻蚀
注入硼（B），在基极产生p型高掺杂区，用于产 生背场和接触区 在石英管中进行磷扩散，扩散深度：0.1~0.2 μm
晶体硅太阳能电池
概述 生产工艺 技术发展历史 高效率晶硅电池设计原则
1
https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png
2
1. 概述
单晶硅电池片
单晶硅电池组件
3
Sunlight
现代单晶硅电池基本结构
4
单晶硅太阳能电池的主要参数
图. 背面点接触
33
4.1.3 串联电阻的优化
1. 金属电极区域附近的重掺杂
•无
2. 激光刻槽埋栅电极结构
•无
图. 激光刻槽埋栅结构
34
4.2 小结：
优化光吸收：减反膜、金字 塔 绒面、激光刻槽埋栅、表面限 光技术等
高效晶硅
太阳电池
优化载流子分离：控制掺杂浓 度Nd和Na、背电场、表面钝 化、背面点接触电极等技术
45
图. 多晶硅铸造模块：左：微晶颗粒随机排列 右：微晶颗粒柱状排列，并且具有n+p结
★ 晶界处的载流子复合率远高于其内部， 柱状晶 粒沿np结面垂直排列有利于减小复合。
38
2.1.1具有柱状晶粒多晶硅的制备方法
39
2.1.2多晶硅中的晶界模型
晶界是一种面缺陷， 晶界处存在大量 非饱和的 原子键，即“悬挂键”。
该缺陷在硅的禁带中产生
额外能级。由于缺陷数量
非常多，禁带中缺陷能级
准连续分布。
p型多晶硅中微晶体的物理模型
减小晶界中缺陷有效方法： 氢钝化
40
2.1.3多晶硅晶界的能带模型
P型多晶硅 晶界中的缺陷相 当于在禁带中引
入施主能级
(a)P型多晶硅晶界的能带模型 (b) 耗尽区晶界区内的载流子分布
41
2.1.4 多晶硅太阳电池器件模型
高， 杂质原子 > 1019 cm-3
P型Si的电子扩散长度的定义为 L n
nDn
电子具有比空穴更大的迁移率和扩散系数！
11
3.3 紫电池
主要特点： ① 采用浅扩散结（0.25μm） ② 采用TiO2 或Ta2O5减反膜 ③ 采用低电阻p型衬底，抗 辐射性能好
④采用了背电场技术
浅结紫电池
转换效率 比空间电池提 高30 %，约为16 %。
多晶硅铸锭
定向凝固法， 引入B元素 切片，化学腐 蚀修复机械损 伤
43
P型硅片
3.2 多晶硅电池的制备工艺
原料：柱状多晶硅锭
切割与清 洗
发射极扩 散掺杂
晶界钝化
测试与筛 选
金属化
光学补偿 覆层
晶界钝化工艺：
模块组装
将硅片置于氢等离子氛围中，T=300 ℃ 下进行处理1小时。 通过该工艺可以使高活性氢原子扩散到晶界中，与悬挂键 结合形成稳定共价键，从而降低晶界复合率。
图. 金属-绝缘体-np结（MINP）太阳电池
21
顶部表面钝化太阳电池2
图. PESC 示意图
图. 第一个转换效率达20 % 的“微槽” PESC电池结构
PESC：passivated emitter solar cell,钝化发射极电池 该电池（带表面制绒）的转换效率突破 20 %。
22
双面钝化电池
背表面电极附近能带示意图
开路电压
14
wenku.baidu.com
3.4 黑体电池
主要特点：
①电池正表面采用制绒技术， 降低反射率，增加光吸收。 ② 提高了电池的长波响应。 转换效率约为17 %
化学制绒后零反射的“黑体”电池
15
黑体电池
制作方法：利用晶面的选择性腐蚀，在
(100)晶向的硅衬底上将(111)面露出来，
在电池表面随机形成等边类金字塔形。
•对c-Si表面出色的钝化效果
• 低温工艺和对称结构
• 优良的温度系数
HIT：Heterojunction with Intrinsic Thin layer
27
本征a-Si的钝化效果
图. HIT电池（a）和pn异质结电池（b）的暗态I-V曲线比较
28
生产工艺
29
30
4. 电池设计的优化
