光伏电池的“心脏”

全球光伏

P-N 结是光伏电池的“心脏”。

按照 P-N 结类型，光伏电池可以分为同质结电池和异质结电池。

其中同质结电池主要通过扩散的方式，在同一种类型的硅片（P 型或 N 型）上实现掺杂，从而得到 P-N 结。

异质结电池的 P 型区和 N 型区由不同类型的半导体材料构成，可分为掺杂型和非掺杂型。

当 P 型半导体和 N 型半导体结合在一起，由于 P 型半导体中空穴浓度高，而 N 型半导体中电子浓度高，因此会形成热扩散运动。

即 P 型半导体中空穴向 N 型区扩散，N 型半导体中的电子向 P 型区扩散。

而后在 P 型区形成负电荷，而 N 型区形成正电荷，两者之间形成一个内建电场。

在光照条件下，能量大于禁带宽度的光子被吸收，在 PN 结的两边产生电子-空穴对，并在内建电场的作用下相互分开，从而产生光生电流。

“收集概率”描述了光照射到电池的某个区域产生的载流子被 P-N 结收集并参与到电流流动的概率。

其大小与光生载流子需要运动的距离和电池表面特性有关。距离耗散区越远，被收集的概率就越小，而表面钝化能够增加同一位置下载流子被收集的概率。

什么是扩散？

扩散描述了一种物质在另一种物质中运动的情况。

本质在于原子、分子和离子的布朗运动，造成由浓度高的地方向浓度低的地方进行扩散。

晶体硅太阳电池制造采用了高温化学热扩散的方式来实现掺杂制结。

热扩散利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受到时间和温度的影响，需要 3 个步骤：预淀积、推进和激活。

扩散的三个指标：方阻、结深、表面浓度

方阻值大小主要为表面浓度和结深的综合表征，其对电池片参数的影响主要有以下三点：1）扩散 P-N 结深度直接影响到其对短波光线的吸收，因此在一定范围内扩散 P-N 结越浅（方阻值越高），电流值越高；2）扩散磷元素的掺杂浓度从一定程度上影响其 N 型硅部分的导电性能，因此掺杂浓度越高（方阻值越小），填充因子越高；3）一般来说，在一定范围内，扩散浓度增大，开路电压随之增大。

同质结：磷扩与硼扩

同质结电池中，P 型区和 N 型区为同一种类型的半导体材料，一般使用掺杂的方法形成 P-N 结。

常见的掺杂方法包括：

1）管式扩散（低压、常压）；

2）离子注入+退火；

3）涂布源扩散（丝网印刷、旋涂、喷涂、滚筒印刷）。目前大多采用低压管式扩散。

磷扩：

POCl3分解产生的 P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成 SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。

硼扩：

BBr3/ BCl3分解产生的 B2O3淀积在硅片表面，B2O3与硅反应生成 SiO2和硼原子，并在硅片表面形成一层硼硅玻璃，然后硼原子再向硅中进行扩散。

由上可知，不管是硼扩还是磷扩，需形成硼原子或磷原子的基础上，向硅基体扩散。

相比磷扩散，硼扩散的难度更大。

原因在于硼原子在硅基体中的固溶度较低，导致硼扩的温度须达到 1000℃以上。且表面掺杂量较多时容易在表面形成硼堆积，即富硼层（BRL），对后续清洗造成挑战。

对于硼扩来说，目前有 BBr3/ BCl3两种路线。BBr3常温下为液体，安全性相对较好，但生成的 B2O3呈黏状，需要 DCE 清洗，维护成本高。

BCl3常温下为气体，安全性相对较差，但生成的 B2O3呈颗粒状，容易清理，缺点是 B-Cl 键能更大，不易分解，造成扩散温度下利用率不高。

根据 ITRPV 预测，未来 BBr3路线仍将占据多数份额，但 BCl3路线的占比将会逐步提升，到 2032 年约达到 40%左右的市场份额。

同质结：SE

为什么需要 SE（选择性发射极）？

原因在于：

常规晶体硅太阳能电池采用均匀高浓度掺杂的发射极。

较高浓度的掺杂可以改善硅片与电极之间的欧姆接触，降低串联电阻，但也容易造成较高的表面复合。

为此，需要使用选择性发射极（SE）技术，在金属栅线（电极）与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂深扩散，而在电极以外的区域进行低浓度掺杂浅扩散。

