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图1ITRPV2015晶硅电池效率预测
图2ITRPV2015不同类型硅片市场份额预测
公司'机构
电池结构
基体
面积cm2
转换效率％
Panasonic
HIT
n-Cz
101.8
247
SunPower
IBC
n-Cz
121
25,0
Sharp
HBC
n-Cz
3.72
25.1
Panasonic
HBC
n-Cz
F'i
表1部分机构N型单晶电池的最高转换效率
本文论述了n型单晶硅及电池组件的优势，并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特
点，相关技术发展现状及产业化前景。
2.N型单晶硅材料及电池组件的优势
与P型单晶硅相比，n单晶硅的生产制备没有本质的区别，是非常成熟的工艺技术，
随着N型单晶硅生产规模的扩大和技术的进步，两者之间的生产成本将会越来越接近。
磷掺杂的N型单晶硅及电池组件较硼掺杂的P型单晶硅及电池组件有许多明显的优势。
首先，N型材料中的杂质对少子空穴的捕获能力低于P型材料中的杂质对少子电子的捕获
能力，相同电阻率的N型CZ硅片的少子寿命比P型硅片的高出1~2个数量级，达到毫秒级。
且N型材料的少子空穴的表面复合速率低于P型材料中电子的表面复合速率，因此采
用N型晶硅材料的少子空穴的复合将远低于P型的少子电子的复合。
其次，N型硅片对金属污染的容忍度要高于P型硅片。
如图3所示，Fe,Cr，Co,W，
Cu，Ni等金属对P型硅片少子寿命的影响均比N型硅片大，由于带正电荷的金属元素具有很强的捕获少子电子的能力，而对于少子空穴的捕获能力比较弱，所以对于少子为电子的P
N型硅片
型硅片的影响比少子为空穴的N型硅片影响要大，即在相同金属污染的情况下,
的少子寿命要明显高于P型硅片。
但对于Au却是相反地，但对于现代工艺技术而言，Au
污染已不再是问题。
103
102
10*
10°
图3金属杂质在硅中的复合行为
1973年H.Fischer等发现P型掺硼CZ晶硅电池在光照下会发生明显的电性能衰减。
1997年J.Schmidt等证实硼掺杂Cz晶体电池出现光致衰减是由于光照或电流注入导致硅
片中的硼和氧形成硼氧复合中心，从而使少子寿命降低，引起电池转换效率下降。
2006年
A.Herguth等人发现在一定的温度和光照条件下，可以使硼氧复合体形成复合活性较低的
中间态，在一定程度上降低由硼氧复合体复合中心导致的光致衰减。
而掺磷的N型晶体硅
中硼含量极低，本质上消除了硼氧对的影响，所以几乎没有光致衰减效应的存在。
最后，由于N型基体材料高的少子寿命，N型晶硅组件在弱光下表现出比常规P型晶硅组件更优异的发电特性。
如图4所示，N型晶硅组件在光强小于600W/m2的弱光情况下，相对发电效率明显高于P型晶硅组件。
102
400600«Vlarz>DM0
光强亍于吋叭
图4N型和P型晶硅组件相对效率随入射光强度的变化曲线
3.N型单晶电池结构和特点
目前研究的N型单晶高效电池主要有：
PERT电池，PERL电池，HIT电池，IBC电池，
HBC电池等。
PERT电池根据其发射结的位置可分为正结型（p+nn+）和背结型（n+np+），
根据其受光面不同分为单面受光型和双面受光型。
PERL电池根据其受光面不同，也可分为
单面受光型和双面受光型。
如图5所示。
本文将就几种典型电池的结构和工艺特点进行重
点介绍。
N盘里晶雌电乜.
