硅基薄膜太阳电池

介绍了不同硅基太阳电池技术优势及其所用正面导电银浆的作用及组成，对比了国内外各正银浆料供应商针对不同电池技术所研发的正面银浆，分析了各种正银浆料产品的不同与现状，总结并展望了未来高效电池技术及正银浆料发展的方向，为未来光伏技术的发展及正银浆料国产化提供了一定的思路

01不同硅基太阳电池技术

晶体硅太阳电池主要由经过不同工艺处理的硅基片、正面电极、铝背场及背面电极等组成。图1～图5 分别为不同技术的太阳电池结构示意图。

图1 为常规太阳电池结构示意图，常规太阳电池的制备工艺简单、成本较低，但和其他硅基太阳电池技术相比，其转换效率较低。

PERC 太阳电池，即钝化发射极及背面太阳电池，结构如图2 所示。PERC 太阳电池与常规

太阳电池的主要区别在于[5]：1)PERC 太阳电池在背表面有钝化介质层( 多为Al2O3) 和保护层( 多为SiNx);2) 常规太阳电池铝背场与硅片完全接触，而PERC 太阳电池铝背场是通过激光开窗的空洞区域与硅片进行局部接触。

图3 为n 型晶体硅太阳电池结构示意图。n型晶体硅太阳电池较p 型晶体硅太阳电池具有少子寿命高、光致衰减小等优点，有更大的效率提升空间。同时，n 型晶体硅太阳电池还具有弱光响应好、温度系数低等优点。

IBC 太阳电池，即叉指背电极太阳电池，结构如图4 所示[6]。其优势主要体现在[7]：1) 转换效率高，正面无栅线使入射光子数量最大化;2)表面轻掺杂，增强了短波光谱响应;3) 基区和发射区的电极均制作在背面，可实现电池正、负极焊线的共面拼装，简化了光伏组件制作工艺流程，易实现自动化，提高生产效率。

图5 为HIT 太阳电池( 异质结太阳电池)结构示意图[8-9]。HIT 太阳电池以高质量超薄本征非晶硅层对晶体硅基底材料的两面进行钝化，降低表面复合损耗，提高了器件对光生载流子的收集能力，从而形成高效的新型晶体硅太阳电池。其主要优势有[10-11]：1) 采用低温技术，整个烧结工艺可在200 ℃左右完成，减少能耗，降低成本;2) 光电转换效率高;3) 稳定性好，没有形成B-O复合体而导致的光衰效应。

02硅基太阳电池用正银浆料

2.1

正银浆料在太阳电池中的作用

正银浆料是通过丝网印刷将银浆印刷在晶体硅片上，然后经过烘干和烧结工艺在硅片表面形成电极或电路。在光照条件下，硅片中的p-n 结产生的光生电子会朝着电池正面电极运动，空穴朝着背电极运动。如果电子运动到正面电极之前未被缺陷或杂质复合就会被电极收集，进而形成电流流至外电路。因此，这对浆料的要求较高，如形成良好的欧姆接触、低的接触电阻、良好的印刷性、良好的附着力等。浆料的质量和性能对晶体硅太阳电池的效率有重要影响，近年来晶体硅太阳电池转换效率的提高大部分要归功于浆料的改善，尤其是正银浆料。不过由于不同种类太阳电池的结构和制备工艺有差别，对正银浆料的性能要求也有所差异，主要包括高温型和低温型，分别应用于晶体硅太阳电池和HIT 太阳电池。

2.2

正银浆料的分类与组成

高温烧结型正银浆料一般由银粉、玻璃粉和有机载体等组成。由于银具有良好的导电性，且相对于其他贵金属而言价格便宜，因此在导电浆料中具有导电功能，银粉一般占浆料总量的80%～90%[4]。文献[12-15] 的研究结果表明，银粉粒径分布、微观形貌、含量等对太阳电池的转换效率有重要影响。目前银浆中广泛使用的是微米、亚微米级超细球形银粉，能与硅基片形成良好的欧姆接触，接触电阻较低，导电性良好。玻璃粉作为无机粘结剂，决定着导电浆料对太阳电池减反射膜的腐蚀穿透力和银膜电极与硅基体的结合力;以及溶解Ag，并输送到Ag/Si界面，保证Ag 与Si 形成良好的欧姆接触。玻璃粉一般占浆料总量的2%～10%[4]。文献[16-18]的研究发现，具有适当融化温度和润湿能力的玻璃粉，有助于降低银电极体电阻和接触电阻，增加焊接拉力，是获得最佳电池性能的关键因素之一。有机载体主要由有机溶剂、树脂、添加剂等组成，其作用是分散和润湿浆料中的银粉及玻璃粉，控制浆料的流变性能，使浆料具有良好的印刷性能，最后在烧结的过程中挥发出去，一般占浆料总量的5%～15%[19]。通过调节有机载体的组成和含量可以改变浆料的粘度、挥发性、触变性等性能，使浆料在印刷时具有较高的流动性，增大栅线高宽比，提高电池的转换效率。正银浆料这些组成成分的性能和比例会直接影响太阳电池的转换效率。

