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P-N 結(jié)是光伏電池的“心臟”。按照 P-N 結(jié)類型，光伏電池可以分為同質(zhì)結(jié)電池和異質(zhì)結(jié)電池。其中同質(zhì)結(jié)電 池主要通過擴(kuò)散的方式，在同一種類型的硅片（P 型或 N 型）上實(shí)現(xiàn)摻雜，從 而得到 P-N 結(jié)。異質(zhì)結(jié)電池的 P 型區(qū)和 N 型區(qū)由不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成， 可分為摻雜型和非摻雜型。

當(dāng) P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于 P 型半導(dǎo)體中空穴濃度高，而 N 型半導(dǎo)體中電子濃度高，因此會(huì)形成熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。即 P 型半導(dǎo)體中空穴向 N 型區(qū)擴(kuò)散，N 型半導(dǎo)體中的電子向 P 型區(qū)擴(kuò)散。而后 在 P 型區(qū)形成負(fù)電荷，而 N 型區(qū)形成正電荷，兩者之間形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)。在光照條件下，能量大于禁帶寬度的光子被吸收，在 PN 結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空 穴對(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下相互分開，從而產(chǎn)生光生電流。

“收集概率”描述了光照射到電池的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的載流子被 P-N 結(jié)收集并參 與到電流流動(dòng)的概率。其大小與光生載流子需要運(yùn)動(dòng)的距離和電池表面特性有關(guān)。距離耗散區(qū)越遠(yuǎn)，被收集的概率就越小，而表面鈍化能夠增加同一位置下載流子 被收集的概率。

什么是擴(kuò)散？擴(kuò)散描述了一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的情況。本質(zhì)在于原子、分子和離子的 布朗運(yùn)動(dòng)，造成由濃度高的地方向濃度低的地方進(jìn)行擴(kuò)散。晶體硅太陽電池制造采用了高溫化學(xué)熱擴(kuò)散的方式來實(shí)現(xiàn)摻雜制結(jié)。熱擴(kuò)散利用 高溫驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)穿過硅的晶格結(jié)構(gòu)，這種方法受到時(shí)間和溫度的影響，需要 3 個(gè)步 驟：預(yù)淀積、推進(jìn)和激活。

擴(kuò)散的三個(gè)指標(biāo)：方阻、結(jié)深、表面濃度

方阻值大小主要為表面濃度和結(jié)深的綜合表征，其對(duì)電池片參數(shù)的影響主要有以 下三點(diǎn)：1）擴(kuò)散 P-N 結(jié)深度直接影響到其對(duì)短波光線的吸收，因此在一定范圍內(nèi)擴(kuò)散 P-N 結(jié)越淺（方阻值越高），電流值越高；2）擴(kuò)散磷元素的摻雜濃度從一定程度上影響其 N 型硅部分的導(dǎo)電性能，因此摻 雜濃度越高（方阻值越小），填充因子越高；3）一般來說，在一定范圍內(nèi)，擴(kuò)散濃度增大，開路電壓隨之增大。

2.1、 同質(zhì)結(jié)：磷擴(kuò)與硼擴(kuò)

同質(zhì)結(jié)電池中，P 型區(qū)和 N 型區(qū)為同一種類型的半導(dǎo)體材料，一般使用摻雜的 方法形成 P-N 結(jié)。常見的摻雜方法包括：1）管式擴(kuò)散（低壓、常壓）；2）離子注入+退火；3）涂布源擴(kuò)散（絲網(wǎng)印刷、旋涂、噴涂、滾筒印刷）。目前大多采用低壓管式擴(kuò)散。

