竞争激烈！PERC、IBC、SHJ、HBC、TopCon哪家技术更胜一筹

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针对如何降低光学损失和电学损失的问题，人们提出了多种结构的单晶硅太阳电池，目前转换效率超过25%的单晶硅太阳电池主要包括以下六种。

1.钝化发射极背场点接触(PEＲC)电池家族

新南威尔士大学(UNSW)MartinGreen领导的小组提出PERC结构的单晶硅太阳电池，在P型FZ硅片上实现了22．8%的高转换效率，其基本结构如图2a所示。1999年，UNSW的该团队再次宣布其PEＲL太阳电池(如图2b所示)转化效率达到24．7%。

与传统的单晶硅太阳电池相比，PEＲL太阳电池的主要特点和优势包括:

(1)氧化硅作为PEＲL太阳电池背表面的钝化层，界面的复合速率显著降低。

(2)背金属电极通过小孔接触到重掺杂的发射极，这种结构能够形成良好的欧姆接触，从而降低电阻损失。

(3)倒金字塔陷光结构提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作为双减反层减少了光的反射，两者共同显著提高了太阳电池的短路电流。为了解决背部接触不足带来的等效串阻增大等问题，他们将整个硅片背面先采用轻硼掺杂，而后再采用定域重硼掺杂制备金属接触区，从而形成PERT电池，其结构如图2c所示。它可以实现高电导和低背表面复合速率，改善了开路电压和填充因子，在4cm2的P型MCZ硅片上取得24．5%的高效率。而PEＲC太阳电池结构如图2a所示，它具有背表面钝化优异与其制备技术的优势，近年来得到产业界的广泛重视，成为产业界下一代高效率高端电池产品。

FraunhoferISE采用一种无光刻、加工速度快、适用各种不同硅衬底的技术，获得的PEＲC电池效率超过21%，具有很好的产业化前景。2017年，隆基乐叶和晶科两家公司分别报道了效率达到23．26%和23．45%的单晶硅PERC电池。2018年，他们又先后报道了效率为23．6%和23．95%的电池，成为光伏行业的里程碑。在PEＲC电池的制备工艺中，背部电极的设计和金属电极与硅基底之间形成良好的欧姆接触是两个关键的步骤。目前实现金属电极与硅基底的欧姆接触技术越来越成熟，在生产线上已经得到普遍的运用。

2．交叉指式背接触(IBC)太阳电池

1975年，Schwartz首次提出背接触式太阳电池。经过多年的发展，人们研发出了交叉指式背接触(IBC)太阳电池，其结构示意图如图3所示。

IBC太阳电池最显著的特点是PN结和金属接触都处于太阳电池的背部，前表面彻底避免了金属栅线电极的遮挡，结合前表面的金字塔绒面结构和减反层组成的陷光结构，能够最大限度地利用入射光，减少光学损失，具有更高的短路电流。同时，背部采用优化的金属栅线电极，降低了串联电阻。通常前表面采用SiNx/SiOx双层薄膜，不仅具有减反效果，而且对绒面硅表面有很好的钝化效果。这种前面无遮挡的太阳电池不仅转换效率高，而且具有外形美观等优势，适合应用于光伏建筑一体化，具有极大的商业化前景。目前IBC电池是商品化晶体硅电池中工艺最复杂、结构设计难度最大的电池，标志着晶体硅研发制造的最高水平。

作为IBC电池产业化领导者的美国SunPower公司已经研发了三代IBC太阳电池。其中，2014年在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池的最高效率达到25．2%。天合光能公司一直致力于IBC单晶硅电池的研发，2017年5月自主研发的大面积6英寸(243．2cm2)N型单晶硅IBC电池效率达到24．13%;2018年2月，该电池的效率进一步提高到25．04%，开路电压达到715．6mV，并经过日本电气安全与环境技术实验室(JET)独立测试认证。这是迄今为止经第三方权威认证的中国本土效率首次超过25%的单结单晶硅太阳电池，也是目前世界上大面积6英寸晶体硅衬底上制备的单晶硅太阳电池的最高转换效率，标志着天合在高端光伏电池技术研究上迈出了重要的一步。

3.硅异质结(SHJ)太阳电池

PERL电池和IBC电池虽然可以获得极高的效率，但都是基于同质PN结实现的。AFOＲS-HET的理论计算表明，异质结有利于太阳电池获得更高的开路电压，从而获得较高的电池效率。由于异质结中两种半导体材料的禁带宽度、导电类型、介电常数、折射率和吸收系数等不同，比同质结的应用更加广泛。从20世纪80年代起，日本Sanyo公司及随后的Panasonic公司在单晶硅异质结太阳电池(HIT，也称SHJ)领域一直处于领先地位，经过对本征a-Si∶H钝化层、背部场结构、高导电与高透过ITO、陷光结构、金属化栅线和硅片厚度等关键技术的不断优化与调整，2013年将面积为101．8cm2的SHJ太阳电池效率提高到24．7%，开路电压(Voc)达到750mV，远高于同质结电池的开路电压，其基本结构如图4所示。

