PECVD,在高效电池中的角色担当
随着社会经济的发展，能源危机和环境污染问题已成为人类面临的最迫切需要解决的问题。太阳能清洁、无污染、取之不尽用之不竭，太阳能发电技术可以将太阳光的辐射能直接转换为电能，是目前可再生能源技术领域中发展最快、最有前途的技术之一。目前80%以上的太阳能电池由晶体硅材料制备而成，制备高效率、低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用太阳能发电有着十分重要的意义，其中，等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）是制备高效晶体硅太阳能电池的关键设备，本文将集中对PECVD技术进行介绍。
一、
PECVD反应原理
PECVD技术的原理是利用辉光放电产生的等离子体使气体分解并发生反应，从而生成薄膜（见图1）。一般来说，采用PECVD技术制备薄膜材料时，主要有以下3个基本过程：①电子与反应气体原子或分子碰撞，使得反应气体发生分解、激发或电离，形成离子和活性基团的混合物；②各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；③到达衬底表面的各种初级反应和次级反应物被吸附并与衬底表面发生反应，同时伴有气相分子物的再放出。
PECVD沉积薄膜工艺具有如下特点：工艺温度低，可避免高温对基底造成损伤；成膜质量好，沉积的薄膜较致密。
二、
几种高效电池技术
1.HIT高效电池
（1）常规HIT电池
HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）电池是一种带本征薄层的异质结太阳能电池，于1992年由日本Sanyo公司首次制备成功[2],转换效率达到18.1%。之后，HIT电池转换效率不断提升。2014年4月，松下公司发布消息称，其最新研发的住宅用“HIT太阳能电池”的转换效率达到25.6%，为目前世界最高纪录。HIT电池是异质结薄膜和晶体硅的重要结合，是太阳能电池的重要研究方向之一。
常规HIT电池的结构如图2所示，其特点是在晶体硅片的正反两面分别沉积p型非晶硅薄膜和n型非晶硅薄膜,在两面的顶层形成电极,由此构成的HIT太阳能电池具有对称结构。
该结构具有如下特点：①构成异质结的非晶硅薄膜和晶体硅具有不同的禁带宽度，提高了内建电场，增大了开路电压；②非晶硅薄膜作为光吸收层，增加了对太阳光谱中短波的吸收，提高了转换效率。因此，异质结质量的好坏决定了HIT太阳能电池的性能。
因此，为了获得高质量的非晶硅薄膜层，采用PECVD技术生长非晶硅薄膜，具有如下优势：①工艺温度可小于200℃，减小制备过程中的热损伤；②可降低等离子体损伤，获得的非晶硅薄膜质量较好[3]。
（2）非晶硅锗混合型异质结HIT电池
非晶硅锗混合型异质结HIT电池是通过在HIT电池背面制备氢化非晶硅锗层（见图3），来改进能带带隙曲线，提高电池的开路电压和填充因子。
北京太阳能研究所的李成虎等人发表了“一种新型锗硅混晶异质结构太阳电池的设计与理论分析”[5]。为减少通常锗硅混晶太阳电池的异质界面复合及窄能隙引入的体内复合增强，提出了一种新型结构锗硅混晶太阳电池模型，如图4所示，对反映电池内光生少子运动的参数及物理过程分析后得出该模型少子连续方程。计算结果表明，该电池模型，在优化条件下既能减少高浓度锗导致的复合增强，又能拓宽长波光谱响应。计算预测的最佳转换效率为17.2%。
中科院电工研究所的赵雷和王文静发表了一篇发明专利“一种用于太阳电池的薄膜硅/晶体硅异质pn结结构”，其特征在于，在由掺杂类型相反的薄膜硅层和晶体硅层构成的异质pn结的薄膜硅层和晶体硅层之间插入一层本征非晶硅锗层做异质结界面的钝化层。所述的本征非晶硅锗层是单一组分的或组分渐变的。与现有的薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池采用的含有本征非晶硅层做异质结界面钝化层的薄膜硅/晶体硅异质pn结相比，该发明可以减小薄膜硅/晶体硅异质pn结界面处的能带失配，改善载流子输运特性，从而改善太阳电池性能，特别是填充因子。