I:
7
图5N型单晶硅太阳能电池的分类
3.1N-PERL电池
PERL电池是发射结钝化背面局部扩散电池
（PassivatedEmitterRearLocally-diffused），其结构特点是背面局部接触处重掺杂以降
低电池背面局部接触区域的接触电阻和复合速率。
背面局部重掺可以通过不同的工艺方式实
现，比较常用的是激光掺杂和离子注入等。
另外，PERL电池根据其受光面不同，可分为单
面受光型和双面受光型。
单面受光型电池背面一般为全金属背电极覆盖，而双面受光型一般
为丝网印刷正反面对称结构，背面可接收反射光线，结合双玻组件技术可提高3%以上的总
发电量。
德国Fraunhofer实验室利用PassDop技术制备的n-PERL小面积电池（4cm2），其转化效率达23.2%（Voc=699mV，Jsc=41.3mA/cm2，FF=80.5%），电池结构如图6所示。
基体材料为N型CZ单晶硅，正面通过离子注入形成硼掺杂p+发射结，正面采用
PECVD沉积SiNx形成
ALD工艺沉积AI2O3钝化层钝化发射结降低表面复合速率，再用
减反膜。
正面光刻工艺开槽后用蒸镀方法形成Ti/Pb/Ag金属电极，背面利用激光掺杂技术
形成局部背场，如图7所示。
其工艺特点是先在背面PECVD法生长一层磷掺杂的a-SiCx
钝化层，再利用激光在熔融钝化层的同时将其中的磷元素掺杂进晶体硅形成局部重掺，最后
通过PVD的方法形成Al背面电极。
背面磷掺杂的a-SiCx钝化层具有很好的钝化效果，金
属接触区域n++局部重掺在降低接触电阻的同时，减少了金属接触区域的复合，提升了电池的开路电压和填充因子。
电池Uoc达699mV，FF达80.5%，显示了良好的表面钝化效
果和接触特性。
PassDop技术采用成熟的激光掺杂技术在形成背面局部接触窗口的同时形成局部重掺，
在不额外增加工艺步骤的情况下实现了PERL电池结构，是一种非常有应用前景的N型高
效电池的技术。
n-SiiFZ）（laserdoped;
图6德国FraunhoferPassDop技术PERL电池结构示意图
图7PassDop激光掺杂示意图（a）基体硅背面（b）沉积磷掺杂的a-SiCx钝化层（c）
激光开槽形成局部重掺（d）沉积Al背电极
日本三菱电机的n-PERL电池则采用双面受光型结构，在156*156mm2大面积单晶
硅片上实现转化效率21.3%（Jsc=39.8mA/cm2，Voc=677mV，FF=80.5%），电池结构如图8所示。
其正面发射结利用APCVD的方法沉积硼硅玻璃后经热扩散形成P型发散结，
再采用ALD沉积AI2O3钝化p+发射结以降低表面复合速率。
与Fraunhofer的N型PERL电池背面结构不同的是，除了在电极下局部重掺形成LBSF，以有效地降低背面接触位置的
复合速率及接触电阻外，其背面局部接触之间通过扩散形成一层均匀的N型掺杂层，可有
效降低由于N型材料相对较高的体电阻率所引起的电阻损耗。
背面栅状电极通过精准对位准确覆盖于局部重掺区域形成双面受光电池结构。
此电池结构兼具PERT和PERL电池结构
的优点，但因引入多步掺杂工艺而额外增加了工艺复杂度及制造成本而未被广泛采用。
LiveibvALDOptinuz^dfltiHTelectrode
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Tctallvdidi圈丁矍沖琢
个lightlydopediegionOpnmjzedreur吧lecliotl^DeepandloweoiK^uir^tedboronhiveihen\il>ieg[OJL
SWLARIIWNI
图8日本三菱电机PERL电池结构示意图
3.2N-PERT电池
PERT电池是发射结钝化全背场扩散电池（PassivatedEmitterRearTotally-diffused）,
其结构特点是背表面扩散全覆盖以降低电池的背面接触电阻和复合速率。
背面全背场扩散可
以通过不同的工艺方式实现，主要包括管式扩散，外延生长法，离子注入法等。
英利公司PANDA电池是采用双面受光型PERT结构的大面积电池（239cm2），并且
已实现量产，最高转化效率为20.76%（Voc=650.3mV,Jsc=39.6mA/cm2,FF=80.63%），
电池结构如图9所示。
其在普通化学制绒的N型Si片上，通过硼磷管式共扩散制备正面P
型发射结和N型背面，然后通过PECVD技术在前后表面制备钝化层和减反膜，正反面电极使用常规丝网印刷工艺完成。
PANDA电池双面发电的设计，能够同时接受从正面和背面进入电池的光线从而实现
双面发电的功能；正面采用细密栅线的设计，减少了遮光面积，提高了电池的短路电流。
与
规模化生产的IBC、HIT等N型电池相比，其结构简单、制备成本低、工艺流程短，与现有的P型生产线相兼容，容易实现大规模量产。
TexturedfrontsurfacewittiantrreHectioncoating
图9英利公司PANDA电池结构示意图
比利时IMECn-PERT电池是背结型大面积电池（225cm2），转化效率达21.51%
（Voc=675.9mV，Jsc=39.35mA/cm2，FF=80.9%），电池结构如图10所示。