4.1 优化的原则
减小表 面复合 增加光 吸收
提高晶 硅电池 效率
31
减小串 联电阻
4.1.1 光吸收的优化
1
• 受光面制成绒面结构 • 受光面镀减反膜 • 激光刻槽埋栅结构，较小遮光面积 • 背面全部镀上金属电极
2
3
4
32
4.1.2 表面复合的优化
1
• 背表 面场
2
• 钝化 发射 极
3
• 背面 点接 触
图. 背表面场对电子有势垒的作用， 降低表面复合速度Sn
背面pp+结
发射极扩散掺杂
金属化镀膜
背面：蒸发镀Al膜；正面：栅结构，Ti/Pd/Ag蒸发 镀膜，400℃烧结成型。
光学补偿
镀TiO2 、Ta2 O5 或MgF2减反膜
切片、测试
切割成型，单体电池性能测试
串并联电池单体，得到电池模块
组装、成品
8
3. 技术发展历史
3.1 早期硅太阳电池
1954年，第一块单晶硅电池问世，
18
3.5 钝化技术（Passivation)
表面钝化
重掺杂，形成背 电场 钝化技术
电极区钝化
减小电极区域
金属-绝缘体-半 导体(MIS)接触模 式
19
表面钝化 方法
热氧氧化 SiO2
PECVD法 SiNx钝化
非晶硅aSi:H 钝化
20
顶部表面钝化太阳电池1
顶部表面
钝化技术和电极
区域钝化技术的 采用，使晶硅电 池效率突破18 %。
14
10000 0.05 15000 35
140
10000
5
单晶硅电池能带示意图
图 具有背电场的太阳能电池模型
6
2. 生产工艺：(1) 原料制备
冶金级硅 99% 太阳能级 多晶硅（6N）
还原法
SiO
2
2 C Si CO
2
改良西门子法 Si 3 HCl
SiHCl
1100
3 C
12
深扩散结导致表面“死层”的形成
死层
“死层”出现在结
表面区域，只吸收
入射光，不能产生
载流子。 浅扩散结减少或避 免了死层的出现。
扩散温度1000℃，随不同扩散时间，实测硅表面 磷被活化的深度分布
13
背电场技术
背电场作用：
① p-p+ 结对少子起
到势垒作用，减小 表面复合速度Sn ② 增加内建电压和
优点：
• 增加光被电池吸收的机会 • 延长光在电池内的传播路径
当(100)晶面的硅片经过选择性腐蚀后，显露 出来(111)晶面所形成的金字塔示意图(a) 和 反射光和折射光的光路示意图(b)
16
• 捕获更多长波入射光
黑体电池的表面限光结构
倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的限光结构
17
传统电池、紫电池与黑体电池的性能比较
44
小结：
1. 多晶硅太阳电池的转换效率略低于单晶硅太阳电池。目 前多晶硅电池最高转换效率为20.4%，略低于单晶硅电池 的25%, 但其制备成本远低于单晶硅电池。 2. 为减小晶界复合，一般采用定向柱状大晶粒多晶硅制备n+
p结多晶硅电池。
3. 与单晶硅电池相比，晶界钝化是多晶硅光伏电池制备工 艺的重要环节。
设计原则
优化载流子的输运：适当的掺杂 浓度Nd和Na、激光刻槽埋栅、背面 点接触、电极区域重掺杂等技术
35
多晶硅太阳电池
引言
多晶硅电池材料与器件特点
制备工艺 小结
36
1.引言
多晶硅电池组件
多晶硅电池片
多晶电池外观特点：
①表面看上去有“冰花状”花纹。
②电池片是正方形,无倒角。
37
2.1多晶硅电池材料的特点
图. 典型的晶体硅丝网印刷电池的结构示意图
25
（2）高效背面点接触电池
关键设计点：
图. 背面点接触电池
• 局部的背面接触 • 前表面无栅线
• 双面钝化和背面金属化
26
（3） HIT太阳能电池
结构特点： ① “三明治”结构 ② p型或n型a-Si和n型c-Si之间
夹有一层极薄的本征a-Si层
优点：
双 面 钝 化
图. 20世纪90年代早期报道的24%转换效率的PERL太阳电池
