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1、黑硅太阳电池:制备工艺.研究进展和性能提升摘要:黑硅材料特殊的微观纳米结构使其具备卓越的减反射性能，促使研究人员将其用于太阳电池的研发。然而，其优异的减反射性能和严重的载流子复合、收集之间存在着矛盾,难以达到很好的平衡。本文概述了黑硅太阳电池的研究进展,并基于对其制备工艺的理解，结合大量文献对其性能制约因素、工艺控制要点和性能提升方案进行了分析和讨论,最后对其未来的发展进行了展望。—■刖目尽可能避免光学和电学损失，是太阳电池研究关注的两个核心问题。M中,减反射技术是解决太阳电池光学损失，提升太阳光谱利用率的重要手段。而电学性能的提升则主要通过减少光生载流子
2、的复合来实现。近□□年来，基于硅纳米结构的太阳电池，特别是黑硅太阳电池（BSC），凭借其卓越的减反射性能,得到了学界和业界的关注。很多硏究机构围绕BSC展开了广泛的硏究，主要包括:黑硅的制备工艺［—27］、黑硅发射结钝化工艺［267J9・25,2&37］、BSC制备工艺及其对太阳电池性能的影响［19-37］等。伴随着这些研究工作的开展，BSC在近几年得到了快速的发展，其光电转换效率从早期的低于10%（单晶）和5%（多晶）［27］逐渐提高到了目前的约18.2%（单晶）［34］和17%（多晶）［37］。但需要承认的是,BSC的转换效率还是落后于传统的晶硅太阳电
3、池，-些关键的问题亟待阐明。因次，对BSC领域的硏究进展进行总结和梳理是很有必要的。目前公开发表的关于BSC研究的综述性论文，大都倾向于介绍黑硅的制备工艺,涉及电池后道工艺对比、优化等方面的介绍和讨论都非常不足。而涉及发射结钝化、电接触优化、先进黑硅电池结构等方面内容的综述性论文则几乎没有。为此,本文以电池工艺为主线，首先概述目前BSC的常规工艺流程以及各工序的具体实现方案（第二节）、其次结合大量前沿文献对常规BSC的研究进展做一小结（第三节）、然后对BSC工艺中所存在的性能制约因素进行分析，并结合文献给出一些BSC工艺控制要点和性能提升的方案（第四节）、
4、最后对其未来的发展进行了展望（第五节）O二.常规黑硅太阳电池制备工艺从半导体器件物理的角度而言，太阳能光伏器件的核心部分就是PN结。目前的硅纳米结构BSC硏究领域中，根据PN结的成结特点,大致可以分为两个大类:平面结和径向结。其中，平面结是目前绝大部分太阳电池所采用的结构,商业化的硅基太阳电池全部都采用此结构。而径向结虽然在载流子收集方面存在优势，但由于其制造工艺相对复杂,在可控性和成本方面还存在瓶颈，因此该技术目前还停留在实验室阶段。所以，本节仅讨论平面PN结BSC制备工艺。—般而言，目前常规的BSC工艺和商业化晶硅太阳电池工艺是十分接□□近的，其主要工
5、艺流程如图1所示，主要包括:黑硅制备（相当于制绒工序）、扩散制结、黑硅发射结钝化、电极丝网印刷、共烧结等工序。其中，扩散制结、电极丝网印刷、共烧结工艺和商业化的晶硅电池扩散工艺是相同的,在此不做赘述。关于黑硅的制备,目前有多种方法可以实现,主要包括：反应离子刻蚀(RIE)[1-7,23-26],金属辅助刻蚀(MAE)[8-14,27-37],激光加工(LP)［15-17］,化学气相沉积(CVD)［18］和等离子体浸没离子注入(PHI)［19-22］等。其中，RIE、MAE和PIII是目前黑硅太阳电池研究中较为常见的。如读者要更加系统的了解黑硅的制备方法，请
6、参见相关参考文献B&39］。而黑硅发射结钝化工序启前主要通过四种方案实现:氮化硅(SiNx)钝化[19-25,37]、氧化硅(SiOx)钝化[29,34,35].SiOx/SiNx叠层钝化［辽32,36］、原子层沉积(ALD)钝化［267］。其中,前两种钝化方案，特别是SiNx钝化z广泛应用于当前主流的晶硅电池工艺中。后两种钝化方案相对复杂、成本相对较高,但钝化效果更好,这些钝化方案的特点将在第四节中进行重点讨论。琏片1制备黑硅1扩敵制结!发射结钝化rinnnnn■■■■Ml［电极毬网印刷nrrnnnn［洪烧结mnnnn图1黑硅太阳电池工艺流程简图三.黑硅
7、太阳电池研究历程UCJ2005年清华大学朱静课题组［2刀利用MAE法在单晶硅和多晶硅衬底上制备出了纳米线阵列黑硅,并将其应用于光伏器件。但由于没有对黑硅发射结进行钝化,无法抑制光生载流子的表面复合,导致前接触电极电流收集效率不高,获得了效率为9.31%（单晶硅）和4.73%（多晶硅）的太阳电池。2006年,德国WalterSchottky研究所的Koynov,Svetoslav等人［28］采用干氧SiOx层对MAE法制备的黑硅发射结进行钝化,在三晶硅和多晶硅上获得效率约为14%（三晶硅）和12%（多晶硅）的电池器件。2008年，韩国能源研究所的YoozJi
8、nsu等人［23］用SiNx层对RIE法制备的黑硅发射结进行钝化，
