氧化铝：PERC 走向工业化的关键

PERC 电池结构最早于 1989 年由新南威尔士大学 Martin Green 所领导的研究小 组提出。该电池正面采用光刻工艺制备“倒金字塔”陷光结构，双面生长高质量 氧化硅层，正面氧化硅层作为减反膜，进一步改善正面的陷光效果。背面氧化硅 层作为钝化膜，避免背金属电极与硅片全接触。UNSW 开发的 PERC 系列电池虽然转换效率高，但技术复杂，成本高，特别是 需要利用多次光刻和高温热氧钝化工艺，这导致该系列电池没有走向产业化。真 正使 PERC 电池产业化取得突破性进展的是氧化铝应用于太阳能电池做界面钝 化层。

2006 年，G.Agostinelli 等利用原子层沉积（ALD）技术在 p 型单晶硅表面沉积 Al2O3 薄膜，将表面复合速率降低至 10cm/s。2010 年，Thomas Lauermann 等率先将 Al2O3 钝化用于 125mm×125mm 的 p 型 CA 硅片，背面采用 15nmALD- Al2O3/80nmPECVD-SiN 叠层钝化，效率为 18.6%，从而促进了大尺 寸 PERC 电池的产业化进展。

对于 p 型表面来说，Al2O3是最佳的钝化材料。因为：1）大多数钝化膜都带正电荷，如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等，但氧化铝在沉 积过程中，负电荷恰好处在氧化铝和硅晶表面生成的氧化硅界面的交界处，且负 电荷密度高，可确保产生高效的场钝化效果；2）氧化铝的化学钝化效果也非常好，饱和了晶体硅表面的悬空键，降低了界面 态密度。目前采用 AlOx/SiNx 叠层钝化膜进行 PERC 电池的背表面钝化。原因主要是：1）氮化硅层实现对氧化铝层的保护；2）厚度达到 100nm 以上，实现内反射。

（氢化）非晶硅：HJT 电池的关键钝化材料

20 世纪 60 年底后期，氢化非晶硅（a-Si:H）的发现引发了研究者极大的兴趣， 具有合适的载流子迁移率的 a-Si:H 成为潜在的光伏材料。研究过程中有两个里程碑：1）1974 年，Lewis 等解释了氢在饱和 Si 原子悬挂键和形成稳定的互联 Si-H 环 结构中的作用；2）1975 年实现取代掺杂， n 型掺杂（p 型掺杂）通过向硅烷气体中加入磷（乙 硼烷）而实现。1979 年，三洋公司首次发布商用 a-Si:H 太阳能电池，用于手持计算器。20 世 纪 80 年代后期，三洋的研究部门用 a-Si:H 和 c-Si 形成硅基异质结，并在 1991 年以商标 HIT 为他们的 a-Si/c-Si 异质结（SHJ）电池的混合设计申请了专利。2011 年专利到期后，国内外开始尝试规模化量产。

氧化硅（隧穿氧化层） 多晶硅

隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）太阳能电 池，是 2013 年在第 28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer 太阳能研究 所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池。氢化非晶硅对温度的要求十分苛刻（不超过 200℃），而多晶硅薄膜对温度忍耐 性高，结合对电子和空穴具有选择性通过的隧穿薄膜形成钝化接触结构，并通过 高温扩散工艺完成掺杂的异质发射极。实际上，多晶硅薄膜发射技术在 1980 年的半导体集成电路工艺上已实现商业化 应用。早期的双二极管研究工作中，发现薄 SiOx 层加掺杂的多晶硅层可以获得 低复合速率，并在 1990 年证明可以用于晶体硅太阳能电池的接触钝化。隧穿层的备选方案包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx 等，本来 a-Si:H 是比较理想 的，但由于寄生光吸收、热稳定性差等原因，目前晶体硅电池上研究较多和产业 化应用的隧穿层主要是 SiO2材料。

3.3、 钝化接触：高效路线的本质

正确理解钝化和接触

在传统铝背场电池和 PERC 电池中，金属与晶硅层是相互接触的，不同的是铝背 场电池中采取了面接触（BSF），而改进后的 PERC 电池采取了线接触（LBSF）。原因在于，尽管全界面钝化对背面钝化效果是最好的，但不能满足金属化的要求， 这就需要对背面钝化层进行开孔并实现局域金属接触。一方面，局域接触面积较 小，将电极接触处复合降至最低，另一方面，也满足了电流传导的金属化要求。但是，在金属和半导体的直接接触区域，金属层在接触界面附近的带隙内引入了 巨量的电子态，导致电池端有超过 50%的载流子复合损失。

除了进行金属接触区域的局部重掺杂，减少金属/半导体的接触面积之外，一个 行之有效的办法就是：采用超薄介质薄膜将金属和半导体隔离，钝化硅片表面， 同时薄膜可以实现载流子的隧穿效应以保证载流子传导，这种技术被称为钝化 （界面）接触（电接触）技术。

这就意味着既要有良好的界面钝化效果，又要能实现良好的电接触，可选择的材 料包括 Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx等。

从钝化效果来看，SiO2、a-Si:H、Ta2O5/SiNx 具有较好的钝化效果。N polySi 和 a-Si:H 具备较低的复合电流，但 a-Si:H 的接触电阻大于 N polySi。由于对 SiO2、a-Si:H 的钝化路线的选择，形成了 TOPCon、HJT 两大 N 型电池技术路 线。又由于 a-Si:H 的热稳定性差，决定了 HJT 需采用低温路线。

TOPCon：薄 SiO2层在接触钝化中起到关键作用，而掺杂多晶硅一方面通过 n /n 高低场作 用减少了硅基体界面处少数载流子密度，另一方面为多数载流子提供良好的传导 性能。