钝化发射极背面局域扩散（Passivated Emitter Rear Locally
diffused, PERL）太阳电池效率突破24 %！
23
PERL高效率太阳电池的特点：
前表面的受光表面钝化为氧化层
前表面制备倒金字塔结构的绒面
主要参数 厚度 xn、xp / (um) n型发射极 0.5 p型基极 300
掺杂浓度 Nd、Na /(cm-3 )
少子扩散系数 Dp、Dn / (cm2 /s) 少子寿命τp 、 τn /s
1019
2 10-6
1016
40 5×10-6
少子扩散长度 Lp Ln / (um)
表面复合速度 Sp Sa /(cm/s) 反射率 R 500nm入射光的吸收系数 a /(cm-1) 1000nm入射光的吸收系数 a /(cm-1)
★ 柱状多晶硅np太阳电池可以用多个硅微晶体（晶粒）并联而成的电路来描述。
42
3. 1.多晶硅生产工艺
冶金级硅 99% 太阳能级 多晶硅（6N）
还原法
SiO
2
2 C Si CO
2
改良西门子法 Si 3 HCl
SiHCl
1100
3 C
H
2
SiHCl
3
H
2
Si 3 HCl
扩散结太阳电池的结构
② 正负电极在背面，易连接
缺点：电阻较高
9
3.2 传统空间电池
主要特点：
① 采用栅线电极 ② 采用氧化硅减反膜 ③ 采用p型衬底 ④ 抗辐射性能好
60年代初期空间电池结构
转换效率 10 ~ 12 %
背面点接触减小了金属电极和p型基极的界面，并 用氧化层取代肖特基接触，减小了表面复合
n型发射极的浓磷扩散形成了n+ 型接触，p型 基极的浓硼扩散形成p+ 型接触
24
3.6 三种产业化的高效率太阳能电池
（1）掩埋栅太阳能电池
丝网印刷电池
改进之处：
• 金属栅线导电性好 •表面氧化层钝化和电极重掺杂钝化 •电极遮光面积显著减少
10
采用p型衬底的原因
表 掺杂浓度 Na 、Nd 对Si少子迁移率μn 、 μp 和少子扩散系数Dn 、Dp 的影响 掺杂浓度 Na 、Nd 散射中心 P型Si n型Si 空穴扩散系 数 Dp / (cm2/s) 10 1
低
Si 晶格
电子迁移率 电 子 扩 散 系 空穴迁移率 μ n /(cm2s-1 数 μ p /(cm2SV-1 ） Dn / (cm2 / 1 V-1 ) s) 1600 40 400 80 2 40
H
2
SiHCl
3
H
2
Si 3 HCl
单晶硅棒
直拉单晶法， 引入B元素 切片，化学腐 蚀修复机械损 伤
7
P型硅片
2. 生产工艺：(2) 电池制备
研磨与清洁
双面研磨至晶圆厚度约200µm，NaOH刻蚀
注入硼（B），在基极产生p型高掺杂区，用于产 生背场和接触区 在石英管中进行磷扩散，扩散深度：0.1~0.2 μm
晶体硅太阳能电池
概述 生产工艺 技术发展历史 高效率晶硅电池设计原则
1
https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png
2
1. 概述
单晶硅电池片
单晶硅电池组件
3
Sunlight
现代单晶硅电池基本结构
4
单晶硅太阳能电池的主要参数
图. 背面点接触
33
4.1.3 串联电阻的优化
1. 金属电极区域附近的重掺杂
•无
2. 激光刻槽埋栅电极结构
•无
图. 激光刻槽埋栅结构
34
4.2 小结：
优化光吸收：减反膜、金字 塔 绒面、激光刻槽埋栅、表面限 光技术等
高效晶硅
太阳电池
优化载流子分离：控制掺杂浓 度Nd和Na、背电场、表面钝 化、背面点接触电极等技术
45
图. 多晶硅铸造模块：左：微晶颗粒随机排列 右：微晶颗粒柱状排列，并且具有n+p结
★ 晶界处的载流子复合率远高于其内部， 柱状晶 粒沿np结面垂直排列有利于减小复合。
38
2.1.1具有柱状晶粒多晶硅的制备方法
