1954年美国贝尔实验室研制成功第一种具有实用价值的太阳电池，采用了直拉单晶硅和高温扩散技术，其效率可达到5%（AM0），由此开创了太阳电池发电的新纪元，其后通过持续的改进，电池的效率不断得到提高。1970年COMSAT实验室的研究表明采用更浅的扩散和更密的金属栅线可以改善对蓝光的响应，从而极大地提高电池的效率，采用这种技术的浅结背反射器电池（BSR）最高效率为12．3% （AM0）左右。另外，在电池背面通过重掺杂技术形成所谓的“背表面场”，也起到了明显的改善作用，由此研制出背场背反射器电池（BSFR），最高效率达到15% （AM0）左右，目前这种电池在国内仍在应用。此后COMSAT实验室利用各向异性的化学腐蚀办法在硅表面形成陷光结构，极大地降低了电池表面的反射，进一步提高了电池的效率。从1980年开始新南威尔士大学采用发射极钝化技术使得硅电池效率的纪录不断被刷新，另一个改进是斯坦福大学开发的背面点接触电池，主要特征是在电池的上下表面均采用了氧化层钝化，并且p－n结和正负电极均制备在电池背面。新南威尔士大学在此基础上做了进一步的改进，采用了正面发射极、双面钝化的设计，开发出一系列的新型电池，包括PERL电池、PERT电池、PERF电池等，至今新南威尔士大学仍保持着硅电池最高效率的世界纪录［1］。从1993年开始美国SunPower公司和日本Sharp公司基于PERL电池结构分别研制出空间用高效硅电池［2，3］，最高效率达到18．3%（AM0），这种电池在2004年之前得到了大规模应用，装备于50多颗卫星。同时期美国SunPower公司基于背面点接触技术开始研制指状交叉背面接触电池（IBC），通过持续的改进，这种大面积低成本电池的效率在2010年达到创记录的24．2%（AM1．5）［4］，广泛应用于无人机领域。
空间用晶体硅光伏电池按照结构特点一般分为常规硅太阳电池、背反射器电池（BSR电池）、背场背反射器太阳电池（BSFR）、钝化发射极和局部背场电池（PERL电池）几种。
12．2．1．1 常规电池
常规电池是最早的实用化空间用太阳电池，这种电池为n＋／p型结构，如图12．1所示。这种电池采用0．2～0．5mm的p型单晶硅片，采用高温扩散的方法在硅片表面形成重掺杂的n＋层，结深为0．5μm左右，上电极采用Ti／Pd／Ag结构，下电极采用Pd／Ag结构，上表面还蒸镀有单层或双层结构的减反射膜，典型效率为10%～11%（AM0）。该电池的缺点是p－n结较深，对短波光的响应较差，转换效率低。
图12．1 常规电池的结构
常规电池的工艺流程如图12．2所示，首先对硅片进行表面处理，去除损伤层和表面污染，再用扩散的方法制备p－n结，用腐蚀的方法去除硅片背面的结以及侧面的边结，用真空镀膜的方法制备上、下电极，上电极的栅线图形采用金属掩模或光刻的方法形成，通过合金处理使电极获得高附着力和低的接触电阻，最后用真空镀膜的方法制作减反射膜，蒸镀减反射膜需要采用掩模或涂胶的方法保护主电极的焊接区，防止将减反射膜蒸镀到焊接区上。
图12．2 常规电池的工艺流程
12．2．1．2 浅结背反射器电池（BSR电池）
为了进一步提高硅电池的效率，对常规电池的结构进行了改进，采用浅的p－n结，通常为0．2μm，改善了对短波光的响应，另外在电池背面采用了铝背反射器结构（即下电极为Al／Ti／Pd／Ag），使得不易被硅吸收的长波光在到达电池背面后被铝层反射回硅中，增加了长波光的吸收路径，因此改善了对长波光的响应。另外为了克服采用浅结带来的上表面横向电阻大的问题，采用了密栅厚电极，即减小了栅线间距和栅线宽度，同时提高了栅线的厚度。这种电池的结构如图12．3所示，效率一般可达到12%（AM0）左右，主要优点是抗辐照性能较好，目前在国内高轨道卫星上仍有应用。