正面为N
型前表面场，背面为通过外延法生长的P型晶硅背发射结，再用ALD法生长AI2O3钝化层
钝化背面。
外延法生长背面P型发射结技术目前仍然处理实验室研究阶段，其量产可能性
还有待验证。
fronlmdaHization
AntIreflectioncoaling
N-typeFSF
n-typeSi
rearrrietaillzation
图10IMECPERT电池结构示意图
为了进一步降低背面复合速率实现背面整体钝化，并去除背面开膜工艺，钝化接触技
术近年来成为行业研究热点。
德国Fraunhofer开发的Topeon
（TunnelOxidePassivatedContact）技术在小面积电池（4em2）上实现25.1%的转化效
率（Voc=718mV，Jsc=42.1mA/cm2，FF=83.2%），电池结构如图11所示。
正面采用选择性发射结结构，方块电阻达150ohm/sq，并采用AI2O3/SiNx进行表面钝化和减反射
以降低表面复合速率和反射率。
背面首先在电池背面采用湿化学方法制备一层超薄SiO2，
厚度约1~2nm，然后再沉积一层20nm厚的磷掺杂非晶硅层，经过高温退火后形成掺杂多晶硅，二者共同形成钝化接触结构，最后通过PVD的方法形成全背面金属接触。
背面TopCon结构的隧穿效应示意图如图12所示，1~2nm厚的化学SiO2隧穿氧化
层具有很好的选择性，允许多子电子穿越同时阻挡少子空穴的复合，由于采用晶化处理，此
钝化结构具有很好的热稳定性。
Topcon全接触钝化结合全金属电极的创新结构，克服了
PERL电池结构由于局部开孔对载流子传输路径的限制，实现了最短的电流传输路径，将传输电阻损失降低为零，根本上消除了电流横向传输引起的损失。
相比较于PERL电池结构，TopCon结构无须背面开孔和对准，也无须额外增加局部掺杂工艺，极大地简化了电池生产工艺，同时掺杂多晶硅层良好地钝化特性以及背面金属全
接触结构具有进一步提升转换效率的空间，或可成为下一代产业化N型高效电池的切入点。
P
_7S#LARZ^iOM
TOPCon<7fA/cm2“呵吠伊的
图11德国FraunhoferTopcon技术PERT电池结构示意图
图12TopCon结构的隧穿效应示意图
3.3N-PERT/PERL电池的研究和产业化现状
N-PERT/PERL电池由于比较大的效率提升潜力，相对比较简单的电池结构，且与现有
产业化生产比较好的兼容性，成为近些年行业研究的热点，不同国家不同机构的研究人员开展了大量富有成效的工作。
表2汇总了N-PERT/PERL电池的实验室研究水平和产业化现状，
其中中国英利公司与ECN合作开发的PANDA双面电池已经实现大规模量产，并充分利用了原有电池线的生产设备；韩国LG公司利用离子注入工艺和丝网印刷实现量产的电池效率
达到21.5~22%，是比较高的量产效率。
需要特别指出的是德国Fraunhofer利用Topcon
技术制备的n-PERT电池转化效率达25.1%，是非常值得产业界期待的技术路线。
足业机构
转换效率<%>
工艺
Fraunho怕「JSE
（小面积〉
23.9
1?
面扯6钝化•背面SiOz/SiN钝匕PVD电
联LBSF
25.1
TOPCon结构#背面「2nm厚化学氧化恳/20nm雌杂晶憐匕B-Pd-Agift,面积5=
INES法国
旳占相扩散、SiO2/SiN钝化、01剧电规犬面积6
PVGSolutions日本
平均构」最高
20.2
受光面他5钝化」印刷电极
Bosch
平均20.4
20.7
瑯扩故发^霸子注入BSF,印刷电概
ISCKanstanz德国
最咼
全部扈子注入
1MEC比种寸
平均最高
21.5
背结型”Cu电极
三菱电机
21.7
实验阶段』EP刷电极
Ylngli/ECN
20,B
取面登光型
TetrasunM国
21,4
铜电扱
Suniva国
20.2
鳶子注人
LG
21.5-22
离子注入印刷电极（童产）
HanwaQ-Cells
最高2口
背面结、正面印刷小視*矚應懿
20.7
背面E晦电极''"■"
表2N-PERT/PERL电池研究和产业化现状汇总
3.4IBC电池
叉指状背接触电池IBC（InterdigitatedBackContact）最早是由Schwartz和
Lammertz在1975年提出来的，它将pn结、基底与发射区的接触电极以叉指形状全部做在电池背面，完全消除了前表面栅线的遮光，同时无须考虑前表面减反射结构对电极接触的
影响，为前表面陷光结构和实现更低反射率提供了更大的优化空间和潜力。
全背面电极由于
不用考虑对电池光学方面的影响，设计时可以更加专注于电池电性能的提高。
成叉指状间隔排列的p区和n
IBC电池的核心问题使如何在电池背面制备出质量较好、区。
传统的技术路线是液态硼扩散和光刻技术，但需要高温工艺，且均匀性较差；为避免多步光刻及扩散工艺所带来的复杂操作，可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩膜层，掩膜层上的硼经扩散后进入N型衬底形成p+区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成n+区。