2.2.2

低温固化型正银浆料

HIT 太阳电池的正面电极通常在200 ℃左右进行烧结，因此，必须使用低温型电极浆料。低温银浆成分主要由银粉、树脂、溶剂及添加剂组成[8-9]。其中，银粉为导电相，树脂是粘结相，溶剂用来溶解树脂、控制浆料的挥发性等，添加剂则是用来改变浆料的各种性能，使其适用于HIT 太阳电池电极的印刷和固化工艺。

低温固化型正银浆料中，一种为热塑性浆料，采用热塑性树脂，其溶剂含量较多，固化工艺窗口较窄[10];另一种采用热固性树脂，称为热固性浆料，加热时，热固性聚合物在相邻的聚合链间形成化学键，导致形成三维网络结构，比热塑性浆料形成的二维结构要刚硬[11]。

03适用于不同太阳电池技术的正银浆料

导电银浆的品质对太阳电池的电性能起着决定性作用，优质的导电银浆是制造高效太阳电池的关键。虽然目前国内企业生产的浆料市场占有率较低，但在国内浆料生产商的努力下，国产浆料与进口浆料的性能差距已经较小，主要是稳定性与品牌知名度还亟需提高。表1～表5 列举了国内外浆料商为不同结构太阳电池设计的最新正银浆料的性能参数[20]。

由于常规太阳电池技术的发展较为成熟，其使用的正银浆料研发较早、技术更新较快、国产产品型号较多，部分国产浆料在性能上可与进口浆料相媲美。目前，国内只有少部分企业采用无铅玻璃粉。PERC 太阳电池结构和常规太阳电池相比，主要区别在于背表面沉积钝化层和激光开窗结构，就正面结构而言区别较小，PERC 太阳电池的烧结温度相对较低些，因此，有些常规太阳电池正面银浆可以兼容PERC 太阳电池。n 型晶体硅太阳电池，如IBC 太阳电池，由于其特殊的结构和制备工艺，其导电银浆中导电相为Ag-Al 合金，可以在p+ 发射极硅表面获得低接触电阻。对于HIT 太阳电池而言，高温会对电极下面掺杂的非晶硅薄膜产生损伤[21]，因此必须采用低温浆料。低温浆料中不含玻璃粉，固化温度在200 ℃以下，无银粉烧结过程，银粉之间、银与硅之间通过有机树脂相进行粘结。

04总结与展望

目前，为了使光伏发电具有竞争力，提高太阳电池的光电转换效率且降低其生产成本是产业发展的核心目标。未来的硅基高效技术主要是基于n 型和PERC 技术来制备方阻高、少子寿命高、光致衰减小、弱光响应好的硅基片。其中，PERC 太阳电池在生产上相对容易实施，只需在常规太阳电池的制备工艺中增加2 个工序：沉积背面钝化叠层和背面钝化层激光开窗。对银浆而言，电阻小、高宽比大、降低银含量、玻璃粉无铅化是未来的发展目标。综上所述，为了提高太阳电池的转换效率，降低度电成本，越来越多的电池技术涌现，导电银浆越来越专业化。因此，未来硅基太阳电池技术和银浆的发展主要趋势为：

1) 采用基于n 型晶体硅和PERC 高效技术优化太阳电池结构，并针对不同太阳电池结构设计所需要的新型导电浆料;

2) 导电银浆用银粉粒径超细化，多种粒径的银粉混合使用;

3) 玻璃粉无铅化，有利于环境保护;

