摘要
離子注入技術(shù)作為半導(dǎo)體領(lǐng)域中一項重要的摻雜工藝，將其應(yīng)用到
0引言
從1954年第一塊單晶硅太陽電池問世以來，作為太陽電池的主要發(fā)展方向,，晶硅電池技術(shù)取得了重大進(jìn)步,，光電轉(zhuǎn)換效率從最初的6%提高到現(xiàn)在24.7%
[1](僅考慮單節(jié)非聚光模式下的太陽電池)，然而這與晶硅電池的理論極限效率31%,。
[2]還有很大差距,。圖1為常規(guī)晶硅電池的工藝流程，在此基礎(chǔ)上的單晶電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18.8%,，多晶電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17.5%,。在不改變工藝方法和器件結(jié)構(gòu)的前提下,，晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率遇到瓶頸，如何進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)換效率成了各大廠商和研究機構(gòu)的重點課題,。
晶硅太陽電池的效率損失主要分為光學(xué)損失和電學(xué)損失兩類,，如圖2所示。高效電池技術(shù)研究重點就是通過工藝方法,、器件結(jié)構(gòu)和原輔材料等各方面的改善,，降低光學(xué)損失和電學(xué)損失，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提升,。本文從工藝原理,、實現(xiàn)方法、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化情況等方面對離子注入技術(shù)進(jìn)行分析,。
1離子注入工藝原理
當(dāng)真空中有一束離子束射向一塊固體材料時,，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低，并最終停留在固體材料中,，這一現(xiàn)象稱為離子注入,。在硅片中注入相應(yīng)的雜質(zhì)原子(如硼、磷,、砷等),，可改變其表面電導(dǎo)率或形成p-n結(jié)。常規(guī)晶硅電池通過高溫擴散的方式制備p-n結(jié),。高溫擴散是熱化學(xué)反應(yīng)和熱擴散運動的結(jié)合,，p-n結(jié)質(zhì)量受化學(xué)結(jié)合力、擴散系數(shù)和材料固溶度等因素的限制,，且長時間的高溫過程會對硅片晶格結(jié)構(gòu)造成損傷,。另外，由于擴散爐設(shè)備的限制,，擴散工藝還有一個難以克服的缺點,，就是摻雜的均勻性較差。用離子注入技術(shù)代替高溫擴散制備p-n結(jié),，可有效解決上述問題,。
用于實現(xiàn)離子注入工藝的設(shè)備叫離子注入機。由于精準(zhǔn)
2離子注入
用離子注入技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴散技術(shù),，可很方便地實現(xiàn)晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化，其工藝流程如圖3所示,。離子注入過程中高能離子對硅片晶格會造成一定損傷,，可通過高溫退火的方法消除該損傷，利用退火這一步驟可同時在硅片表面生長一層薄的SiO2層,，對硅片表面起到鈍化作用,。
離子注入技術(shù)相比傳統(tǒng)擴散技術(shù)在晶硅電池中的優(yōu)勢有：
1)發(fā)射極在高方阻情況下能保證很好的均勻性；
2)退火過程同時可對發(fā)射極進(jìn)行熱氧化鈍化,，減少表面復(fù)合損失,；
3)離子注入制備的發(fā)射極能與絲網(wǎng)印刷電極有更好的接觸，減少接觸電阻損失,；
4)不用對邊緣進(jìn)行刻蝕,，進(jìn)而增加了電池的有效受光面積，減少光學(xué)損失,；
5)無需去磷硅玻璃(PSG)這一步驟,，減少污染和化學(xué)品消耗；
6)通過控制離子注入工藝的注入劑量,、離子能量和退火工藝能精確控制摻雜水平,；
7)離子注入技術(shù)可方便實現(xiàn)圖形化區(qū)域摻雜,，可實現(xiàn)選擇性發(fā)射極,，也為背接觸電池(IBC)等高效電池結(jié)構(gòu)提供了可能性。
相較于傳統(tǒng)擴散技術(shù),，離子注入技術(shù)制備的發(fā)射極具有更低的表面復(fù)合速率和更好的表面鈍化效果,，使離子注入電池在短波區(qū)域的IQE響應(yīng)較高，即藍(lán)光響應(yīng)較好,。