磷擴(kuò)：POCl3分解產(chǎn)生的 P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)生成 SiO2和磷原子，并 在硅片表面形成一層磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散。硼擴(kuò)：BBr3/ BCl3分解產(chǎn)生的 B2O3淀積在硅片表面，B2O3與硅反應(yīng)生成 SiO2和硼原子， 并在硅片表面形成一層硼硅玻璃，然后硼原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散。由上可知，不管是硼擴(kuò)還是磷擴(kuò)，需形成硼原子或磷原子的基礎(chǔ)上，向硅基體擴(kuò) 散。相比磷擴(kuò)散，硼擴(kuò)散的難度更大。原因在于硼原子在硅基體中的固溶度較低，導(dǎo) 致硼擴(kuò)的溫度須達(dá)到 1000℃以上。且表面摻雜量較多時(shí)容易在表面形成硼堆積， 即富硼層（BRL），對(duì)后續(xù)清洗造成挑戰(zhàn)。

對(duì)于硼擴(kuò)來說，目前有 BBr3/ BCl3兩種路線。BBr3常溫下為液體，安全性相對(duì)較好，但生成的 B2O3呈黏狀，需要 DCE 清洗， 維護(hù)成本高。BCl3常溫下為氣體，安全性相對(duì)較差，但生成的 B2O3呈顆粒狀，容易清理，缺 點(diǎn)是 B-Cl 鍵能更大，不易分解，造成擴(kuò)散溫度下利用率不高。

根據(jù) ITRPV 預(yù)測(cè)，未來 BBr3路線仍將占據(jù)多數(shù)份額，但 BCl3路線的占比將會(huì)逐 步提升，到 2032 年約達(dá)到 40%左右的市場(chǎng)份額。

2.2、 同質(zhì)結(jié)：SE

為什么需要 SE（選擇性發(fā)射極）？原因在于：常規(guī)晶體硅太陽能電池采用均勻高濃度摻雜的發(fā)射極。較高濃度的摻雜可以改善 硅片與電極之間的歐姆接觸，降低串聯(lián)電阻，但也容易造成較高的表面復(fù)合。為 此，需要使用選擇性發(fā)射極（SE）技術(shù)，在金屬柵線（電極）與硅片接觸部位 及其附近進(jìn)行高濃度摻雜深擴(kuò)散，而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜淺擴(kuò)散。

SE 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)：1）電極下的重?fù)诫s使得接觸電阻較常規(guī)電池有所下降，從而提高填充因子；2）電極間的輕摻雜可有效降低載流子在擴(kuò)散層橫向流動(dòng)時(shí)的復(fù)合概率，提高載 流子收集效率；3）太陽光短波段基本在硅片正表面被吸收，淺擴(kuò)散可以提高短波段太陽光的激 發(fā)效率，從而提高短路電流；4）形成一個(gè) n++-n+/ p++-p+的高低結(jié)，可以降低電極下方的少數(shù)載流子復(fù)合， 提高開路電壓。綜合來說，SE 較常規(guī)電池更好地平衡了金屬半導(dǎo)體間的接觸電阻和光子收集之 間的矛盾?；谂饠U(kuò)的技術(shù)難度，在硼擴(kuò)的基礎(chǔ)上做出 SE 相較磷擴(kuò) SE 難度更大，目前主 要發(fā)展出一次硼擴(kuò)和二次硼擴(kuò)兩種技術(shù)路線。

根據(jù)通威股份《基于 PECVD 技術(shù)制備超薄隧穿氧化層及 poly-Si 在 TOPCon 電 池中的應(yīng)用》，目前行業(yè)內(nèi)常見的硼擴(kuò) SE 有五種方案，其中激光開膜路線是目 前最成熟的方案。從量產(chǎn)前景來看，Etch-back 路線、激光直摻路線是最可能實(shí) 現(xiàn)量產(chǎn)的路線。五種方案中，刻蝕漿料路線、硼漿路線、Etch-back 路線都需要 外部開發(fā)不同的漿料。

2.3、 異質(zhì)結(jié)：摻雜與非摻雜

從本質(zhì)上講，熱擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)摻雜的一種方法，用于在同一種半導(dǎo)體上形成 PN 結(jié)。其他方法還包括離子注入、氣相沉積等。如通過氣相沉積的方法在晶硅表面沉積本征非晶硅和摻雜非晶硅，由于晶硅與非 晶硅不屬于同一種半導(dǎo)體材料，故形成的 P-N 結(jié)名異質(zhì)結(jié)。

