晶硅太陽能電池的表面鈍化一直是設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重中之重。從早期的僅有背電場鈍化，到正面氮化硅鈍化，再到背面引入諸如氧化硅、氧化鋁、氮化硅等介質(zhì)層的鈍化局部開孔接觸的PERC/PERL設(shè)計(jì)。雖然這一結(jié)構(gòu)暫時緩解了背面鈍化的問題，但并未根除，開孔處的高復(fù)合速率依然存在，而且使工藝進(jìn)一步復(fù)雜。近幾年來，一種既能實(shí)現(xiàn)背面整面鈍化，且無需開孔接觸的技術(shù)成為機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，這就是鈍化接觸(PassivatedContact)技術(shù)。當(dāng)電池兩面均采用鈍化接觸時，還可能實(shí)現(xiàn)無需擴(kuò)散PN結(jié)的選擇性接觸(SelectiveContact)電池結(jié)構(gòu)。本文將詳細(xì)介紹鈍化接觸技術(shù)的背景，特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，并討論如何使用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇性接觸電池。

表面鈍化的演進(jìn)鈍化的“史前時代”

在90年代之前晶硅電池商業(yè)化生產(chǎn)的早期，太陽能電池制造商已經(jīng)開始采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，但與我們?nèi)缃袷褂玫挠钟兴煌Ｖ饕膮^(qū)別在于兩點(diǎn)：首先當(dāng)時的正面網(wǎng)印銀漿沒有燒穿(Fire-through)這一功能，因此在當(dāng)時的生產(chǎn)線上，需要先進(jìn)行網(wǎng)印，而后沉積當(dāng)時的TiO2減反射層。另一個區(qū)別在于當(dāng)時的銀漿與硅形成有效歐姆接觸的能力較差，只有與高摻雜的硅才可以接觸良好。由于TiO2沒有很好的鈍化功能，人們在當(dāng)時并沒有過多的考慮鈍化。而且由于減反射層在金屬電極之上，因此沉積的時候需要用模版遮擋主柵，以便后續(xù)的串焊。

雖然這一時期，在實(shí)驗(yàn)室中，科研人員已經(jīng)采用SiO2鈍化電池表面，并取得不俗的開路電壓和效率。

SiNx：H第一次進(jìn)化

90年代，科研機(jī)構(gòu)和制造商開始探索使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)制備含氫的氮化硅(SiNx：H)薄膜用作電池正面的減反射膜。其中原因之一在于相對合適的折射率，但更重要的原因則在于氮化硅優(yōu)良的的鈍化效果。氮化硅除了可以飽和表面懸掛鍵，降低界面態(tài)外，還通過自身的正電荷，減少正面n型硅中的少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率。SiNx中攜帶的氫可以在燒結(jié)的過程中擴(kuò)散到硅片中，對發(fā)射極和硅片的內(nèi)部晶體缺陷進(jìn)行鈍化，這對品質(zhì)較低的多晶硅片尤其有效，大幅提高了當(dāng)時太陽能電池的效率。

伴隨著鈍化材料上的創(chuàng)新，銀漿材料與燒結(jié)工藝上的變革也同時到來，那就是可以燒穿的漿料和共燒(Co-firing)燒結(jié)工藝。有了燒穿特性后，可以先進(jìn)行減反射膜的沉積，后網(wǎng)印漿料，然后燒結(jié)。由于順序的顛倒，不用再擔(dān)心金屬柵線上覆蓋的減反射層影響焊接，也省去了沉積TiO2需要的部分遮擋。同時人們發(fā)明了將正反面漿料一次燒結(jié)的共燒工藝，在一次燒結(jié)中，正面的銀漿穿過SiNx與硅形成接觸，而背面的鋁漿也同步形成背面電極和背電場(backsurfacefield)。這一系列改進(jìn)大大簡化了絲網(wǎng)印刷電池的工藝，并逐漸成為了晶硅電池生產(chǎn)的主流。

太陽能電池表面鈍化結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

AlOx第二次進(jìn)化

隨著電池正面的鈍化效果和接觸性能由于SiNx的使用和銀漿改進(jìn)在不斷提高，進(jìn)一步優(yōu)化正面已經(jīng)進(jìn)入瓶頸階段，人們把視線投向了另一個復(fù)合嚴(yán)重的區(qū)域，那就是電池的背表面。雖然在傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的晶硅電池中，鋁背場可以減少少子濃度，減少復(fù)合，但仍然無法與使用介質(zhì)層帶來的鈍化效果相比較。其實(shí)背面的介質(zhì)層鈍化也非新鮮話題，UNSW早在90年代就提出了發(fā)射極和背面鈍化(PERC)結(jié)構(gòu)以及發(fā)射極和背面鈍化局部擴(kuò)散(PERL)結(jié)構(gòu)，在早期設(shè)計(jì)中，這兩種結(jié)構(gòu)都在背面采用氧化硅層鈍化，局部開孔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸以減少非鈍化區(qū)域的面積。兩者的區(qū)別在于是否在開口區(qū)域進(jìn)行局部摻雜擴(kuò)散，局部擴(kuò)散增加工藝難度，但會形成局部背電場，減少接觸部分的復(fù)合速率。但高品質(zhì)氧化硅的生長需要較高的溫度，對于已經(jīng)經(jīng)過高溫?cái)U(kuò)散的硅片來說，為減少對體少子壽命的影響，應(yīng)盡量減少長時間的高溫工藝，因此對其他材料的搜索在2000年左右提上議事日程。

