太阳能光伏应用中的PERL电池

6．5．1．1 PERL电池的结构及制造方法

PERL电池的全名是钝化发射极、背面局部扩散电池（Passivated Emitter，Rear Locally－diffused）cell。它的结构如图6．23所示。它是目前世界上光－电转换效率最高的晶体硅光伏电池。PERL电池是1989年开始在澳大利亚新南威尔士大学的光伏研究中心研制出来的，它的光电转换效率在这之后的10年中被不断提高，最后在1999年到达了24．7%［23］。

图6．23　PERL（Passivated　Emitter，Rear　Locally－diffused）电池结构［23］

效率最高的晶硅电池也只能将1／4的太阳光射入能量被转变成了电池的输出电力能量，这看来好像是个不大高的效率，但考虑到：①晶体硅只能吸收太阳光谱的短波能量，红外光谱得不到利用；②每个光子的能量超过禁带宽度的部分会全部变成热量而损失掉；③电池的输出电压是费米能级之差的0．7V左右，而不是吸收的光子能量－也就是禁带宽度的1．12eV。这前三点都是晶体硅材料和器件本征特性决定而无法避免的。④最后才是电池设计工艺方面造成的相对比较小的损失量：如金属遮光损失，表面的光反射损失，陷光机理的背表面内反射损失，表面与体内的复合损失，以及电流传输时造成的电阻损失。实际上PERL电池的IQE（内部光量子效率）在整个晶体硅的光谱吸收波段都极其接近于100%，也就是每个吸收的光子都产生了一个电子电流。由此可见，想进一步超过PERL电池的25．0%的效率是相当困难的了。因此PERL电池的转换效率世界纪录已经保持了14年仍未被打破［49］。

PERL电池采用了1Ω·cm低电阻率Wacker FZ单晶硅片，以保证原始硅材料内极高的载流子寿命，并且在加工工艺过程中保持了这种高载流子的寿命。从图6．23可见，PERL电池正、背表面都有热生长氧化层钝化。在正、背表面的金属接触区域，也被浓扩散区域钝化，以减小金属接触处的复合损失。这样全部硅表面处的复合损失才达到最小。从而电池内部的光生载流子接近100%地被发射结分离形成输出电流。而且极低的总复合率，也造成了极高的开路电压。PERL电池的开路电压Voc一般在700～710mV。

PERL电池的正面采用了有序倒金字塔的绒面结构，加上ZnS／MgF2双层减反射层，使电池的正面光反射损失达到最低，另外，PERL电池的正面金属采用了Liftoff工艺，蒸发反刻形成的金属栅线只有2．5μm宽，电镀银后的栅线宽度也只有20μm，从而大大减小了栅线遮光损失，还可以把栅线间距缩减到小于1mm，从而在200～300Ω／□的高阻发射区条件下也不会产生过大的发射区电阻损失。

PERL电池的背面（如图6．23），也是用蒸发纯铝，在浓扩散的p＋区域上形成点状接触，点接触的面积不到背面总面积的1%。这更进一步减小了背面金属接触造成的复合损失。背面的Si／SiO2／Al结构还形成了一个最佳的背表面内反射镜。与正面倒金字塔相结合，这形成了一个极佳的陷光结构。在一个47μm超薄PERL电池的试验中，这个结构的陷光次数接近了理想的4n2，即50次内反射［50］。

此外，背面的硼扩散也是用UNSW自己研发的BBr3液态源扩散完成［51］。以前的各种半导体上使用的硼扩散方法都对硅片表面造成很大损伤，造成表面复合率增加。而这种BBr3扩散方法才形成了低表面复合的p型接触区域，为高效电池奠定了基础。由于PERL电池采用了当时最佳的TCA热氧化表面钝化，BBr3硼扩散和极小面积金属接触，以及金属接触区的扩散钝化技术，PERL电池的表面复合被抑制到极低的水平，因而PERL电池内部的光生载流子以接近100%几率被p－n结收集，形成极高的输出电流。

