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摘要：
以金剛線切割的多晶硅片為基礎，正面是低反射率的亞微米級絨面，結合SiOx/SiNx薄膜保證正面的鈍化效果。背面采用AlOx/SiNx疊層鈍化，形成PERC電池結構，大大改善背表面的鈍化效果。低反射率的亞微米級絨面使得高效多晶電池具有明顯的短路電流增益。SiOx/SiNx薄膜又能夠使得正面的表面積增加的情況下，鈍化效果不降低。背面PERC結構一方面提高了背面長波段的光譜響應，同時背面的背反射改善了長波段太陽光的利用次數。這種高效電池結構保證了優越的短路電流、開路電壓和填充因子，最終獲得了高轉換效率。
1、概述
近年來單晶技術的多項進步（切割及高效電池）使得成本大為降低，對以性價比優勢主導市場的多晶產品構成了壓力。
晶體硅采用電鍍金剛線或樹脂金剛線進行切割的，其優點為表面損傷少、潔凈度高、幾何參數優、機械不良率低等特點，切割過程環保等。金剛線切片具備成本優勢：①切縫損失小，硅料利用率高，單公斤出片數可以達到53片以上。②單片金剛線消耗低于砂漿消耗成本及產能高能夠降低折舊費用。金剛線加工最主要的優勢為切割效率可提升20%-40%，切割成本可降低15-20%；按照當前的硅料及硅片價格，金剛線切割多晶的成本較砂漿加工，單片成本約降低0.3-0.4元。
行業樹脂金剛線多晶小規模量產數據顯示合格率可以達到95%左右，切割工藝較為穩定。樹脂金剛線切割已經逐步解決了斷線、切割臺速低、碎片率高等問題。
金剛線切多晶硅片由于表面損傷層淺使用常規酸制絨反射率高達40%以上，轉化效率低等問題。黑硅技術可以解決硅片的絨面難題，并大幅提升電池端轉化效率。ITRPV機構預測2016年金剛線硅片比例：多晶由2015年5%到2016年增加至10%；單晶由2015年35%到2016年增加至50%。金剛線切片市場前景廣闊。
2、高效電池的路線
高效電池需要克服的問題：（1）增大捕獲入射光的吸收；（2）減少光生少子在體內、表面的復合；（3）減少電極接觸電阻；
方面1：光在硅中的吸收深度如圖1所示，短波主要在硅電池上表面1μm深度內吸收，長波則能穿透更深的距離。黑硅及背鈍化技術可以提升硅電池的短波及長波吸收，提升量子效率。
方面2：體復合和表面復合都是重要的，背鈍化主要為降低背面復合速率提升少子壽命及開路電壓。
方面3：減小正面電極的電阻損耗往往需要和減小正面電極的遮光面積之間進行平衡。其中在工業化生產中應用最成熟的是多主柵及密柵電池技術。
本文結合黑硅的表面狀態及背鈍化技術進行分析，探討組件功率提升的完全商業可行的技術。
2.1黑硅技術簡介
造成常規多晶效率低于單晶效率主要為多晶酸制絨在（300-450nm）的反射率較高，如何才能降低這部分的損失？
將材料表面加工成介于微米-納米級的微孔即可有效降低硅反射率從而提高短波的光吸收[1-5]。黑硅電池，核心是通過刻蝕技術，一方面在常規硅片表面制絨的基礎上形成納米級的小絨面，從而加大陷光的效果降低反射率，增加對光的吸收；另一方面，通過二次刻蝕來降低表面復合，從而將常規電池的轉換效率絕對值提高。
主流黑硅技術為干法制絨的離子反應法（ReactiveIonEtching，RIE）及濕法制絨的金屬催化化學腐蝕法（metalCatalyzedChemicalEtching，MCCE），干法黑硅設備以常州比太科技為主，濕法黑硅設備以阿特斯和尚德以自我改造為主。
干法黑硅與濕法黑硅的差別：干法黑硅屬于單面制備，濕法為兩面制備；前者受設備參數影響較大，后者受硅片質量及工藝條件影響較大。
黑硅技術可以將制絨后反射率做的很低，但是需要平衡載流子復合及鈍化才能能實現效率的有效提升。
行業內常規電池效率疊加黑硅技術電池轉化效率可以達到18.9-19.0%，組件功率可以達到270W功率檔。
2.2背鈍化技術簡介