39
2.1.2多晶硅中的晶界模型
晶界是一种面缺陷， 晶界处存在大量 非饱和的 原子键，即“悬挂键”。
该缺陷在硅的禁带中产生
额外能级。由于缺陷数量
非常多，禁带中缺陷能级
准连续分布。
p型多晶硅中微晶体的物理模型
减小晶界中缺陷有效方法： 氢钝化
40
2.1.3多晶硅晶界的能带模型
P型多晶硅 晶界中的缺陷相 当于在禁带中引
入施主能级
(a)P型多晶硅晶界的能带模型 (b) 耗尽区晶界区内的载流子分布
41
2.1.4 多晶硅太阳电池器件模型
高， 杂质原子 > 1019 cm-3
P型Si的电子扩散长度的定义为 L n
nDn
电子具有比空穴更大的迁移率和扩散系数！
11
3.3 紫电池
主要特点： ① 采用浅扩散结（0.25μm） ② 采用TiO2 或Ta2O5减反膜 ③ 采用低电阻p型衬底，抗 辐射性能好
④采用了背电场技术
浅结紫电池
转换效率 比空间电池提 高30 %，约为16 %。
多晶硅铸锭
定向凝固法， 引入B元素 切片，化学腐 蚀修复机械损 伤
43
P型硅片
3.2 多晶硅电池的制备工艺
原料：柱状多晶硅锭
切割与清 洗
发射极扩 散掺杂
晶界钝化
测试与筛 选
金属化
光学补偿 覆层
晶界钝化工艺：
模块组装
将硅片置于氢等离子氛围中，T=300 ℃ 下进行处理1小时。 通过该工艺可以使高活性氢原子扩散到晶界中，与悬挂键 结合形成稳定共价键，从而降低晶界复合率。
图. 金属-绝缘体-np结（MINP）太阳电池
21
顶部表面钝化太阳电池2
图. PESC 示意图
图. 第一个转换效率达20 % 的“微槽” PESC电池结构
PESC：passivated emitter solar cell,钝化发射极电池 该电池（带表面制绒）的转换效率突破 20 %。
22
双面钝化电池
背表面电极附近能带示意图
开路电压
14
wenku.baidu.com
3.4 黑体电池
主要特点：
①电池正表面采用制绒技术， 降低反射率，增加光吸收。 ② 提高了电池的长波响应。 转换效率约为17 %
化学制绒后零反射的“黑体”电池
15
黑体电池
制作方法：利用晶面的选择性腐蚀，在
(100)晶向的硅衬底上将(111)面露出来，
在电池表面随机形成等边类金字塔形。
•对c-Si表面出色的钝化效果
• 低温工艺和对称结构
• 优良的温度系数
HIT：Heterojunction with Intrinsic Thin layer
27
本征a-Si的钝化效果
图. HIT电池（a）和pn异质结电池（b）的暗态I-V曲线比较
28
生产工艺
29
30
4. 电池设计的优化
4.1 优化的原则
减小表 面复合 增加光 吸收
提高晶 硅电池 效率
31
减小串 联电阻
4.1.1 光吸收的优化
1
• 受光面制成绒面结构 • 受光面镀减反膜 • 激光刻槽埋栅结构，较小遮光面积 • 背面全部镀上金属电极
2
3
4
32
4.1.2 表面复合的优化
1
• 背表 面场
2
• 钝化 发射 极
3
• 背面 点接 触
图. 背表面场对电子有势垒的作用， 降低表面复合速度Sn
背面pp+结
发射极扩散掺杂
金属化镀膜
背面：蒸发镀Al膜；正面：栅结构，Ti/Pd/Ag蒸发 镀膜，400℃烧结成型。
光学补偿
镀TiO2 、Ta2 O5 或MgF2减反膜
切片、测试
切割成型，单体电池性能测试
串并联电池单体，得到电池模块
组装、成品
8
3. 技术发展历史
3.1 早期硅太阳电池
1954年，第一块单晶硅电池问世，
18
3.5 钝化技术（Passivation)
表面钝化
重掺杂，形成背 电场 钝化技术
电极区钝化
减小电极区域
金属-绝缘体-半 导体(MIS)接触模 式
19
表面钝化 方法
热氧氧化 SiO2
PECVD法 SiNx钝化
