晶硅太阳能电池的外表钝化一直是规划和优化的重中之重。从前期的仅有背电场钝化，到正面氮化硅钝化，再到反面引进比如氧化硅、氧化铝、氮化硅等介质层的钝化部分开孔触摸的PERC/PERL规划。尽管这一结构暂时缓解了反面钝化的问题，但并未铲除，开孔处的高复合速率依然存在，并且使工艺进一步杂乱。近几年来，一种既能完成反面整面钝化，且无需开孔触摸的技能成为组织研讨的热门，这便是钝化触摸(Passivated Contact)技能。当电池双面均选用钝化触摸时，还或许完成无需分散PN结的选择性触摸(Selective Contact)电池结构。本文将详细介绍钝化触摸技能的布景，特色及研讨现状，并评论怎么运用这一技能完成选择性触摸电池。
外表钝化的演进 钝化的“史前时代”
在90年代之前晶硅电池商业化出产的前期，太阳能电池制造商现已开端选用丝网印刷技能，但与咱们现在运用的又有所不同。首要的差异在于两点：首要其时的正面网印银浆没有烧穿(Fire-through)这一功用，因而在其时的出产线上，需求先进行网印，然后堆积其时的TiO2减反射层。另一个差异在于其时的银浆与硅构成有用欧姆触摸的才干较差，只要与高掺杂的硅才干够触摸杰出。因为TiO2没有很好的钝化功用，人们在其时并没有过多的考虑钝化。并且因为减反射层在金属电极之上，因而堆积的时分需求用模版遮挡主栅，以便后续的串焊。
尽管这一时期，在实验室中，科研人员现已选用SiO2钝化电池外表，并获得不俗的开路电压和功率。
SiNx：H 第一次进化
90年代，科研组织和制造商开端探究运用等离子体增强化学气相堆积(PECVD)技能制备含氢的氮化硅(SiNx：H)薄膜用作电池正面的减反射膜。其间原因之一在于相对适宜的折射率，但更重要的原因则在于氮化硅优秀的的钝化作用。氮化硅除了能够饱满外表悬挂键，下降界面态外，还经过本身的正电荷，削减正面n型硅中的少子浓度，然后下降外表复合速率。SiNx中带着的氢能够在烧结的进程中分散到硅片中，对发射极和硅片的内部晶体缺点进行钝化，这对质量较低的多晶硅片特别有用，大幅进步了其时太阳能电池的功率。
伴跟着钝化资料上的立异，银浆资料与烧结工艺上的革新也一同到来，那便是能够烧穿的浆料和共烧(Co-firing)烧结工艺。有了烧穿特性后，能够先进行减反射膜的堆积，后网印浆料，然后烧结。因为次序的倒置，不必再忧虑金属栅线上掩盖的减反射层影响焊接，也省去了堆积TiO2需求的部分遮挡。一同人们发明晰将正反面浆料一次烧结的共烧工艺，在一次烧结中，正面的银浆穿过SiNx与硅构成触摸，而反面的铝浆也同步构成反面电极和背电场 (back surface field)。这一系列改善大大简化了丝网印刷电池的工艺，并逐步成为了晶硅电池出产的干流。
AlOx 第2次进化
跟着电池正面的钝化作用和触摸功能因为SiNx的运用和银浆改善在不断进步，进一步优化正面现已进入瓶颈阶段，人们把视界投向了另一个复合严峻的区域，那便是电池的背外表。尽管在传统丝网印刷的晶硅电池中，铝背场能够削削减子浓度，削减复合，但依然无法与运用介质层带来的钝化作用比较较。其实反面的介质层钝化也非新鲜论题，UNSW早在90年代就提出了发射极和反面钝化(PERC)结构以及发射极和反面钝化部分分散(PERL)结构，在前期规划中，这两种结构都在反面选用氧化硅层钝化，部分开孔完成点触摸以削减非钝化区域的面积。两者的差异在于是否在开口区域进行部分掺杂分散，部分分散添加工艺难度，但会构成部分背电场，削减触摸部分的复合速率。但高质量氧化硅的成长需求较高的温度，关于现现已过高温分散的硅片来说，为削减对体少子寿数的影响，应尽量削减长期的高温工艺，因而对其他资料的查找在2000年左右提上议事日程。
已然SiNx现已在电池正面证明有许多长处，那能否在反面持续运用这一资料呢。答案是否定的，上面现已说到，SiNx钝化的机制之一在于运用其正电荷削减正面n型区的少子浓度，但是到了p型的反面，其正电荷将有或许在反面诱导构成一层n型回转层(inversion layer)，这会构成反面的旁路丢失，影响电流，下降电压和填充因子。
那么问题来了，钝化反面终究哪家强呢?在欧洲几家研讨组织的尽力下，一种对光伏研讨人员并不生疏的资料的又一次走到台前，那便是氧化铝(AlOx)。其不光像SiNx相同能够钝化外表缺点，还具有与SiNx相反的负电荷，正是因为这一点，在p型硅反面运用AlOx钝化层，不光不会构成回转层构成漏电，反而会添加p型硅中多子浓度，下降少子浓度，然后下降外表复合速率。不过AlOx的运用也需求随同这工艺的改善和设备的前进，例如处理高速堆积AlOx的问题，氧化铝本身的不稳定性以及良品率较低一级问题。
钝化触摸，第三次进化?