钝化接触效果直接体现在开路电压和短路电流上。从开路电压Voc 来看，HJT>TOPCon>PERC。PERC普遍不超过700mV，TOPCon 则处于 720-730mV（单面钝化接触），HJT 则普遍大于 735mV，甚至接近 750mV （双面钝化接触）。从短路电流来看，TOPCon>PERC>HJT。受到前表面寄生吸收的影响，HJT 短 路电流较低。

在确定选择镀膜介质后，不同的设备和工艺路线将对镀膜质量（即致密性、均匀 性）产生影响，从而决定了完成钝化所需的膜层厚度。而在真空镀膜工艺下，镀膜质量本质上与三个要素有关：气场、热场、电场。

在气相沉积工艺中，通入气体由反应物质与携带反应物质的惰性气体组成。在大 硅片背景下，为了提高单线产能，石英管长度与半径都有增加趋势。此时气场的 均匀性受到挑战，为了实现更好的管内气场，前进气、后进气、多段进气等工艺 先后得到应用。

热场的控制关键在于对管内温度更精准的控制。特别是光伏电池效率不断逼近极 限，热场的精准调节有助于提高膜层质量。北方华创温控解决方案：采用多段超长温区温控系统，非对称炉体设计，关键步 骤阶梯控温技术，串级低超调快速回温技术，窄温度梯度工艺控制。

在管式 PECVD 中，石墨舟既是载具也是电极，以折叠的形式最大程度提升电极 的有效面积。高频电场是制造等离子体的关键。

4.1、 真空镀膜工艺总览

薄膜：由原子、分子或离子沉积所形成的二维材料称之为薄膜。各种薄膜制备技术总体可分为两类：1）在液相中进行的化学物理制备方法，例如电镀、化学镀、热浸涂、热喷涂等；2）在气相中进行的化学物理制备方法，例如常规沉积、真空沉积、等离子体沉 积、离子束沉积、离子束辅助沉积、等离子体喷涂等。除常规沉积外，大部分属于真空镀膜的范围，其目的是为了改变基体表面的物理 化学性能。

薄膜沉积设备通常用于在基底上沉积导体、绝缘体或者半导体等材料膜层，使之 具备一定的特殊性能，广泛应用于光伏、半导体等领域的生产制造环节。薄膜沉积设备按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相 沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。

1）PVD

物理气相沉积（PVD）技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液 体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离 子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD 镀膜技术 主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。

2）CVD

化学气相沉积（CVD）是通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐射等各 种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜 的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层以及金属膜层的沉积。

3）ALD

ALD 技术是一种特殊的真空薄膜沉积方法，具有较高的技术壁垒。通过 ALD 镀 膜设备可以将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面，每镀膜一次/层 为一个原子层，根据原子特性，镀膜 10 次/层约为 1nm。

CVD 工艺一般需满足三个条件：1）先驱反应物全部为气体。若先驱反应物在室温下为气体，则可用简单的沉积 装置来满足成膜要求。若先驱反应物在室温下挥发性很少，则需通过加热使其挥 发，且同时对从反应源到反应室的管道进行加热，以便采用运载气体将先驱反应 物带入反应室；

2）生成物为固体（ 气体）。生成物除了用于沉积物质为固态薄膜外，其他反 应物均为挥发性气体，以便被抽气系统排出；3）沉积薄膜物质的蒸气压需足够低，以保证在反应的全过程中沉积物质能够在 一定温度的基体上形成薄膜。

4.2、 TOPCon 镀膜设备

TOPCon 电池中，主要针对标志性的隧穿氧化层和掺杂多晶硅层进行分析。隧穿 SiO2层：可采用热氧化法、PECVD、PEALD 等镀膜方法；掺杂多晶硅层：主要有 LPCVD、PECVD 两种路线。

对比不同厂家的设备参数，目前采用 LPCVD 的厂家主要有：拉普拉斯、北方华 创、松煜、红太阳、赛瑞达；采用 PECVD 路线的厂家主要有：捷佳伟创、金辰。不同的技术路线的区别点主要在于产能、良率、均匀性等指标。

从终端电池片厂商的选择来看，拉普拉斯的 LPCVD 路线具备先发优势，目前已 在晶科、捷泰、通威、正泰等厂商实现应用；捷佳伟创的 PECVD 路线亦取得较 快进步，主要在天合、晶澳、通威等厂商实现应用；微导主要采用 PEALD PECVD 路线，目前也已取得小范围供货；中来股份采用独特的 POPAID 路线，主要设 备由杰太供应。

4.2.1、镀膜的质量与厚度

氧化铝

作为 P 型表面绝佳的钝化材料，Al2O3自带负电荷，可以同时提供化学钝化和场 钝化效应，在 PERC 电池背表面钝化过程中起到重要作用。目前，TOPCon 电池 正表面钝化仍采用 Al2O3。在制备方法上，可供选择的路线通常包括 ALD、PECVD、APCVD 等。

根据丁建宁《高效晶体硅太阳能电池技术》，PECVD 可以在同一设备完成氧化 铝和氮化硅薄膜沉积，工艺集成性好，但 PECVD 沉积的氧化铝致密性略差，钝 化效果不如 ALD，因此 PECVD 沉积氧化铝厚度一般需大于 15nm。根据宋登元 《N 型电池产业化现状与发展趋势》，3-5nm 氧化铝薄膜效果最好，复合降到 电流 15fA/cm2以下。Jan Schmidt 等人研究表明，各种沉积氧化铝技术中，按钝化效果排序：ALD>PECVD>溅射。原因在于，ALD 沉积氧化铝由两个自限半反应组成，每次 反应被限制在一层原子，通过交替通入反应物，氧化铝得以一层一层生长，所以 其结构致密，钝化效果好。