蚌埠玻璃工业设计研究院的彭寿等人发表了一篇发明专利“一种硅基异质结双面太阳能电池及其制备方法”，其中用非晶硅锗合金代替常规异质结电池中的非晶硅薄膜作为发射极，用本征微晶硅锗薄膜作为电池的界面缓冲层，有效降低了异质结能带失配导致的价带带阶，有效收集光生载流子，从而提高太阳能电池的性能。
利用RF-PECVD技术在双面抛光的n型单晶硅片的两面分别沉积制备本征微晶硅锗薄膜、p型掺杂的非晶硅锗薄膜、本征非晶硅薄膜及n 型掺杂的非晶硅薄膜，制备了光电转换效率为14.62%的异质结双面太阳能电池。
（3）HIT-IBC电池
HIT-IBC电池是将HIT异质结电池高开路电压和背接触电池高短路电流结合，实现优势互补，从而大幅提高晶体硅电池的效率。HIT-IBC太阳能电池同时吸取了背部接触与硅异质结连接这2种不同的光伏技术的优点。收集电荷的金属带移到电池背面后，就可以不用再考虑它对入射光的遮蔽作用，从而采用较宽的低阻抗金属带。将2个能量带宽不同的半导体组合到同一个太阳能电池中，在多晶硅或者单晶硅中都可以获得较高转换效率。
FraunhoferISE在电阻率为1Ω的区熔硅片上获得了效率为21.3%的背接触电池[6]，电池结构如图5所示。之后，通过结构优化，得到图6所示结构电池，效率有一定提升，达到了21.7%，开路电压为676mV。
2012年，德国的亥姆霍兹柏林中心（HZB）硅光伏研究所和哈默尔恩太阳能研究所（ISFH）合作研究的一种新型的“背部接触异质结太阳能电池（见图7）”转换效率达到20.2%。
2012年12月，夏普公司在太阳能电池展会“PVJapan2012”上展示了采用新构造的电池。这种电池结构将sunpower的背接触和松下的HIT结合起来，表面没有电极，同时在表面和背面形成非晶硅层的单元。这种新构造可以通过背接触方式增加电流量，同时通过异质结方式实现高电压（图8）。
LG电子公司等过去也曾在学会上发布过关于组合使用背接触方式和异质结方式的研究。在2011年年底的欧洲太阳能光伏大会上，他们开发部门公布该结构电池达到了22%的效率。中国科学院微电子研究所贾锐研究员带领的高效太阳能电池研究团队于2012年11月研制出国内首款异质结背接触原型太阳能电池（2cm×2cm）。新型电池开路电压达到了658mV。
2.背面钝化
背面钝化工艺是制造高效太阳能电池的一个非常重要的步骤，对于没有进行钝化的太阳能电池，光生载流子运动到一些高复合区域后，如表面和电极接触处，很快就被复合掉，从而严重影响电池的性能。对这些区域进行背面钝化可以有效地减弱这些复合，提高电池效率。
目前，太阳能电池一般都要求尽量薄的厚度，来提高太阳能电池的质量功率比，降低生产成本。这样，在保持电池效率不变的前提下，有效少数载流子的体寿命就会大大提高，上、下表面的有效寿命就变的远远小于体寿命，使得上、下表面成为调控有效少数载流子有效寿命的关键。上、下表面限制有效少数载流子寿命的主要原因在于表面光生少数载流子复合缺陷的存在。表面钝化的目的就是降低硅片的表面活性，使表面的复合速度降低。表面钝化的主要方式是饱和硅表面的悬挂键，降低表面断键的活性；增加表面的清洁度，减少表面杂质的引入，防止少数载流子复合中心的形成，从而起到降低少数载流子在表面的复合速率。
高效p型电池非受光面（背面）和N型电池受光面（正面）钝化膜的钝化膜多采用三氧化二铝（Al2O3）薄膜。近期的相关报道显示，相比背面使用二氧化硅（SiO2）膜或者SiO2/氮化硅（Si3N4）/SiO2多层复合膜的设计，Al2O3薄膜具有更好的钝化效果和烧结稳定性。而且相对于前两者，Al2O3薄膜更适用于现在比较受追捧的局部铝背场技术。Al2O3薄膜在高效n型电池上上的应用也表现不俗，如英利等，把Al2O3薄膜作为其高效n型电池的正面钝化膜，表现出的表面钝化作用优于单纯使用Si3N4膜的效果。