PERC以及PERL结构的电池现已具有相对完善的外表钝化结构，不过将反面的触摸规模约束在开孔区域，除了添加了工艺的杂乱度外，开孔的进程选用不同的工艺还会对周围的硅资料构成不同程度的损害，这也额定的添加了金属触摸区域的复合。因为开孔约束了载流子的传输途径，使之违背垂直于触摸面的最短途径并拥堵在开口处，增大了填充因子的丢失。有没有一种办法即能下降外表复合，又无需开孔呢。这就需求说到近几年呼声高涨的钝化触摸(Passivated Contact)技能。
假定咱们能找到这样一种资料或结构，其满意(1)具有杰出的外表钝化作用;(2)别离准费米能级;(3)能够高效传输一种载流子。那么就能够把这一结构用于电池的外表，构成即满意钝化要求，又无需开孔即可传输电流的钝化触摸。
德国弗劳恩霍夫太阳能研讨所现已开宣布一项名为TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact，隧穿氧化层钝化触摸)的技能。研讨人员首要在电池反面用化学办法制备一层超薄氧化硅，然后再堆积一层掺杂硅薄层，二者一同构成了钝化触摸结构，这两层资料为硅片的反面供给了杰出的外表钝化，而因为氧化层很薄，硅薄层有掺杂，多子能够穿透这两成钝化层，而少子则被阻挠，假如在其上再堆积金属，就能够得到无需开孔的钝化触摸。这一技能的详细信息咱们将在下文中评论。
不过这样的钝化触摸只能用在电池反面吗，假如用在正面会怎样?
没有分散PN结的太阳能电池
其实这并非一个新鲜的问题，尽管钝化触摸电池这一说法近两年才呈现，但其所描绘的结构的确不折不扣的早已为科学家们所研讨。这种经过外加资料和结构曲折能带，而非电池吸收层本身掺杂，来完成对载流子选择性经过的外表触摸规划，咱们称为选择性触摸(Selective Contact)电池，而这一规划与咱们传统知道中的经过分散得到PN结的电池有底子的不同。
尽管咱们现在常见的电池有高温分散得到的PN结，而PN结的内建电场被以为是别离光生载流子并让太阳能电池发电的动力。而其实太阳能电池并不一定有必要要有清晰的PN结。上世纪70年代，Martin Green教授就提出了无需分散PN结的金属-绝缘层-半导体(MIS)结构太阳能电池。1985年，Eli Yablonovitch教授就提出抱负的太阳能电池应该是“选用两个异质结来规划”，行将吸收资料置于两个宽带隙资料之间。而SunPower的创始人之一Richard Swanson博士也在10年前猜测挨近理论功率的晶硅太阳能电池应“在硅和金属之间，放置一层宽带隙资料构成异质结”。这些结构都指向选择性触摸电池。
假定图二中心是吸收资料，左右两边别离是空穴电极和电子电极，而电极与吸收资料之间则是选择性传输层，左边为空穴传输层，右侧为电子传输层。因为选择性触摸资料本身带隙、逸出功和费米能级的影响，吸收资料能带被逼曲折，这使得只要与选择性传输层对应的载流子才干流向并穿透界面，一同排挤另一种载流子，然后下降了外表载流子浓度，然后带来了杰出的外表钝化作用。
下面，咱们用选择性触摸的理论解释一下松下异质结(HIT)电池的原理。HIT电池吸收层选用n型单晶硅片，正面首要堆积很薄的本征非晶硅层，作为外表钝化层，然后堆积硼掺杂的p+型非晶硅层，二者一同构成正面空穴传输层。堆积后，硅片接近外表因为能带曲折，阻挠了电子向正面的移动，电子只能向后外表移动。相反的对空穴来说，尽管本征层对空穴有一个小的阻挠 ，但因为本征层很薄，空穴能够隧穿然后经过高掺杂的p+型非晶硅。在反面相同堆积本征非晶硅薄层和掺磷的n+非晶硅层，相同因为能带曲折，空穴无法容易传过反面，而电子能够传过，所以二者构成了电子传输层。经过在电池正反双面堆积选择性传输层，使得光生载流子只能在吸收资料中发生富集然后从电池的一个外表流出，然后完成二者的别离。