非晶硅aSi:H 钝化
20
顶部表面钝化太阳电池1
顶部表面
钝化技术和电极
区域钝化技术的 采用，使晶硅电 池效率突破18 %。
14
10000 0.05 15000 35
140
10000
5
单晶硅电池能带示意图
图 具有背电场的太阳能电池模型
6
2. 生产工艺：(1) 原料制备
冶金级硅 99% 太阳能级 多晶硅（6N）
还原法
SiO
2
2 C Si CO
2
改良西门子法 Si 3 HCl
SiHCl
1100
3 C
12
深扩散结导致表面“死层”的形成
死层
“死层”出现在结
表面区域，只吸收
入射光，不能产生
载流子。 浅扩散结减少或避 免了死层的出现。
扩散温度1000℃，随不同扩散时间，实测硅表面 磷被活化的深度分布
13
背电场技术
背电场作用：
① p-p+ 结对少子起
到势垒作用，减小 表面复合速度Sn ② 增加内建电压和
优点：
• 增加光被电池吸收的机会 • 延长光在电池内的传播路径
当(100)晶面的硅片经过选择性腐蚀后，显露 出来(111)晶面所形成的金字塔示意图(a) 和 反射光和折射光的光路示意图(b)
16
• 捕获更多长波入射光
黑体电池的表面限光结构
倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的限光结构
17
传统电池、紫电池与黑体电池的性能比较
44
小结：
1. 多晶硅太阳电池的转换效率略低于单晶硅太阳电池。目 前多晶硅电池最高转换效率为20.4%，略低于单晶硅电池 的25%, 但其制备成本远低于单晶硅电池。 2. 为减小晶界复合，一般采用定向柱状大晶粒多晶硅制备n+
p结多晶硅电池。
3. 与单晶硅电池相比，晶界钝化是多晶硅光伏电池制备工 艺的重要环节。
设计原则
优化载流子的输运：适当的掺杂 浓度Nd和Na、激光刻槽埋栅、背面 点接触、电极区域重掺杂等技术
35
多晶硅太阳电池
引言
多晶硅电池材料与器件特点
制备工艺 小结
36
1.引言
多晶硅电池组件
多晶硅电池片
多晶电池外观特点：
①表面看上去有“冰花状”花纹。
②电池片是正方形,无倒角。
37
2.1多晶硅电池材料的特点
图. 典型的晶体硅丝网印刷电池的结构示意图
25
（2）高效背面点接触电池
关键设计点：
图. 背面点接触电池
• 局部的背面接触 • 前表面无栅线
• 双面钝化和背面金属化
26
（3） HIT太阳能电池
结构特点： ① “三明治”结构 ② p型或n型a-Si和n型c-Si之间
夹有一层极薄的本征a-Si层
优点：
双 面 钝 化
图. 20世纪90年代早期报道的24%转换效率的PERL太阳电池
钝化发射极背面局域扩散（Passivated Emitter Rear Locally
diffused, PERL）太阳电池效率突破24 %！
23
PERL高效率太阳电池的特点：
前表面的受光表面钝化为氧化层
前表面制备倒金字塔结构的绒面
主要参数 厚度 xn、xp / (um) n型发射极 0.5 p型基极 300
掺杂浓度 Nd、Na /(cm-3 )
少子扩散系数 Dp、Dn / (cm2 /s) 少子寿命τp 、 τn /s
1019
2 10-6
1016
40 5×10-6
少子扩散长度 Lp Ln / (um)
表面复合速度 Sp Sa /(cm/s) 反射率 R 500nm入射光的吸收系数 a /(cm-1) 1000nm入射光的吸收系数 a /(cm-1)
★ 柱状多晶硅np太阳电池可以用多个硅微晶体（晶粒）并联而成的电路来描述。
42
3. 1.多晶硅生产工艺
冶金级硅 99% 太阳能级 多晶硅（6N）
还原法
SiO
2
2 C Si CO
2
改良西门子法 Si 3 HCl
SiHCl
1100
3 C
H
2
SiHCl
3
H
2
Si 3 HCl