既然SiNx已經(jīng)在電池正面證明有諸多好處，那能否在背面繼續(xù)使用這一材料呢。答案是否定的，上面已經(jīng)提到，SiNx鈍化的機(jī)制之一在于利用其正電荷減少正面n型區(qū)的少子濃度，可是到了p型的背面，其正電荷將有可能在背面誘導(dǎo)形成一層n型反轉(zhuǎn)層(inversionlayer)，這會造成背面的旁路損失，影響電流，降低電壓和填充因子。

那么問題來了，鈍化背面究竟哪家強(qiáng)呢?在歐洲幾家研究機(jī)構(gòu)的努力下，一種對光伏研究人員并不陌生的材料的又一次走到臺前，那就是氧化鋁(AlOx)。其不但像SiNx一樣可以鈍化表面缺陷，還擁有與SiNx相反的負(fù)電荷，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，在p型硅背面使用AlOx鈍化層，不但不會形成反轉(zhuǎn)層造成漏電，反而會增加p型硅中多子濃度，降低少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率。不過AlOx的使用也需要伴隨這工藝的改進(jìn)和設(shè)備的進(jìn)步，例如解決高速沉積AlOx的問題，氧化鋁本身的不穩(wěn)定性以及良品率較低等問題。

選擇性接觸電池能帶圖

鈍化接觸，第三次進(jìn)化？

PERC以及PERL結(jié)構(gòu)的電池已經(jīng)擁有相對完善的表面鈍化結(jié)構(gòu)，不過將背面的接觸范圍限制在開孔區(qū)域，除了增加了工藝的復(fù)雜度外，開孔的過程采用不同的工藝還會對周圍的硅材料造成不同程度的損傷，這也額外的增加了金屬接觸區(qū)域的復(fù)合。由于開孔限制了載流子的傳輸路徑，使之偏離垂直于接觸面的最短路徑并擁堵在開口處，增大了填充因子的損失。有沒有一種辦法即能降低表面復(fù)合，又無需開孔呢。這就需要提到近幾年呼聲高漲的鈍化接觸(PassivatedContact)技術(shù)。

假設(shè)我們能找到這樣一種材料或結(jié)構(gòu)，其滿足(1)擁有良好的表面鈍化效果;(2)分離準(zhǔn)費(fèi)米能級;(3)可以高效傳輸一種載流子。那么就可以把這一結(jié)構(gòu)用于電池的表面，形成即滿足鈍化要求，又無需開孔即可傳輸電流的鈍化接觸。

德國弗勞恩霍夫太陽能研究所已經(jīng)開發(fā)出一項(xiàng)名為TOPCon(TunnelOxidePassivatedContact，隧穿氧化層鈍化接觸)的技術(shù)。研究人員首先在電池背面用化學(xué)方法制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，這兩層材料為硅片的背面提供了良好的表面鈍化，而由于氧化層很薄，硅薄層有摻雜，多子可以穿透這兩成鈍化層，而少子則被阻擋，如果在其上再沉積金屬，就可以得到無需開孔的鈍化接觸。這一技術(shù)的詳細(xì)信息我們將在下文中討論。

不過這樣的鈍化接觸只能用在電池背面嗎，如果用在正面會怎樣?

HIT異質(zhì)結(jié)電池能帶圖

沒有擴(kuò)散PN結(jié)的太陽能電池

其實(shí)這并非一個新鮮的問題，雖然鈍化接觸電池這一說法近兩年才出現(xiàn)，但其所描述的結(jié)構(gòu)確實(shí)不折不扣的早已為科學(xué)家們所研究。這種通過外加材料和結(jié)構(gòu)彎曲能帶，而非電池吸收層本身摻雜，來實(shí)現(xiàn)對載流子選擇性通過的表面接觸設(shè)計(jì)，我們稱為選擇性接觸(SelectiveContact)電池，而這一設(shè)計(jì)與我們傳統(tǒng)認(rèn)識中的通過擴(kuò)散得到PN結(jié)的電池有根本的不同。

雖然我們現(xiàn)在常見的電池有高溫?cái)U(kuò)散得到的PN結(jié)，而PN結(jié)的內(nèi)建電場被認(rèn)為是分離光生載流子并讓太陽能電池發(fā)電的動力。而其實(shí)太陽能電池并不一定必須要有明確的PN結(jié)。上世紀(jì)70年代，MartinGreen教授就提出了無需擴(kuò)散PN結(jié)的金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)太陽能電池。1985年，EliYablonovitch教授就提出理想的太陽能電池應(yīng)該是“采用兩個異質(zhì)結(jié)來設(shè)計(jì)”，即將吸收材料置于兩個寬帶隙材料之間。而SunPower的創(chuàng)始人之一RichardSwanson博士也在10年前預(yù)測接近理論效率的晶硅太陽能電池應(yīng)“在硅和金屬之間，放置一層寬帶隙材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)”。這些結(jié)構(gòu)都指向選擇性接觸電池。