4) 为了降低成本，在保证栅线印刷高精度的同时降低浆料中银的含量。

浙江亚通焊材有限公司 浙江省钎焊材料与技术重点实验室

■ 马君杰* 冯斌 钟海锋

来源《太阳能》杂志社2018 年第4 期( 总第288 期)

化石燃料能源的使用促进了人类社会的进步，但是化石燃料的过度消耗也引起了全球气候变暖和生态环境的恶化，给人类的生存带来了巨大的威胁。改变能源消费结构，大力发展可再生能源，已成为世界各国的共识。在众多的可再生能源中，太阳能因其具有取之不尽、用之不竭、清洁安全无污染、应用地域广阔等特点，因此特别受到人们的重视。太阳能的利用主要包括光热转换和光电转换。光热转换是指将太阳散发的能量聚集起来，转换成热能，如太阳能热水器等，也包括将太阳能转换成热能，再利用热能发电的光热发电。光电转换是指利用半导体的光生伏特效应，通过太阳电池器件将太阳光转换成电能，即光伏发电，如太阳能光伏电站和发电系统。

世界太阳能光伏发电科技和应用发展迅猛，到2012年年底全世界光伏累计装机容量已突破100GWp的里程碑节点，预计光伏发电将在2030年占到世界能源供给的10%，对世界的能源供给和能源结构调整做出实质性的贡献。中国光伏迅猛发展，2014年新增光伏装机容量10.6GWp，单年新增装机容量全球第一；到2015年底，中国累计光伏装机容量43GWp，成为全球光伏应用第一大国。光伏发电需要通过太阳电池组件实现能量转换，目前仍以第一代的晶体硅太阳电池组件为主，其市场份额超过80%，未来10～20年内仍将是市场主流，因此提高晶体硅太阳电池的转换效率对于确保其优势地位特别重要。

随着技术的进步，晶体硅太阳电池的转换效率逐年提高。在当前光伏工业界，单晶硅太阳电池的转换效率已达到20%以上，多晶硅太阳电池的转换效率已达18%以上。然而大规模生产的、转换效率达22%以上的硅基太阳电池有美国SunPower公司的背接触太阳电池和日本松下公司的带本征薄层的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池。其中，非晶硅/晶体硅异质结太阳电池是以晶体硅为衬底，在其上沉积非晶硅薄膜形成p-n 异质结，其电池结构和工艺与常规晶体硅太阳电池有很大的区别，但是非晶硅/晶体硅异质结太阳电池结合了晶体硅电池和硅基薄膜电池的优点，具有制造流程短、工艺温度低、适合使用薄型硅片、转换效率高和发电量多等特点。

在当今众多的高效晶体硅太阳电池方案中，非晶硅/晶体硅异质结太阳电池无疑是关注度很高的一种。在非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的研发和生产领域，日本松下公司可谓一枝独秀，2013年其报道的最高电池效率达24.7%，电池面积～100cm⊃2;，达到商用规格大小。随着松下公司关于带本征薄层的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的主体专利在2010年到期，国内外诸多研究机构和企业都加大了对非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的研发与投入。2014年，松下公司报道了效率达25.6%的背接触异质结太阳电池，打破了保持了20多年的经过太阳电池世界纪录。2016年，日本KANEKO公司报道了效率达26.33%的背接触异质结太阳电池，进一步提高了晶硅太阳电池的效率。中国的异质结太阳电池技术近年也获得较大进展，2016年有近十家企业宣布进军高效异质结电池的产业化生产，相信在不久的将来中国必将成为高效异质结太阳电池的技术和生产强国。

除了关注太阳电池转换效率的提高，其低成本制造更显重要，这是关系到太阳能光伏发电能否与其他能源技术相竞争的关键问题。我国为实现高效率、低成本的硅基异质结太阳电池，在“十二五”期间启动了两个“MW级薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池产业化关键技术”863计划课题，力图能够深入理解薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池高效机理，开发出高性能薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池成套制备技术，实现薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池中试，建成MW 级产能的中试示范线，使我国具有高效薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池产业化的能力。

本书作者有幸参加上述863计划课题之一，在非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的理论研究和实际研发方面做了大量的工作，总结课题研究成果，得以形成本书。我们旨在深入论述非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的结构特征、制造工艺与技术、涉及的基本物理问题和相关模拟研究的情况，同时还涉及其他新型无机物硅基异质结太阳电池的研究进展。本书是国内第一部全面介绍硅基异质结太阳电池研究和技术进展的学术专著，在编著本书时作者希望尽可能反映当前硅基异质结太阳电池的科研和生产最先进水平和技术，同时力求写成一本既具有基础理论阐述，又具有实际指导意义和实用价值的参考用书。