SE 结构的优势：

1）电极下的重掺杂使得接触电阻较常规电池有所下降，从而提高填充因子；

2）电极间的轻掺杂可有效降低载流子在扩散层横向流动时的复合概率，提高载流子收集效率；

3）太阳光短波段基本在硅片正表面被吸收，浅扩散可以提高短波段太阳光的激发效率，从而提高短路电流；

4）形成一个 n++-n+/ p++-p+的高低结，可以降低电极下方的少数载流子复合，提高开路电压。

综合来说，SE 较常规电池更好地平衡了金属半导体间的接触电阻和光子收集之间的矛盾。

基于硼扩的技术难度，在硼扩的基础上做出 SE 相较磷扩 SE 难度更大，目前主要发展出一次硼扩和二次硼扩两种技术路线。

根据通威股份《基于 PECVD 技术制备超薄隧穿氧化层及 poly-Si 在 TOPCon 电池中的应用》，目前行业内常见的硼扩 SE 有五种方案，其中激光开膜路线是目前最成熟的方案。

从量产前景来看，Etch-back 路线、激光直掺路线是最可能实现量产的路线。五种方案中，刻蚀浆料路线、硼浆路线、Etch-back 路线都需要外部开发不同的浆料。

异质结：掺杂与非掺杂

从本质上讲，热扩散是实现掺杂的一种方法，用于在同一种半导体上形成 PN 结。其他方法还包括离子注入、气相沉积等。

如通过气相沉积的方法在晶硅表面沉积本征非晶硅和掺杂非晶硅，由于晶硅与非晶硅不属于同一种半导体材料，故形成的 P-N 结名异质结。

异质结电池采用气相沉积实现掺杂，而非扩散的形式。这带来的一个问题是，前表面的非晶硅带隙较小，导致严重的光学寄生吸收，从而限制了饱和电流的提升；且非晶硅层掺杂效率低致使电池良率较低。这就引发了对免掺杂异质结电池的应用和探索。N 型过渡金属氧化物（TMO）材料被尝试用作空穴传输层。根据中山大学相关资料，HJT 电池中利用 MoOx 代替 p 型掺杂非晶硅，最高转换效率已达 23.5%。

非成结掺杂

掺杂工艺除了可以形成 P-N 结之外，还被用作形成高低结。

所谓高低结，指的是在电池基体和底电极间建立一个同种杂质的浓度梯度，制备一个 P-P+或 N-N+高低结，形成背电场，可以提高载流子的有效收集，改善太阳电池的长波响应，提高短路电流和开路电压，这种电池被称为“背场电池”。

典型的案例是在 TOPCon 电池中，正面使用硼掺杂在 N 型硅片上形成 P-N 结，背面使用磷掺杂制成的 N 型多晶硅，起到高低结的作用。

HJT 电池中，正表面 i 层非晶硅与 n 型硅基底形成 P-N 结，背表面 n 型非晶硅与 n 型硅基底形成高低结。

从广义上来讲，只要是通过同种杂质的浓度梯度建立起电场，从而影响载流子收集的结构，都可以称作高低结。

如硼扩/磷扩中的选择性发射极、BSF 电池中的铝背场、PERC 电池中的局部铝背场、以及 TOPCon 电池正表面的银铝浆细栅。

扩散炉

国内 PERC 电场的磷扩散设备已完全实现国产化，并发展出了适用于大硅片、大产能的设备，综合考虑热场、气场的均匀性，硅片的放置模式有水平、垂直、类 PE 型垂直等多种模式。

硼扩散设备的要求比磷扩散更高，主要体现在：均匀性、扩散时间长、扩散温度高、硅片寄生 OSF 位错。

均匀性问题：核心是气场与热场的均匀。

垂直放片和水平放片各有优劣，垂直放片有利于热辐射传递，但不利于气流传输；水平放片有利于气流传输，但对热辐射有遮挡。