图12．3 浅结背反射器电池的结构
浅结背反射器电池的工艺流程如图12．4所示，其过程与常规电池大致相同，区别在于制备下电极时先要蒸镀一薄层铝作为背反射器，然后蒸镀Ti，Pd，Ag等金属，另外由于采用圆形硅片，需要通过划片工序将圆片切割成方形电池。蒸镀减反射膜也可放到划片前进行。
图12．4 浅结背反射器电池的工艺流程(www.xing528.com)
12．2．1．3 背场背反射器电池（BSFR电池）
在浅结背反射器电池的基础上，通过扩散技术在电池背面形成p＋区，即背表面场，由此形成背场背反射器电池，如图12．5所示。这种背表面场提高了电池的势垒，对载流子的收集起到了加速作用，因此提高了电池的短路电流和开路电压，其效率为14．5%～15%（AM0）。这种电池的效率较高，但抗辐照性能比浅结背反射器电池略差，在20世纪80—90年代广泛应用于各类卫星，目前国内在多个低轨道卫星上仍有应用。
图12．5 背场背反射器电池的结构
背场背反射器电池的工艺流程如图12．6所示，对硅片处理后，采用热氧化的方法在硅片正面形成硼扩散的掩蔽层，硅片背面的氧化层需要用氢氟酸去除，然后通过硼扩散在硅片背面形成背场结构，用热氧化或涂二氧化硅乳胶源的方法对硅片背面进行二次掩蔽，再通过磷扩散在硅片正面形成p－n结，后面的工艺与浅结背反射器电池相同。
图12．6 背场背反射器电池的工艺流程
图12．7 钝化发射极和局部背场电池的结构
12．2．1．4 钝化发射极和局部背场电池（PERL电池）
钝化发射极和局部背场电池最早是由澳大利亚新南威尔士大学发明的，是目前转换效率最高的电池，效率达到24．7%（AM1．5）。在20世纪90年代末，美国SunPower公司和日本Sharp公司分别针对空间应用研制了这种结构的电池，效率为17%～18．3%（AM0），在三结砷化镓电池普遍应用前，是航天器电源的最佳选择，装备了50余颗卫星。该电池的结构如图12．7所示，其主要特点是，衬底通过减薄处理使厚度降低到100μm左右，既降低了体内复合，又提高了电池抗辐照能力，电池正面采用光刻和碱腐蚀的方法制备了倒金字塔形状的陷光结构，提高了对光的吸收，上电极和下电极的接触区域制备了重扩散的n＋区和p＋区，降低接触电阻，电池的上下表面均采用热氧化制备的薄氧化层进行钝化处理，降低表面复合速率。这种电池的缺点是工艺流程复杂，需要通过5～6次精确对准的光刻来实现复杂的电池结构。
PERL电池的工艺非常复杂，需要经过多次光刻。对硅片进行表面处理后，首先用热氧化的方法在硅片表面形成薄氧化层，再通过光刻的方法使正面的氧化层形成倒金字塔的图形，用选择性腐蚀的方法刻出倒金字塔结构，用热氧化的方法制备扩硼的掩蔽层，通过光刻制作扩硼窗口，然后扩散制作局部背场，用热氧化的方法进行二次掩蔽，再通过光刻制作扩磷窗口，用高温浓磷扩散制作上电极的接触区域（n＋区），去掉正面氧化层后再进行低温浅磷制作p－n结，用热氧化的方法在电池正、背面形成钝化层，通过光刻制作正、背面的电极接触窗口，其余的蒸镀电极等工艺与背场电池相同，工艺流程如图12．8所示。
图12．8 PERL电池的工艺流程
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