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。 随着硅片尺寸变大变薄，垂直放 片的均匀性受到挑战，一方面大硅片导致两硅片间气体运动距离变长，阻力增大；另一方面薄硅片垂直放置时弯曲度变大。拉普拉斯采用水平背对背放置，气流从端口和侧面进入，不仅增加了气流的均匀性，而且硅片背对背放置，在重力作用下自然压紧，可减少绕镀。 另一方面，随着单炉产能不断增加，炉管长度随之增加，带来了超长温区内气流 与热场均匀性问题。 目前多采取多段进气的方式，增加炉管内气流均匀性。 来源：电力电子研究院；全球光伏 END 原文始发于微信公众号（光伏产业通）：掺杂与成结：光伏电池的“心脏” 文章导航 电池颜色问题以及组件检验 多晶硅产业链全景图