松下异质结HIT电池是一种典型的选择性触摸结构。另一种典型的选择性触摸电池为Silevo公司的Triex地道异质结电池，与HIT电池结构相似但钝化层选用氧化硅而非本征非晶硅。而与这两种完全意义上的选择性电池不同，上文中说到的反面钝化触摸电池其实是一种只在反面完成了选择性触摸的电池。反面钝化触摸技能终究功能怎么，有没有双面选用钝化触摸技能完成选择性触摸电池的规划呢?下面让咱们看一下这个范畴的最新进展
钝化触摸技能的研讨进展
近年来，先后有多家研讨组织对钝化触摸太阳能电池打开研讨。尽管松下现已展现了选用非晶硅薄膜作为钝化层的HIT电池，最新破纪录的功率到达 25.6%，不过非晶硅薄膜因为其对外表预备要求较高，无法接受较高温度后续工艺，人们开端将视界投向其他有钝化作用的薄膜资料。几家研讨组织现在的研讨热门会集在氧化硅薄层和高掺杂硅薄层的叠层结构。
德国弗劳恩霍夫太阳能研讨所(Fraunhofer ISE)
Fraunhofer ISE已在钝化触摸电池方向耕耘多年。在2013年推出了自己的隧穿氧化层钝化触摸(TOPCon)技能。运用一层超薄的氧化层与掺杂的薄膜硅钝化电池的反面。其间反面氧化层厚度1.4nm，选用湿法化学成长。随后在氧化层之上，堆积20nm掺磷的非晶硅，之后经过退火重结晶并加强钝化作用。经过上述进程，双面钝化的200μm厚度的n型FZ硅片的隐开路电压(iVoc)能够到达710mV以上，即便后续工艺温度超越400°C，iVoc仍可坚持在 700mV以上。 其间氧化硅削减了外表态坚持了较低的隧穿电阻，掺杂多晶硅供给了场致钝化并对载流子选择性透过。需求指出的是，前期MIS电池的研讨中，研讨人员就现已发现当氧化层厚度超越2nm后，其隧穿效应就开端明显下降，影响填充因子。
详细到电池工艺方面，Fraunhofer ISE选用n型FZ硅片，正面选用一般金字塔制绒，硼分散，ALD氧化铝加PECVD氮化硅钝叠层起到钝化和减反射作用。反面选用上述TOPCon技能，正反金属化选用蒸镀Ti/Pd/Ag叠层完成，电池开路电压到达690.4mV，填充因子也到达81.9%。为了进一步进步功率，其进一步优化正面电极规划，下降金属触摸面积，反面换用单层1μm的银进步反面内部反射，开路电压到达700mV，填充因子82%，功率到达23.7%。而在本年三月份的 Silicon PV会议上，其发布的选用TOPCon技能的最新功率为24.9%。而比较PERL结构电池，TOPCon技能无需反面的开孔及对准。
在上述规划中，Fraunhofer ISE仅仅将TOPCon技能用于正面。2014年，该研讨组织发布了正反双面钝化触摸的规划，完成了咱们上文介绍的选择性触摸电池结构。选用p型FZ硅片，250μm厚度，无需分散，正反双面直接化学成长1.4nm氧化层，别离堆积15nm掺磷和掺硼的非晶硅，之后退火。正面选用溅镀ITO，蒸镀 Ti/Pd/Ag叠层栅线，反面蒸银作为反面电极。该电池规划开路电压到达692.4mV，填充因子到达79.4%。因为退火温度的不同，这儿堆积的非晶硅并未结晶为多晶硅，而是到达了相似薄膜硅电池中的微晶硅形状。但因为正面并未制绒，以及相似HIT电池中的正面ITO和微晶硅层的吸收，其短路电流只要 31.6mA/cm2，功率17.3%。不过研讨人员还特别对比了正面多晶硅和微晶硅的吸收，同厚度的微晶硅的吸收比非晶硅小最多两倍。因而研讨人员以为经过后续优化，这一结构有望成为能够与HIT竞赛的另一种选择性触摸电池的规划。