鈍化發射區背面（Passivatedemitterrearcontact，PERC）技術，通過在電池的背面添加一個電介質鈍化層來提高電池的轉換效率。該技術在常規電池的背表面制備SiO2、Al2O3、SiNx鈍化膜，將p-n結間的電勢差最大化，這就可以使電流更加穩定，降低了電子的復合，從而提升電池效率。
Al2O3薄膜具有極低的界面缺陷和較高的固定負電荷密度，能夠提供良好的表面鈍化效果；鍍膜或進行激光開槽，使光生電流通過該窗口被背面鋁層收集[6-10]。
背面疊層結構材料折射率為硅3.9，氮化硅2.1，氧化鋁1.6；背面的疊層結構可以實現：
①光從光密到光疏介質時在一定角度都可以形成全反射，增大光反射的幾率。
②PREC結構中間多一層疊層膜，增加紅光吸收減少穿透損失。
目前PERC電池的制備以P或N型單晶硅為主，對硅片襯底的電阻率和少子壽命提出了更高的要求。一般要求少子壽命高于100us。其光致衰減（LID）與普通單晶硅電池無明顯差別，如果采用摻鎵（Ga）技術，能夠進一步降低LID效應。
PERC技術在2014年開始成熟，多晶硅電池可提升轉化效率0.5%，單晶硅電池可提升1%。預計2018年PERC電池將占晶硅太陽電池總產能的30%以上。
2.3效率提升瓶頸
黑硅以其極低的反射率為制造高效太陽能電池提供了可能性，但在制備過程中會引入的大量表面缺陷并在硅表面形成表面態密度，作為復合中心導致載流子壽命大大減小[3-4]。因此，黑硅太陽能電池的制造過程，有效的表面鈍化不可或缺。
2.3.1前表面鈍化
目前主流多晶的擴散均使用淺結高方阻工藝，結深為0.3μm左右；PN結區產生的載流子經過相對較長的距離才能被電極收集到。黑硅絨面腐蝕坑的深度及開口大小會對載流子橫向輸運造成影響；
前表面結合二氧化硅及氮化硅膜，界面態密度降低至1-2×1012/cm2量級，即可實現良好的鈍化效果。行業經驗認為開孔寬度在400±50nm，深度在180±50nm適合電池效率的提升。
2.3.2背表面鈍化
根據復合理論，復合率越高少子擴散長度越短，開路電壓也就越低。良好的背面鈍化效果有益于提升電參的開壓、短路電流及填充因子，進而提升電池轉化效率。
目前的鋁背面場可以提供一定的場鈍化效果，但Al作為受主雜質在硅材料內部的固溶度較低，鋁背場提供的場鈍化效果比較弱。AlOx/SiNx鈍化薄膜，一方面AlOx薄膜內部的固定負電荷密度較高，能夠提供較強的場鈍化能力；另一方面，在高溫燒結過程中，AlOx與P型硅基片界面能夠形成一層1~2nm厚的SiOx層，起到介質鈍化的作用。AlOx/SiNx疊層薄膜能夠將少數載流子的表面復合速率降低到10cm/s。
對于P型基底高效電池結構，如PERC、PERL、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx疊層鈍化薄膜為基礎。背面鍍完膜后進行局部的激光剝離出硅基片和背面鋁層的接觸窗口，背面的光生電流通過該窗口被背面鋁層收集。目前PERC電池技術已經成為熱門的高效量產技術。
存在的問題：背鈍化技術在多晶應用上的困境為主流P型硅的硼氧復合對導致的光致衰減比較大。有些設備廠家正在著手從設備設計上實現降低P型多晶的衰減。
2.3.3技術匹配
由于金剛線切割硅片損傷層一般小于5微米，優于砂漿切片的損傷[11-12]；裸片測試少子壽命＞1.4μs，普通砂漿片少子壽命＞1.2μs；由于損傷層的不同，金剛線濕法黑硅的工藝需考慮電學及光學的性能，最終實現效率提升[13]。
背鈍化技術能鈍化黑硅的表面[9-10]，行業內金剛線加工多晶硅片在黑硅及背鈍化技術的結合下可實現量產效率突破20%，60片規格組件功率可以達到285W，可以滿足領跑者認證計劃的效率目標。
根據界面態缺陷導致的載流子復合，我們認為濕法黑硅在硅片背面拋光，例如通過刻蝕深度及少子壽命優化，然后進行氧化鋁及氮化硅的復合鈍化，其與干法相比的效率差異會縮小。隨著黑硅工藝的推廣，金剛線切多晶硅片的比例將逐步增加。
3、小結
多晶硅片在金剛線切割+黑硅技術+背鈍化技術的匹配下，優越的光吸收帶來電流增益，良好的鈍化實現開壓提升，最終實現"1+1>2"的效果。
