高效晶体硅太阳电池简介（1）PERC电池是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最早研究的高效电池。
它的结构如图2-13a所示，正面采用倒金字塔结构，进行双面钝化，背电极通过一些分离很远的小孔贯穿钝化层与衬底接触，这样制备的电池最高效率可达到23.2％[26]。
由于背电极是通过一些小孔直接和衬底相接触的，所以此处没能实现钝化。
为了尽可能降低此处的载流子复合，所设计的孔间距要远大于衬底的厚度才可。
然而孔间距的增大又使得横向电阻增加（因为载流子要横向长距离传输才能到达此处），从而导致电池的填充因子降低。
另外，在轻掺杂的衬底上实现电极的欧姆接触非常困难，这就限制了高效PERC电池衬底材料只能选用电阻率低于0.5 Ωcm以下的硅材料。
为了进一步改善PERC电池性能，该实验室设想了在电池的背面增加定域掺杂，即在电极与衬底的接触孔处进行浓硼掺杂。
这种想法早已有人提出，但是最大的困难是掺杂工艺的实现，因为当时所采用的固态源进行硼掺杂后载流子寿命会有很大降低。
后来在实验过程中发现采用液态源BBr3进行硼掺杂对硅片的载流子寿命影响较小，并且可以和利用TCA制备钝化层的工艺有很好的匹配。
1990年在PERC结构和工艺的基础上，J.Zhao在电池的背面接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出PERL电池，结构如图2.13b所示[27]。
定域掺硼的温度为900 ℃，时间为20 min，随后采用了drive-in step技术（1070 ℃，2 h）。
经过这样处理后背面接触孔处的薄层电阻可降到20 Ω/□以下。
孔间距离也进行了调整，由2 mm缩短为250 µm，大大减少了横向电阻。
如此，在0.5 Ωcm和2 Ωcm的p型硅片上制作的4 cm2的PERL电池的效率可达23-24％，比采用同样硅片制作的PERC电池性能有较大提高。
1993年该课题组对PERL电池进行改善，使其效率提高到24％，1998年再次提高到24.4％，2001年达到24.7％，创造了世界最高记录。
这种PERL电池取得高效的原因是[28]：（1）正面采光面为倒金字塔结构，结合背电极反射器，形成了优异的光陷阱结构；（2）在正面上蒸镀了MgF2/ZnS双层减反射膜，进一步降低了表面反射；（3）正面与背面的氧化层均采用TCA工艺（三氯乙烯工艺）生长高质量的氧化层，降低了表面复合；（4）为了和双层减反射膜很好配合，正面氧化硅层要求很薄，但是随着氧化层的减薄，电池的开路电压和短路电流又会降低。
为了解决这个矛盾，相对于以前的研究，增加了“alneal”工艺，即在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 ℃的合成气氛中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。
经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高，而与正面氧化层的厚度关系不大。
这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，在Si/SiO2的界面处对一些悬挂键进行钝化。
（5）电池的背电场通过定域掺杂形成，掺杂的温度和时间至关重要，对实现定域掺杂的接触孔的设计也非常重要，因为这关系到能否在整个背面形成背电场以及体串联电阻的大小。
在这个电池中浓硼扩散区面积为30 µm×30 µm，接触孔的面积为10 µm ×10 µm，孔间距为250 µm，浓硼扩散区的面积仅占背面积的1.44%。
定域扩散提供了良好的背面场，同时减少了背面金属接触面积，使金属与半导体界面的高复合速率区域大大减少。
并且由于背面浓掺杂区域的大面积减少，也大大降低了背面的表面复合。
综合以上技术，该电池电学性能很好，在1.0 Ωcm左右的p型Fz硅片上制作的4 cm2的PERL电池开路电压达到706 mV，短路电流为42.2 mA/cm2，填充因子为82.8％，效率达24.7％。
在其它类型的硅片上采用PERL结构也可实现高效，例如采用MCZ 硅片制作的4 cm2的PERL电池效率达到23.5％[29]。
但是利用CZ（B）硅片上制作的4 cm2的PERL电池效率较低，只有18.7％，这是因为CZ硅里含有大量的氧，在光照的情况下会与硼发生反应导致效率大幅降低。
利用FZ硅制作大面积的PERL电池效率也很高，1997年制作的21.6 cm2的电池效率达到23.7％[30]。
对于多晶硅来说，它的载流子寿命较短，并且一般在高于950 ℃下进行处理时载流子寿命将会大幅降低。
但是在利用其制作PERL电池过程中，即使有的制备工艺温度在1100 ℃左右，载流子寿命也不会受到很大影响，这充分说明了PERL结构钝化工艺的完美。
1997年J.Zhao制备了1 cm2多晶硅PERL电池，考虑到载流子寿命较短，所以背面接触孔间的距离由250μm缩短到180μm，这虽然增加了接触孔的密度，但并不影响开路电压。
在正面没有采用倒金字塔陷光结构的情况下，该电池开路电压仍然达到643 mV，短路电流为34.5 mA/cm2，填充因子为82.0％，转换效率达18.2％[31]。
在对PERC电池改进成PERL电池的同时，又将定域掺杂扩大到在整个背面进行全掺杂，制成PERT电池，结构如图2-13c所示。
可以看出它和PERL结构非常相似，电极与衬底的接触孔处实行浓硼掺杂，但是在背面的其它区域增加了淡硼掺杂。
经过这样处理后，开路电压和填充因子可以得到最优化，更为重要的它可以在很高电阻率的衬底上达到较高的填充因子。
2001年在p型MCZ（B）硅片上制作的4 cm2的PERT电池效率达到24.5％，在n型Cz硅片上制作的电池效率也超过了21％[29]高效晶体硅太阳电池简介（2）HIT电池是三洋公司开发的大面积高效太阳电池。