硅异质结(SHJ)太阳电池研究的迅速发展与其自身具备的优势密切相关，其优势如下:低温制备工艺、异质结造就的高Voc、双面制绒结构实现的双面采光、全钝化层接触结构、无需光刻开孔、载流子的一维传输和低成本高效率等。日本Kaneka公司致力于单晶硅异质结太阳电池的研究，他们采用双面制绒的硅片，以本征a-Si∶H作为钝化层，能取得高的开路电压，这也是获得高效率的重要原因。该硅片采用了双面制绒技术，降低了光学损失，其两面都生长TCO，具有光学透明与导电双重功能。

此外，他们还在Ag电极上电镀Cu，降低了成本且提高了导电性，从而进一步优化了SHJ太阳电池的性能，其效率达到25．1%。

近年来我国在SHJ电池上已取得长足的进步。杭州赛昂报道的SHJ电池转换效率达到23．1%(有效面积229．9cm2)。中科院上海微系统与信息技术研究所自2015年在125mm×125mm的N-CZ硅片制备的电池取得22．5%的效率之后，通过改善硅片质量与绒面陷光结构，2017年2月在大面积(156mm×156mm)的N-CZ硅片上制备的SHJ电池效率达到23．5%。在工业化方面，国内外多家公司已经在逐步推进其产业化链的发展。

4.交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池

为了进一步提高单晶硅太阳电池转化效率，利用IBC电池高短路电流与SHJ电池高开路电压的优势，可结合成交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池，其结构示意图如图5所示。与IBC结构太阳电池相比，HBC太阳电池采用a-Si∶H作为双面钝化层，具有优异的钝化效果，能够取得更高的开路电压。

在生长PN结的工艺中，他们采用区域型掩膜掺杂，降低了载流子的复合损失。与SHJ结构的太阳电池相比，其前表面无电极遮挡，而且采用SiN减反层取代TCO，减少光学损失的优势更加显著(在短波长范围内)，结合前表面两点优势，HBC电池能够取得更高的短路电流。

2017年，日本Kaneka公司研发的电池先后取得了26．3%、26．63%的转化效率。该公司的HBC电池(SHJ+IBC)前表面无金属电极，背部P、N层呈现有序规则的交错排列，大大降低了串联电阻Ｒs，且与P、N层接触相间的金属电极能够形成很好的欧姆接触，增大了短路电流。另外，优异的本征钝化层能够获取高的开路电压。这两大优势也决定了Kaneka公司能够相继取得世界晶硅电池的最高效率。

5.隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池

德国Fraunhofer研究中心在电池背面利用化学方法制备一层超薄氧化硅(～1．5nm)，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，这种技术被称为隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术。由于n+多晶硅与吸收层的功函数存在差异，前者会在后者表面形成一个累积层。累积层或者能带弯曲会产生一个势垒阻挡空穴达到隧穿氧化层，而电子则能够轻易达到。相比于电子，超薄氧化层也会为空穴提供更高的势垒阻挡其隧穿，因而该层具有载流子选择性。TOPCon太阳电池的隧穿氧化层钝化接触结构的能带图和其结构示意图如图6a、b所示。

Fraunhofer研究所采用N型FZ硅片，正面采用普通金字塔制绒，硼扩散，等离子体辅助的原子层沉积(ALD)氧化铝与等离子体化学气相沉积(PECVD)氮化硅的叠层结构起到钝化和减反效果。背面采用上述TOPCon技术(基于硝酸热氧化化学工艺)，PECVD沉积n+掺杂的多晶硅，接着通过进行高温(70～900℃)退火和氢钝化改善硅薄膜的形貌与带隙，最后正、反金属化采用电子束蒸发的Ti/Pd/Ag叠层和热蒸发的Ag实现，最终效率达到25．1%(Voc=718mV，短路电流(Jsc)=42．1mA/cm2，填充因子(FF)=83．2%)。随后，他们使用最佳厚度、低电阻率的硅片，并改变前表面减反层(SiNx/MgF2)，进一步降低光学损失，使得电池效率进一步提高到25．7%。

图6c体现出背部全钝化接触与载流子一维传输特征，其中蓝色箭头表示电子传输。TOPCon最关键的技术就是超薄氧化层的制备。目前研究人员探索出一系列超薄氧化层的制备方法，如紫外臭氧氧化、等离子体辅助氧化(N2和O2混合气氛)、湿化学方法氧化(硝酸热氧化、盐酸热氧化)、高温热氧化(Ar与O2混合氛围下快速热氧化、超高真空热氧化)、高温中性氧原子等离子体氧化、场诱导阳极氧化等。