多晶電池效率可以突破20%，60片組件功率達到285W；制造商為了維持稼動率并取得較佳的利潤，會更加重視高效市場的需求，也會持續發展PERC、黑硅等技術。高效技術的結合促進光伏發電平價上網，擴大市場占有量的目的。
參考文獻
（1）蘇曉東，代智華，鄒帥，韓長安，辛煜，王栩生，章靈軍 《全液相法制備納米黑硅材料及其太陽電池》。第八屆中國太陽級硅及光伏發電研討會論文集，463，2012年
（2）鄧彤，劉愛民，李葛亮，李永祥，竇智《黑硅的表面態研究》 中國科技論文在線 2013年4月-
（3）岳之浩 《黑硅和黑硅太陽電池的制備和性能的分析》南京航空航天大學 博士論文 2013年9月
（4）郭婉《黑硅太陽能電池制備與表面鈍化的研究》大連理工大學 碩士論文 2013年9月
（5）余超 《黑硅太陽能電池的工藝研究》北京交通大學 碩士論文 2014年6月
（6）朱彥斌，梁宗存，陳達明，沈輝 《晶體硅電池表面鈍化技術進展》中國光伏大會暨展覽會，2010年7月
（7）趙素香、張松 、王振交、李果華 、季靜佳《PERC 結構多晶硅太陽電池的研究》 2012年 半導體技術第 37 卷第 12 期939-942
（8）賀強 《背面拋光及鈍化多晶硅太陽能電池研究》 北京交通大學 碩士學位論文 2013年6月
（9）孫昀、賈銳、孟彥龍、王仕建、金智、劉新宇 《用于高效硅太陽電池的原子層沉積Al2O3表面鈍化特性研究》 《太陽能》 2013年06期
（10）梁宗存，王殿磊，朱彥斌 《高效太陽電池硅襯底特性對原子層沉積Al2O3薄膜鈍化性能的影響》 《半導體學報》, 2014, 35(5):054002-6
（11）周肅，周春蘭，王文靜，湯葉華，陳靜偉 《硅片切割工藝對表面損傷層結構及堿制絨工藝的影響》 《中國光伏大會》2013年
（12）雷登輝，郭永剛，董鵬 《金剛線切割對太陽能電池效率影響研究》《中國化工貿易》2014年 138-140
（13）曹芳《金剛石線鋸切割多晶硅表面制絨方法的研究》 蘇州大學 碩士論文 2015年5月
以金剛線切割的多晶硅片為基礎，正面是低反射率的亞微米級絨面，結合SiOx/SiNx薄膜保證正面的鈍化效果。背面采用AlOx/SiNx疊層鈍化，形成PERC電池結構，大大改善背表面的鈍化效果。低反射率的亞微米級絨面使得高效多晶電池具有明顯的短路電流增益。SiOx/SiNx薄膜又能夠使得正面的表面積增加的情況下，鈍化效果不降低。背面PERC結構一方面提高了背面長波段的光譜響應，同時背面的背反射改善了長波段太陽光的利用次數。這種高效電池結構保證了優越的短路電流、開路電壓和填充因子，最終獲得了高轉換效率。
1、概述
近年來單晶技術的多項進步（切割及高效電池）使得成本大為降低，對以性價比優勢主導市場的多晶產品構成了壓力。
晶體硅采用電鍍金剛線或樹脂金剛線進行切割的，其優點為表面損傷少、潔凈度高、幾何參數優、機械不良率低等特點，切割過程環保等。金剛線切片具備成本優勢：①切縫損失小，硅料利用率高，單公斤出片數可以達到53片以上。②單片金剛線消耗低于砂漿消耗成本及產能高能夠降低折舊費用。金剛線加工最主要的優勢為切割效率可提升20%-40%，切割成本可降低15-20%；按照當前的硅料及硅片價格，金剛線切割多晶的成本較砂漿加工，單片成本約降低0.3-0.4元。
行業樹脂金剛線多晶小規模量產數據顯示合格率可以達到95%左右，切割工藝較為穩定。樹脂金剛線切割已經逐步解決了斷線、切割臺速低、碎片率高等問題。
金剛線切多晶硅片由于表面損傷層淺使用常規酸制絨反射率高達40%以上，轉化效率低等問題。黑硅技術可以解決硅片的絨面難題，并大幅提升電池端轉化效率。ITRPV機構預測2016年金剛線硅片比例：多晶由2015年5%到2016年增加至10%；單晶由2015年35%到2016年增加至50%。金剛線切片市場前景廣闊。
2、高效電池的路線
高效電池需要克服的問題：（1）增大捕獲入射光的吸收；（2）減少光生少子在體內、表面的復合；（3）減少電極接觸電阻；