这种电池具有结特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐。
三洋公司从90年代初就开始了利用n型硅片制作HIT电池的研究，94年取得了突破性的进展，成功制备出转换效率为20％的1 cm2 HIT电池[32]。
随后三洋公司展开产业化研究，97年制作的100 cm2 HIT电池效率达到17.3％，实现产业化；2000年三洋公司又利用n型CZ硅材料作为衬底，在100.5 cm2的CZ硅上制备出开路电压为719 mV，效率为20.7％的HIT太阳电池，创造了当时的最高记录[33]。
2003年三洋公司又把100 cm2HIT电池片的效率提高为21.2％，继续保持大面积电池的世界最高记录[34]。
HIT电池制作过程大致如下：利用PECVD在表面织构化后的n型CZ-Si片（200 µm，1 Ωcm ）的正面沉积很薄的本征α-Si:H层和p 型α-Si:H，然后在硅片的背面沉积薄的本征α-Si:H层和n型α-Si:H层；利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜（TCO），用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极[34]。
值得注意的是所有的制作过程都是在低于200 ℃的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。
HIT电池具有高效的原理是[32,34]：（1）全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；（2）双面制结，可以充分利用背面光线；（3）表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；（4）采用的n型硅片其载流子寿命很大，远大于p型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集；（5）织构化的硅片对太阳光的反射降低；（6）利用PECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因。
高效晶体硅太阳电池简介（3）刻槽埋栅电池也是澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最先研制成功的，由于具有高效、低成本和适合大批量生产的特点，很快引起注意。
西班牙BP Solar公司购买了其专利，成功地进行了产业化生产。
这个电池结构的主要特点是表面电极通过化学镀埋在硅衬底的沟槽里，电极与沟槽接触部位采用重掺杂，表面的其它地方进行淡磷扩散。
它的工艺过程一般为：清洗、腐蚀制绒面→清洗→淡磷扩散→热氧化钝化→开槽→槽区腐蚀→清洗→槽区浓磷扩散→背面蒸铝→烧制背场→化学镀埋栅→制作背面电极→蒸镀减反射膜→去边烧结→测试硅衬底表面的沟槽一般通过激光或机械切割进行，现在也有人尝试采用化学腐蚀方法。
p-n结的制作至关重要，采用淡磷、浓磷分区扩散分别形成p-n+和p-n++结，这既防止形成“死层”，又加大对周围光生载流子的收集。
埋栅电极分别通过化学镀镍、镀铜后浸银完成，这种方法比丝网印刷所制的电极其导电性和接触电阻等电学性能都要优越，并且成本更低。
埋栅电池具有高效的原因是[35～36]：（1）绒面、减反射膜和背面反射器的结合使太阳光充分被利用；（2）栅指电极只占电池表面积2～4％，遮光率很小，提高短路电流密度；（3）栅指电极排列紧密减小发射极电阻；（4）淡磷扩散避免形成“死层”，增加对短波的吸收；（5）埋栅电极处实行重掺杂使接触电阻降低，有利于欧姆接触；（6）埋栅电极深入到硅衬底内部增加对基区光生电子的收集；（7）浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高电池的开路电压。
刻槽埋栅电池既保留了高效电池的特点,又省去了高效电池制作中一些复杂工艺，很适合利用低成本、大面积的硅片进行大规模生产。
高效晶体硅太阳电池简介（4）背电极接触硅太阳电池是美国的Sunpower公司独特产品。
该电池完全采用背电极接触方式，正负极交叉排列在背面，前表面没有任何遮挡，p-n结位于背面，效率可达20％以上。
该电池在研发初期采用了高质量的n型FZ硅片和多步光刻技术，虽然最高效率可以达到23％，但是成本很高，只是满足一些特殊需要，如太阳能飞机和太阳能汽车等。
为了降低成本、扩大市场，在美国塞浦路斯半导体公司帮助下，Sunpower公司做了大量的研究，如尝试采用丝网印刷和激光刻槽技术代替光刻，改进扩散炉、湿化学腐蚀和清洁设备等。
2003年Sunpower公司终于推出最新的低成本高效太阳电池A-300，它的面积是148.8 cm2，开路电压为0.665 V，短路电流为5.75 A，功率为3.0 W，效率为20.0％以上[37]。
随后在菲律宾马尼拉市进行大规模投产，2004年产能为25 MW，2005年预计产能达到50 MW，并准备继续扩大生产线，使其年生产能力达到100 MW。
A-300电池是采用n型硅片做衬底，载流子的寿命在1 ms以上；电池的前表面采用优良的金字塔结构和减反射膜，并且由于没有任何电极的遮挡，从而使太阳光能尽量被太阳电池所吸收，提高电流密度；电池的前后表面都采用了热氧钝化技术，这对减少载流子的表面复合和增加长波响应非常有利，从而使开路电压得以提高；在前表面的钝化层下又进行了浅磷扩散，既形成了前表面场，提高短波响应，又避免了像在传统电池中进行重掺杂形成死层现象；电极和硅片是采用定点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，从而使载流子在电极表面复合的几率大为减少，进一步提高了开路电压[37]。