另外，使用离子注入技术[21]可获得均匀性好、结深精确可控的p区和n区，具有很好的发展前景，但成本较高，尚未产业化。
美国SUNPOWER公司IBC电池已实现量产，电池结构如图13所示，实验室最高转换效率达25%（Voc=706mV，Jsc=42.1mA/cm2，FF=82.8%），量产平均效率达23%。
其电池前表面通过金字塔结构及减反膜来提高电池的陷光效应。
电池的背表面由硼扩散p+区域和磷扩散n+区域呈指状交叉分布，正反表面均覆盖SiO2钝化膜，降到了表面复合并增加了长波响应，从而提高了开路电压。
在前表面的钝化层下进行浅磷扩散以形成n+前表面场，提高短波响应。
P型和N型金属电极通过丝网印刷方式实现，透过SiO2介质膜上的
孔槽与Si衬底实现点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，进一步降低了电极表面的复合，提高了开路电压。
但是，IBC电池制程工艺复杂，多次使用掩膜、光刻等半导体技术，成本几乎为常规电池的两倍，因此如何简化工艺，开发低成本的IBC技术并推向产业化应
用是业界关注的重点和难点。
From吸
Antreflecitrveco制ng
SiO2pa^iv^tior
n+FSF
n^pebase->
n+diffusion^SiO2passivationmtialfinger（nb^
side
texture
contactholeinSiO2
ptdiffusion
图13美国SUNPOWER公司IBC电池结构示意图
表3汇总了IBC电池部分机构&公司研究现状，电池效率普遍在22%以上，美国
Sunpower公司IBC电池已实现量产，实验室最高效率达25%。
天合公司的大面积IBC电
池，简化了工艺流程，最高转换效率达22.9%，通过工艺优化预计可达到23.8%。
另外，
天合与澳大利亚国立大学（ANU）共同研发的小面积电池效率达24.37%。
显示了IBC电
公咼&机构
面积cm2
Voc
Jsc
FF
转换
SunPower
121
7Q6
42J
«2.e
250
TrinaSoEar
239
683
41.6
806
229
IMEC比利时
658
41.5
798
227
ISE-Konstanw
230
649
41,9
785
213
Samsung
154
676
40.9
81.1
--呼ri
22.4
也■骨厂
z374
LG电子
4
池在结构方面的优势及强大发展潜力。
表3IBC电池研究现状汇总
3.5HIT电池
HIT电池正面首先沉积很薄的本征非晶硅层作为表面钝化层，然后沉积硼掺杂的p+型非晶硅层，两者共同构成正面空穴传输层。
沉积后硅片靠近表面由于能带弯曲，阻挡了电子向正面的移动。
相反对空穴而言，由于本征层很薄，空穴可以隧穿后通过高掺杂的p+型非晶硅。
在背面同样沉积本征非晶硅薄膜和掺磷的n+非晶硅层，同样由于能带弯曲，阻挡了空穴向背面的移动，而电子可以隧穿，两者共同构成了电子传输层。
通过在电池正反两面沉积选择性传输层，使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出，从而实现两者的分离。
1992年三洋公司的MakotoTanaka和MikioTaguchi第一次成功制备了HIT
（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）电池。
HIT电池结构简单，其中间衬底为N
型晶体硅，通过PECVD方法在P型a-Si和c-Si之间插入一层10nm厚的i-a-Si本征非晶硅，在形成pn结的同时本征a-Si：
H具有很好的钝化晶体硅表面缺陷的作用，极大地降低了晶体硅的表面复合，复合速率可降至3cm/s，确保了电池很高的开路电压。
电池背面为20nm厚的本征a-Si：
H和N型a-Si：
H层，在钝化表面的同时可以形成背表面场。
由于非晶硅的导电性较差，因此在电池两侧利用磁控溅射技术溅射TCO膜进行横向导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极，使得HIT电池有着对称双面电池结构，一定程度上减少了电池的热应力和机械应力，并允许薄硅片的使用，同时电池背面可以利用地面的反射光发电，提高了发电量。
整个制备过程都是在低于200C下进行的，可避免高温工艺对硅片的损
伤。
并且，N型HIT电池没有光致衰减效应，且温度稳定好，温度系数仅为-0.25%/°C，即
使在户外高温度条件下工作，仍能表现出很好的输出特性。
日本Panasonic公司于2009年收购三洋公司后，继续HIT电池的开发，其电池结构
如图14所示，实验室最高转换效率达24.7%（Voc=750mV，Jsc=39.5mA/cm2
FF=83.2%），量产平均效率达22.5%。
ICO（TransparentConductiveOxide）
图14日本Panasonic公司的HIT电池结构示意图
表4汇总了HIT电池部分机构&公司研究现状，电池效率普遍在22%以上，显示了
HIT电池在结构方面的优势及发展潜力。
需要特别指出的是，美国Silevo利用隧穿氧化钝
化层制备大面积
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