方面1：光在硅中的吸收深度如圖1所示，短波主要在硅電池上表面1μm深度內吸收，長波則能穿透更深的距離。黑硅及背鈍化技術可以提升硅電池的短波及長波吸收，提升量子效率。
方面2：體復合和表面復合都是重要的，背鈍化主要為降低背面復合速率提升少子壽命及開路電壓。
方面3：減小正面電極的電阻損耗往往需要和減小正面電極的遮光面積之間進行平衡。其中在工業化生產中應用最成熟的是多主柵及密柵電池技術。
本文結合黑硅的表面狀態及背鈍化技術進行分析，探討組件功率提升的完全商業可行的技術。
2.1黑硅技術簡介
造成常規多晶效率低于單晶效率主要為多晶酸制絨在（300-450nm）的反射率較高，如何才能降低這部分的損失？
將材料表面加工成介于微米-納米級的微孔即可有效降低硅反射率從而提高短波的光吸收[1-5]。黑硅電池，核心是通過刻蝕技術，一方面在常規硅片表面制絨的基礎上形成納米級的小絨面，從而加大陷光的效果降低反射率，增加對光的吸收；另一方面，通過二次刻蝕來降低表面復合，從而將常規電池的轉換效率絕對值提高。
主流黑硅技術為干法制絨的離子反應法（ReactiveIonEtching，RIE）及濕法制絨的金屬催化化學腐蝕法（metalCatalyzedChemicalEtching，MCCE），干法黑硅設備以常州比太科技為主，濕法黑硅設備以阿特斯和尚德以自我改造為主。
干法黑硅與濕法黑硅的差別：干法黑硅屬于單面制備，濕法為兩面制備；前者受設備參數影響較大，后者受硅片質量及工藝條件影響較大。
黑硅技術可以將制絨后反射率做的很低，但是需要平衡載流子復合及鈍化才能能實現效率的有效提升。
行業內常規電池效率疊加黑硅技術電池轉化效率可以達到18.9-19.0%，組件功率可以達到270W功率檔。
2.2背鈍化技術簡介
鈍化發射區背面（Passivatedemitterrearcontact，PERC）技術，通過在電池的背面添加一個電介質鈍化層來提高電池的轉換效率。該技術在常規電池的背表面制備SiO2、Al2O3、SiNx鈍化膜，將p-n結間的電勢差最大化，這就可以使電流更加穩定，降低了電子的復合，從而提升電池效率。
Al2O3薄膜具有極低的界面缺陷和較高的固定負電荷密度，能夠提供良好的表面鈍化效果；鍍膜或進行激光開槽，使光生電流通過該窗口被背面鋁層收集[6-10]。
背面疊層結構材料折射率為硅3.9，氮化硅2.1，氧化鋁1.6；背面的疊層結構可以實現：
①光從光密到光疏介質時在一定角度都可以形成全反射，增大光反射的幾率。
②PREC結構中間多一層疊層膜，增加紅光吸收減少穿透損失。
目前PERC電池的制備以P或N型單晶硅為主，對硅片襯底的電阻率和少子壽命提出了更高的要求。一般要求少子壽命高于100us。其光致衰減（LID）與普通單晶硅電池無明顯差別，如果采用摻鎵（Ga）技術，能夠進一步降低LID效應。
PERC技術在2014年開始成熟，多晶硅電池可提升轉化效率0.5%，單晶硅電池可提升1%。預計2018年PERC電池將占晶硅太陽電池總產能的30%以上。
2.3效率提升瓶頸
黑硅以其極低的反射率為制造高效太陽能電池提供了可能性，但在制備過程中會引入的大量表面缺陷并在硅表面形成表面態密度，作為復合中心導致載流子壽命大大減小[3-4]。因此，黑硅太陽能電池的制造過程，有效的表面鈍化不可或缺。
2.3.1前表面鈍化
目前主流多晶的擴散均使用淺結高方阻工藝，結深為0.3μm左右；PN結區產生的載流子經過相對較長的距離才能被電極收集到。黑硅絨面腐蝕坑的深度及開口大小會對載流子橫向輸運造成影響；
前表面結合二氧化硅及氮化硅膜，界面態密度降低至1-2×1012/cm2量級，即可實現良好的鈍化效果。行業經驗認為開孔寬度在400±50nm，深度在180±50nm適合電池效率的提升。
2.3.2背表面鈍化
根據復合理論，復合率越高少子擴散長度越短，開路電壓也就越低。良好的背面鈍化效果有益于提升電參的開壓、短路電流及填充因子，進而提升電池轉化效率。