全书共7章，从内容上可以分为三个层面：①高效晶体硅太阳电池、异质结基本知识和相关表征测试技术的介绍(第1、2、3章)；②非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制造工艺与技术、涉及的物理问题和模拟研究(第4、5、6章)；③新型无机物硅基异质结太阳电池的介绍(第7章)。其中，第1章为绪论，全面介绍了当今高效晶体硅太阳电池技术，并引出非晶硅/晶体硅异质结太阳电池，阐述了硅基异质结太阳电池的历史、结构与特点、效率进展情况等，通过本章的介绍，读者能基本了解当今晶体硅电池的前沿技术和硅基异质结太阳电池的进展。第2章概括了半导体异质结的基本知识，为读者能够理解非晶硅/晶体硅异质结太阳电池作必要的铺垫。第3章介绍了与异质结太阳电池相关的表征与测试。第4章则按照非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制作工序，逐一叙述每一步工艺过程中的科学与技术问题，并简单介绍了异质结太阳电池组件的应用。第5章论述了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池中涉及的物理问题，力图从理论上描述异质结太阳电池。第6章对硅基异质结太阳电池的计算机模拟研究进行介绍。第7 章介绍新型无机物硅基异质结太阳电池的研究状况。

本书的出版得到了国家科学技术学术著作出版基金的资助，特别感谢我国半导体物理和半导体器件物理专家、中国科学院上海技术物理研究所沈学础院士欣然为本书作序。作者同时感谢国家863 计划项目组(2011AA050502)成员的帮助和鼓励；感谢项目承担单位协鑫集成科技股份有限公司的大力支持；感谢上海交通大学太阳能研究所曾洋、华夏、钟思华等博士生帮助收集资料，并在本书成稿后仔细阅读和校核。

虽然作者在写作过程中精益求精，力求介绍全面、表述清晰、叙述流畅，但是限于作者学识和水平，加之时间仓促、收集的资料有限，因此本书错误和遗漏在所难免，恳请读者和同行批评指正。

该书（《硅基异质结太阳电池物理与器件》）重点讲述的非晶硅/晶体硅异质结太阳电池是将半导体能带工程应用于硅基材料和结构实现高效电池的典型成功范例。该书具有科学的深度又兼顾实际研发应用，同时指明了该种电池可能的完善途径和技术问题。

——沈学础

2014年4月

本文由刘四旦摘编自沈文忠、李正平编著《硅基异质结太阳电池物理与器件》（北京: 科学出版社, 2014.8）一书“前言”，作者补充更新了数据。

硅基异质结太阳电池物理与器件

一本全面反映硅基异质结太阳电池研究和技术进展的著作，全书首先简要介绍了半导体异质结基本知识和异质结太阳电池的表征与测试手段，然后系统阐述了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的制造工艺与技术、涉及的基本物理问题和模拟研究情况，最后综述了新型无机物硅基异质结太阳电池的研究进展。

材料人与科学出版社推出联合荐书专题，持续向读者推荐经典材料专著，通过对书籍精选内容的剖析抛砖引玉，如果您有优质书籍推荐，请联系tougao@cailiaoren.com，您可以通过扫描下方二维码直接购买此书。

本文由微信公众号科学出版社（ID:sciencepress-cspm）授权转载，由材料人网大城小爱编辑整理，材料人专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，

投稿以及内容合作可加编辑微信：xiaofire-18，吴玫，我们会拉各邀请老师加入专家群。

测试谷合作入驻联系方式

电话：010-5742 9831，QQ: 3234370334，邮箱：kefu@ceshigu.com

材料人

合作联系

测试谷：材料人旗下一站式材料分析测试解决平台改版上线了！（

测试业务：XRD/TEM/SEM/DSC/AFM/力学测试/热分析/PPMS/红外/粒度分析

技术服务：论文润色/论文绘图/理论计算/EBSD数据分析/MS使用指导/TEM操作指导……

商务合作：15120014412

材料测试：kefu@ceshigu.com

投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com

材料人在这里等着你