6．5．1．2 PERL电池的性能

图6．24是在美国Sandia国家实验室测量的PERL电池的表面反射率（实心三角点），外部量子效率（EQE，空心方点）和内部量子效率（IQE，实心方点）的曲线，可以看到其内部量子响应IQE（也就是光子转变成电子形成电流的几率）从400～1 100nm波段都几乎是100%。在1 000nm以上的长波段，有很多载流子产生在电池的背面，复合的作用使载流子传输到正面发射结的效率下降。另外，由于多次背面内反射的陷光效应，小于100%的背表面反射率，也进一步降低了这个波长段的IQE。而在低于400nm短波段，也观察到EQE和IQE有很大下降。但这是由于ZnS减反膜对短波的吸收，而不是硅内部光子到电流转换的效率变化。实际上，早期的PERL电池的正面是由1 100厚的SiO2完成表面钝化，由于没有ZnS层对短波的吸收，这种电池在300～400nm波长内的IQE都是100%。

在图6．24的下面的黄色曲线是表面的反射。在1 200nm长波下从电池正面测到的反射率只有40%到50%。这表明它有极好的陷光作用。另外要提一下的是Sandia在具有陷光效应的曲线下，加上了他们延伸推算出来的表面反射的曲线（右下边的空心三角点曲线），也就是不计陷光效应的表面反射率。由图6．24可见，PERL电池的外部量子响应曲线也是在整个吸收波段上非常接近100%，从而实现了大于42mA／cm2的极高的短路电流密度。(www.xing528.com)

图6．24　实际测量的最佳PERL电池的光谱相应特性，曲线从下到上为反射率，EQE和IQE

表6．1给出了在美国Sandia实验室测到的PERL电池的性能。这个性能是在1999年和1996年分别测量的，2008年的光谱修正使第一个电池的效率从24．7%［23］提高到25%［24］。前两个4cm2的小面积电池是未切片的电池，电池还在一个4吋圆形硅片的中间。然而测量过程中4cm2电池之外的硅片面积完全用挡板遮盖。由于光照的电池面积内片光生载流子密度很高，这些载流子会向被遮盖的硅电池周边的暗区扩散，这也会造成一定的电流损失。

表6．1　PERL电池的性能

表中的前两个电池是在Wacker FZ单晶片上制造的4cm2 PERL电池在美国Sandia国家实验室测量的性能。测试条件为25℃，1 000mW／cm2的AM1．5光谱下。

而表6．1最下一行的21．6cm2的电池是一个大约4cm×5．5cm的切片PERL电池。由于电池设计的Busbar在电池的一边。其栅线长约4cm，因而栅线的宽度增加为35μm，比4cm2的16μm宽的栅线遮光损失增大很多。另外它的四周的切片处的复合损失，也使电池的测量效率有很大下降。如果把这种电池制造成在常用的125mm方形硅片上，其边缘的复合损失会大大降低，估计其效率应当在24．5%左右。

在PERL电池的研制过程中，对电池边缘的钝化也进行了大量的试验，可惜都没有成功。这种21．6cm2的PERL电池被日本本田公司用于1996年澳大利亚的太阳车挑战赛上，并赢得了冠军［52］。后来PERL电池还被制成两个一平方呎的小组件，并得到了22．7%的晶硅光伏组件效率世界纪录［52］。

除了用FZ单晶制作PERL电池之外，UNSW还把PERL电池制作在日本SEH公司提供的各种晶硅衬底上。其中最为成功的是在掺硼MCZ（Magnetically confined CZ）材料上制作的PERL电池，它达到了24．5%的光－电转换效率［23］。后来国内也有人试验生长MCZ硅片。但MCZ的4 000Gs的超强磁场需要用超导线圈来实现，因而成本太高，近来的试验多是用1 000Gs的永久磁铁制造MCZ硅片，其性能当然也会差很多。MCZ的强磁场会使熔化的硅变得黏稠，从而减少输运SiO2坩锅上熔解下来的氧元素进入硅熔液内。减弱的磁场对氧元素的抑制作用也大大降低了。

另外，人们对掺镓硅片也作了大量的试验工作。没有了硼－氧对的作用掺镓硅片的载流子寿命很高，可以超过1ms。因此在掺镓硅片的电池也可超过22%的效率［28］。掺镓硅片的另一个好处是没有了硼掺杂，也避免了电池的光照衰退（LID）。因此在2010年以前，国内曾经有许多硅片厂制造掺镓的硅片。但随着硅原料由供不应求转变为供过于求，硅料的纯度和硅片的加工质量也相应提高，在这种改进之后，硅片厂对掺镓硅片上的兴趣也停止了，看来主要还是成本问题使得掺镓硅片在普通电池上停止使用。但将来回到高效电池上发展，掺镓硅片还是很有潜力的。