異質(zhì)結(jié)電池采用氣相沉積實(shí)現(xiàn)摻雜，而非擴(kuò)散的形式。這帶來的一個(gè)問題是，前 表面的非晶硅帶隙較小，導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)寄生吸收，從而限制了飽和電流的提升；且非晶硅層摻雜效率低致使電池良率較低。這就引發(fā)了對(duì)免摻雜異質(zhì)結(jié)電池的應(yīng)用和探索。N 型過渡金屬氧化物（TMO） 材料被嘗試用作空穴傳輸層。根據(jù)中山大學(xué)相關(guān)資料，HJT 電池中利用 MoOx 代替 p 型摻雜非晶硅，最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá) 23.5%。

2.4、 非成結(jié)摻雜

摻雜工藝除了可以形成 P-N 結(jié)之外，還被用作形成高低結(jié)。所謂高低結(jié)，指的是在電池基體和底電極間建立一個(gè)同種雜質(zhì)的濃度梯度，制備 一個(gè) P-P+或 N-N+高低結(jié)，形成背電場(chǎng)，可以提高載流子的有效收集，改善太陽 電池的長波響應(yīng)，提高短路電流和開路電壓，這種電池被稱為“背場(chǎng)電池”。典型的案例是在 TOPCon 電池中，正面使用硼摻雜在 N 型硅片上形成 P-N 結(jié)， 背面使用磷摻雜制成的 N 型多晶硅，起到高低結(jié)的作用。HJT 電池中，正表面 i 層非晶硅與 n 型硅基底形成 P-N 結(jié)，背表面 n 型非晶硅與 n 型硅基底形成高低 結(jié)。

從廣義上來講，只要是通過同種雜質(zhì)的濃度梯度建立起電場(chǎng)，從而影響載流子收 集的結(jié)構(gòu)，都可以稱作高低結(jié)。如硼擴(kuò)/磷擴(kuò)中的選擇性發(fā)射極、BSF 電池中的鋁背場(chǎng)、PERC 電池中的局部鋁 背場(chǎng)、以及 TOPCon 電池正表面的銀鋁漿細(xì)柵。

2.5、 擴(kuò)散爐

國內(nèi) PERC 電場(chǎng)的磷擴(kuò)散設(shè)備已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并發(fā)展出了適用于大硅片、大 產(chǎn)能的設(shè)備，綜合考慮熱場(chǎng)、氣場(chǎng)的均勻性，硅片的放置模式有水平、垂直、類 PE 型垂直等多種模式。硼擴(kuò)散設(shè)備的要求比磷擴(kuò)散更高，主要體現(xiàn)在：均勻性、擴(kuò)散時(shí)間長、擴(kuò)散溫度 高、硅片寄生 OSF 位錯(cuò)。

均勻性問題：核心是氣場(chǎng)與熱場(chǎng)的均勻。垂直放片和水平放片各有優(yōu)劣，垂直放片有利于熱輻射傳遞，但不利于氣流傳輸；水平放片有利于氣流傳輸，但對(duì)熱輻射有遮擋。隨著硅片尺寸變大變薄，垂直放 片的均勻性受到挑戰(zhàn)，一方面大硅片導(dǎo)致兩硅片間氣體運(yùn)動(dòng)距離變長，阻力增大；另一方面薄硅片垂直放置時(shí)彎曲度變大。拉普拉斯采用水平背對(duì)背放置，氣流從端口和側(cè)面進(jìn)入，不僅增加了氣流的均勻 性，而且硅片背對(duì)背放置，在重力作用下自然壓緊，可減少繞鍍。

另一方面，隨著單爐產(chǎn)能不斷增加，爐管長度隨之增加，帶來了超長溫區(qū)內(nèi)氣流 與熱場(chǎng)均勻性問題。目前多采取多段進(jìn)氣的方式，增加爐管內(nèi)氣流均勻性。

原標(biāo)題：摻雜與成結(jié)：光伏電池的“心臟”