表1為分別用擴散和離子注入制備的電池電性能對比[5],。由于離子注入制備的p-n結(jié)
3離子注入技術(shù)結(jié)合其他高效電池技術(shù)的應(yīng)用
3.1離子注入技術(shù)與SE技術(shù)的結(jié)合
離子注入技術(shù)的另一個優(yōu)勢在于其可很方便地實現(xiàn)選擇性發(fā)射極(SE)的制備,。實現(xiàn)方式為：先在硅片表面進(jìn)行低濃度的離子注入摻雜,，形成p-n結(jié)，再通過掩膜遮擋硅片表面其他區(qū)域,，在柵線位置進(jìn)行第二次高濃度離子注入摻雜,，形成選擇性發(fā)射極[6]。應(yīng)用選擇性摻雜技術(shù)可進(jìn)一步改善硅片表面的藍(lán)光響應(yīng),，提高電池轉(zhuǎn)換效率[7],。
3.2離子注入技術(shù)與背鈍化技術(shù)的結(jié)合
近年來,，背鈍化技術(shù)在高效晶硅電池中開始被重視。其原理是在硅片背面沉積一層Al2O3作為電池背表面的鈍化層,，可有效降低電池背表面的復(fù)合速率,，增加背面對光的反射，使原本會透過電池片的光反射回電池片內(nèi)部進(jìn)行二次吸收,，增加了電池片對光的吸收,。實驗表明，背鈍化技術(shù)可有效提高電池轉(zhuǎn)換效率[8],。
離子注入技術(shù)能實現(xiàn)對電池正表面的鈍化,，結(jié)合背鈍化技術(shù)，使電池的前后表面均可有效鈍化,，最大程度減少復(fù)合損失,，增加對光的利用，大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率,。目前已有研究機構(gòu)結(jié)合上述兩種技術(shù)使晶硅電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)20%以上[9],。
圖4為離子注入與背鈍化技術(shù)結(jié)合的高效晶硅電池工藝流程圖。制絨后的硅片先通過離子注入制備p-n結(jié),，同時對正表面形成SiO2鈍化,，然后結(jié)合背鈍化技術(shù)進(jìn)行Al2O3的沉積，以及前后表面SiN膜的沉積,。對比傳統(tǒng)晶硅電池的工藝流程可看出,，正是利用離子注入的優(yōu)勢，可在較少的工藝步驟下實現(xiàn)p-n制備和雙面鈍化的效果,，而且能與背鈍化技術(shù)實現(xiàn)完美的工藝對接,。所以離子注入技術(shù)結(jié)合背鈍化技術(shù)提高電池效率是未來高效晶硅電池發(fā)展的一個重要方向。
3.3離子注入技術(shù)與IBC電池的結(jié)合
交叉指型IBC電池主要采用體少子壽命較高的n型單晶硅片作為基底,。其特點是正面無電極,，實現(xiàn)了電池正面“零遮擋”，正負(fù)電極交叉排列在電池背面[10],。
常規(guī)IBC電池用n型材料作為襯底,，正面制成絨面結(jié)構(gòu)以降低反射率，表面采用SiO2/SiN層,，與n 層結(jié)合作為
1)在硅片同一面實現(xiàn)p 區(qū)域和n 區(qū)域的交錯擴散,；
2)氧化層的制備；
3)金屬電極下實現(xiàn)重?fù)诫s,；
4)激光燒結(jié)等,。
美國Sunpower公司和日本Sharp公司分別開發(fā)了各自的產(chǎn)業(yè)化IBC電池，其中Sunpower公司的IBC電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.3%,。但由于制作工藝過于復(fù)雜,，工藝控制過程嚴(yán)格，成本一直居高不下,，很難大規(guī)模推廣,。
利用選擇性發(fā)射極的工藝原理，將離子注入技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴散技術(shù)作為IBC電池中的摻雜工藝,，同時還能實現(xiàn)對摻雜表面的熱氧化鈍化,，其工藝流程圖如圖5所示。這樣,，上述IBC電池的幾個工藝難點(包括p 和n 交錯擴散,、氧化層的制備和金屬電極下重擴散)均可通過離子注入技術(shù)的應(yīng)用得到有效解決，其中背面發(fā)射極和背表面場的制備需用到圖形化區(qū)域摻雜技術(shù),。而且得益于離子注入的高水平摻雜效果,，能提高p-n結(jié)、前表面場(FSF)和背表面場(BSF)的質(zhì)量,。因此將離子注入技術(shù)引入IBC電池中能有效降低IBC電池的工藝難度,，降低制作成本，并且可提高電池轉(zhuǎn)換效率,。