目前的鋁背面場可以提供一定的場鈍化效果，但Al作為受主雜質在硅材料內部的固溶度較低，鋁背場提供的場鈍化效果比較弱。AlOx/SiNx鈍化薄膜，一方面AlOx薄膜內部的固定負電荷密度較高，能夠提供較強的場鈍化能力；另一方面，在高溫燒結過程中，AlOx與P型硅基片界面能夠形成一層1~2nm厚的SiOx層，起到介質鈍化的作用。AlOx/SiNx疊層薄膜能夠將少數載流子的表面復合速率降低到10cm/s。
對于P型基底高效電池結構，如PERC、PERL、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx疊層鈍化薄膜為基礎。背面鍍完膜后進行局部的激光剝離出硅基片和背面鋁層的接觸窗口，背面的光生電流通過該窗口被背面鋁層收集。目前PERC電池技術已經成為熱門的高效量產技術。
存在的問題：背鈍化技術在多晶應用上的困境為主流P型硅的硼氧復合對導致的光致衰減比較大。有些設備廠家正在著手從設備設計上實現降低P型多晶的衰減。
2.3.3技術匹配
由于金剛線切割硅片損傷層一般小于5微米，優于砂漿切片的損傷[11-12]；裸片測試少子壽命＞1.4μs，普通砂漿片少子壽命＞1.2μs；由于損傷層的不同，金剛線濕法黑硅的工藝需考慮電學及光學的性能，最終實現效率提升[13]。
背鈍化技術能鈍化黑硅的表面[9-10]，行業內金剛線加工多晶硅片在黑硅及背鈍化技術的結合下可實現量產效率突破20%，60片規格組件功率可以達到285W，可以滿足領跑者認證計劃的效率目標。
根據界面態缺陷導致的載流子復合，我們認為濕法黑硅在硅片背面拋光，例如通過刻蝕深度及少子壽命優化，然后進行氧化鋁及氮化硅的復合鈍化，其與干法相比的效率差異會縮小。隨著黑硅工藝的推廣，金剛線切多晶硅片的比例將逐步增加。
3、小結
多晶硅片在金剛線切割+黑硅技術+背鈍化技術的匹配下，優越的光吸收帶來電流增益，良好的鈍化實現開壓提升，最終實現"1+1>2"的效果。
多晶電池效率可以突破20%，60片組件功率達到285W；制造商為了維持稼動率并取得較佳的利潤，會更加重視高效市場的需求，也會持續發展PERC、黑硅等技術。高效技術的結合促進光伏發電平價上網，擴大市場占有量的目的。
參考文獻
（1）蘇曉東，代智華，鄒帥，韓長安，辛煜，王栩生，章靈軍 《全液相法制備納米黑硅材料及其太陽電池》。第八屆中國太陽級硅及光伏發電研討會論文集，463，2012年
（2）鄧彤，劉愛民，李葛亮，李永祥，竇智《黑硅的表面態研究》 中國科技論文在線 2013年4月-
（3）岳之浩 《黑硅和黑硅太陽電池的制備和性能的分析》南京航空航天大學 博士論文 2013年9月
（4）郭婉《黑硅太陽能電池制備與表面鈍化的研究》大連理工大學 碩士論文 2013年9月
（5）余超 《黑硅太陽能電池的工藝研究》北京交通大學 碩士論文 2014年6月
（6）朱彥斌，梁宗存，陳達明，沈輝 《晶體硅電池表面鈍化技術進展》中國光伏大會暨展覽會，2010年7月
（7）趙素香、張松 、王振交、李果華 、季靜佳《PERC 結構多晶硅太陽電池的研究》 2012年 半導體技術第 37 卷第 12 期939-942
（8）賀強 《背面拋光及鈍化多晶硅太陽能電池研究》 北京交通大學 碩士學位論文 2013年6月
（9）孫昀、賈銳、孟彥龍、王仕建、金智、劉新宇 《用于高效硅太陽電池的原子層沉積Al2O3表面鈍化特性研究》 《太陽能》 2013年06期
（10）梁宗存，王殿磊，朱彥斌 《高效太陽電池硅襯底特性對原子層沉積Al2O3薄膜鈍化性能的影響》 《半導體學報》, 2014, 35(5):054002-6
（11）周肅，周春蘭，王文靜，湯葉華，陳靜偉 《硅片切割工藝對表面損傷層結構及堿制絨工藝的影響》 《中國光伏大會》2013年
（12）雷登輝，郭永剛，董鵬 《金剛線切割對太陽能電池效率影響研究》《中國化工貿易》2014年 138-140
（13）曹芳《金剛石線鋸切割多晶硅表面制絨方法的研究》 蘇州大學 碩士論文 2015年5月
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