美国国家可再生能源实验室(NREL)
NREL相同选用了氧化硅和多晶硅薄膜，其首要在n型硅片正面分散p型发射极，之后运用KOH平坦反面，接下来选用700C热成长或许硝酸化学办法制造约1.5nm厚度的二氧化硅层。之后在之上PECVD堆积几十纳米厚的高掺杂非晶硅(a-Si：H)。经过约850°C的退火处理，非晶硅薄层结晶为多晶硅，之后再经过450°C氮氢混合气氛退火(FGA)，加强外表钝化。最终反面整面金属化。
NREL称SiO2和多晶硅层对钝化触摸的性质都有影响。经过850°C的非晶硅重结晶进程后，化学和热成长得到的氧化层能够得到相似的钝化作用，隐开路电压(Implied Voc)能够到达700mV以上，暗饱满电流(Dark Saturation Current)低于10fA/cm2，触摸电阻约为20m-cm2。不过NREL以为高掺杂多晶硅/氧化硅/硅触摸的杰出质量的机理没有完全澄清，杰出的外表钝化或许来自氧化硅的化学钝化作用以及高掺杂多晶硅的场致钝化作用，杰出的导电率则来自缺点辅佐隧穿机制以及氧化层上的微孔。
此外，澳大利亚国立大学(ANU)、美国加州大学(UC)、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)等研讨组织也都在这一范畴进行研讨，探究不同的钝化资料和结构。
综上，反面钝化触摸太阳能电池的长处包含(1)优秀的反面钝化作用，完全铲除了反面金属与硅的直触摸摸，进步开路电压，而这被以为是现在太阳能电池首要的复合丢失，而这是传统铝背场和PERC结构都无法避免的;(2)无需杂乱的钝化层开口工艺。假如将钝化触摸技能用于正面还能够省去分散掺杂工艺，避免分散影响高质量硅片的载流子寿数，但也会面对与HIT电池相似的正面寄生吸收问题，因而寻觅吸光更少的钝化薄膜资料也是当时研讨的热门之一。
展望
还记得选择性发射极刚刚鼓起的时分，这一技能处理了银浆需求低方阻区域构成欧姆触摸，而方阻太低复合过高之间的对立。尽管需求额定的工艺进行不同区域的分散，后续工艺也需求额定对准，但仍被给予期望，并被测验选用。可跟着浆料的改善，正面银浆能够与方阻越来越高的硅构成杰出的触摸，均一发射极分散浓度全体下降，不光处理了选择性发射极针对的问题，还避免了杂乱的工艺，因而敏捷得到推行和选用，选择性发射极技能现在也不像旧日那般受人追捧。
反面是否会阅历相似的路途呢，PERC和PERL结构尽管部分处理了反面钝化的问题，但怎么构成部分触摸依然给传统丝网印刷产线带来不小的调整。反观钝化触摸技能，尽管无需开孔使电池反面的结构愈加价单，但传统晶硅电池制造商缺少钝化触摸技能所需求的薄膜堆积及结晶的工业经历，简略的结构并不一定意味着简略的出产。反面钝化触摸技能能否后发先至，而选择性触摸电池宗族因为双面钝化触摸电池的参加也愈加让人等待，这一技能有才干跟HIT一争高低吗，让咱们一同拭目而待。
特别需求指出的是，在市场需求和本钱结构改换的多重影响下，即便是First Solar这样的薄膜大厂近年来也经过收买Tetrasun布局晶硅电池和组件。国内的薄膜光伏制造商是否有相似的计划呢?凭仗在非晶硅薄膜堆积和结晶方面人才、技能和设备的堆集，钝化触摸技能或许其他选择性触摸技能也许是国内薄膜光伏制造商切入晶硅范畴的不错的技能切入点。