目前，背钝化膜Al2O3的制备技术主要有原子层沉积技术（ALD）、PECVD技术和物理气相沉积（PVD）3种[8]，这3种技术中ALD的效果最好，但是由于ALD的生产成本较高，沉积速度又慢，使得这种特殊的沉积模式很难实现工业化。目前，物理气相沉积技术的制备的Al2O3背钝化膜的烧结稳定性较差，还不能满足工业化的需求，所以，现在的工业化过程主要着眼于在PECVD工艺上做出新的改进。据太阳能设备公司roth rau报道，他们采用微波法利用ALD同样的反应物三甲基铝（TMA）成功制备了Al2O3背钝化膜。所以，对Al2O3背钝化膜的制备，PECVD技术很有可能是最佳选择。
3.透明导电膜前电极晶体硅太阳能电池
现有的晶体硅太阳能电池是在p-n结的正面和反面分别加上电极构成。相对于后电极，前电极的结构设计十分重要。它既不能遮挡入射光影响p-n结对太阳光的吸收，又要保证光生载流子能够顺利穿过并被有效利用。为了减少太阳光在硅表面的反射，通常使用折射率在2.0～2.2之间的氧化硅、氮化硅等绝缘薄膜作为光学减反射层。
传统太阳能电池的前电极通常用含银成分的细栅线排布，为了收集较多的光生电流，一般会将栅线排布的更密；但为了减少遮光面积，使更多的太阳光进入电池，通常会将银栅线设计的足够细来减少遮光区。
但是，对栅状前电极的使用不可避免地要遮蔽太阳能电池表面6%～10%的受光面积，大大减少太阳能电池表面的有效面积，降低单位面积电池本身的光电转换效率。其存在的技术问题主要为以下几个方面：
一方面，在使用栅电极的太阳能电池中，在电池内部不同位置产生的光生载流子要想到达栅电极，必须先在表层横向传输一段距离才能实现。而光生载流子在表面这一横向传输过程产生的串联电阻会导致太阳能电池短路电流和填充因子的降低。有计算显示：表层方块电阻245Ω·cm2对应的太阳电池有效面积是40%；表层方块电阻4.6Ω·cm2对应的是有效面积60%；当表层方块电阻降到1Ω·cm2时，太阳能电池的有效面积也只能达到80%左右。
另一方面，如果要通过制作浅结改善太阳能电池的光谱响应，就需要增加太阳能电池表面的栅线数量，比如计算中得出的表层0.15μm厚时，其每厘米长度内需要制作30条栅线的要求已远远超出传统丝网技术的极限，只有引入成本较高的光科技束才能满足需求，这将十分不利于太阳能电池成本的控制。为了降低表层的电阻，表层就必须有一定的厚度。但表层对太阳光具有较强的吸收能力，比如当高掺杂的表层0.5μm厚时可以吸收9%的入射光，1μm左右时，表层就成了吸收不少入射光的“死层”，当表层厚2μm时，太阳光几乎就完全被它吸收了。并且表层本身存在着大量能够捕获光生载流子的结构缺陷。因此，厚的表层会严重限制太阳能电池光电转换效率的提高。
基于以上因素的计算表明，即使将晶体硅太阳能电池的栅线密度和表层薄膜厚度作进一步的优化处理之后，硅基太阳能电池的光电转换效率仍然会出现30%左右的损失，而非晶硅电池的输出功率与照射面积成正比，因此，透明电极受到了人们的关注。
通过对导电薄膜种类和工艺的控制，利用适当具有厚度的透明导电薄膜替代太阳能电池的栅状前电极，可以在实现其优良的导电性能的同时，起到对入射太阳光的减反作用，提高硅太阳能电池的光吸收能力。ZnOx常被用于制作太阳能电池的透明电极[9]。但是ZnOx电极的关键性能（导电性和透光能力）很容易受到硅太阳能电池的后续高温工艺的负面影响。
因此选取合适的透明导电薄膜的种类、制备方法以及厚度是该技术的关键点。采用PECVD技术具有低温工艺的优点，是制备透明导电薄膜的首要选择。
使采用的透明导电膜前电极起着前电极和减反射的双重作用，从而提高了入射光的量，降低前电极的横向电阻率，相当于增加了太阳能电池的受光面积有利于制作浅结太阳能电池，提高太阳能电池对短波光谱的吸收，提高输出功率。
三、
结语
随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题迫切需要解决，太阳能发电作为理想的可再生能源备受关注，提高电池效率和降低成本成为目前努力的方向。PECVD技术沉积温度低、应用范围广，未来通过PECVD研究获得优异特性和较高转换效率的太阳能电池，具有很好的发展前景。
庞宏杰 柳 琴 郭群超 张愿成
上海太阳能工程技术研究中心有限公司
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