采用TOPCon技术的高效晶硅太阳电池虽然还处于研发阶段，但是该技术的运用也取得了一定的进展。实验室中，Yamamoto等将前表面SHJ的技术与背部采用TOPCon的技术结合，使得新型结构的电池(SHJ+TOPCon)效率接近于25%。基于IBC电池的优异结构，Ｒeichel等通过离子注入的形式将IBC结构与TOPCon技术结合，制备出新型的电池(IBC+TOPCon)，其Voc为682mV，伪填充因子(pFF)为82．2%。

而Tao等以大面积(239cm2)的N-CzSi为衬底制备出了效率为21．2%的TOPCon电池，他们采用在室温和100℃环境下的湿化学硝酸氧化技术制备隧穿氧化层，并说明前表面发射极的复合影响电池性能，具有工业化生产的应用前景。随着TOPCon电池的超薄氧化层制备技术不断成熟，其不仅在实验室中得到了广泛的应用，而且具有很大的市场产业化空间。TOPCon太阳电池具有的工业化应用前景在于TOPCon技术的多样性，晶硅太阳电池的PN结、金属电极、减反层等工业技术已经成熟，为工业化生产高效晶硅太阳电池提供了一种选择。

6.多晶硅氧化物选择钝化接触太阳电池

德国哈梅林研究所(ISFH)Peibst等致力于P型单晶硅太阳电池的研究，结合多晶硅和氧化从而形成全钝化接触，称之为POLO结构，其对应的POLO太阳电池结构如图7所示。POLO电池与TOPCon电池都是采用了多晶硅加氧化层结构设计，且其对应的氧化层的生长方法相近，不同点在于:

(1)前者先采用低压化学气相沉积(LPD)法沉积本征多晶硅，然后采用离子注入形成n+/p+多晶硅，后者则采用PECVD法沉积n+多晶硅。

(2)前者需要两面都生长氧化层，并分别生长n+、p+多晶硅;后者只需背部生长氧化层，并沉积n+多晶硅。

(3)前者在离子注入后会形成n+/p+c-Si，而后者无该掺杂技术的使用，不会形成p+/n+c-Si。与a-Si:H/a-Si异质结相比，多晶硅/c-Si结的饱和电流密度和接触电阻更低，且其载流子的选择性更好。

多晶硅虽然具有很高的缺陷态，但是应用于背结背接触POLO太阳电池(POLO-BJBC)中能够大幅降低载流子在PN结中的损失，从而取得了23．9%的效率。随后，ISFH研究所对比了同样厚度的p-a-Si∶H层与p-多晶硅层，结果发现，因寄生吸收造成的短路电流密度损失，前者要高于后者。他们研究多晶硅/c-Si结的载流子选择性的原理发现，n+-多晶硅和p+-多晶硅分别具有电子、空穴选择性，通过化学刻蚀的沟槽隔开，分别与表面氧化物接触，因而具有优异的钝化效果。

基于SHJ电池的优异钝化性能、多晶硅/c-Si选择性输运和TOPCon的隧穿氧化钝化特性,Stodolny等提出了称之为钝化发射极及背部多晶硅氧化物选择性接触(PEＲPloy)的新型结构的硅电池，取得了超过22%的转化效率。ISFH研究所Hasse等采用N型硅片衬底制备POLO电池，他们改善了POLO太阳电池的工艺流程，采用了无需光刻技术的方法，最终获得24．25%的高转化效率。2018年2月，德国ISFH研究所报道了基于P型硅片的单晶硅太阳电池，其效率达到了26．1%。ISFH研究制备的POLO太阳电池的基本结构示意图如图8所示。

比较图7和图8可知，后者的结构结合了IBC太阳电池结构的优势，前表面无金属电极，提高了入射光的利用率;而且后者结构更复杂，前后减反层分别为AlOx/SiNy/SiOz随机金字塔状结构、AlOx/SiOz叠层结构，进一步增强了钝化与光吸收效果。其中，POLO技术的最关键点为氧化物的生长和本征多晶体硅的沉积。首先在硅片两面进行热氧化或是紫外臭氧氧化，生长氧化硅层。然后通过LPD技术沉积本征多晶硅，再运用离子注入技术，形成P、N型的多晶硅和单晶硅。

利用光刻胶作为保护层，通过湿化学法对背面进行刻蚀，从而形成沟槽，将P、N型分离开后分别与金属电极接触，降低了载流子的复合，且形成载流子的选择性输运。相比于前面提到的几种结构的高效单晶硅太阳电池，该电池的制备流程复杂、繁琐，且目前只适合实验室制备阶段。但其优势也很突出，具有优异的选择性钝化接触特性，低温条件下就可以制备，且对硅衬底表面的洁净度要求不高。POLO-IBC电池离投入工业并大量生产还有一段距离，不仅仅需要简化工艺流程，而且还要兼顾成本与环保。

高效单晶硅太阳电池的最新进展及发展趋势

陈俊帆1，2赵生盛1，2高天1，2徐玉增1，2张力1，2

丁毅1，2张晓丹1，2赵颖1，2侯国付1，2

1 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所

2 天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室

来源：材料导报

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