摘要：黑硅技術(shù)能夠顯著降低晶硅電池的反射率，如何能夠選擇合適的工藝使電池效率得到大幅提升是光伏電池制造企業(yè)需要解決的問題。本文選擇電池工藝實(shí)現(xiàn)效率提升0.5%，組件功率提升5W左右。 光在硅中的吸收深度如圖1所示，短波主要在硅電池上表面1μm深度內(nèi)吸收，長波則能穿透更深的距離。其中AM1.5中，280-400nm波長的能量約占到6%。（AM1.5G光譜的總照度為963.75W/m2，而AM1.5D光譜的總照度為768.31W/m2，為了方便國際標(biāo)準(zhǔn)化組織確定為1000W/m2）。）黑硅及背鈍化技術(shù)可以提升晶硅電池的提升量子效率。
造成常規(guī)多晶效率低于單晶效率主要為多晶酸制絨在（280-450nm）的反射率較高，如何才能降低這部分的損失？
將材料表面加工成介于微米-納米級(jí)的微孔一方面多孔硅的能帶帶隙較寬，擴(kuò)大了對(duì)紅外光的吸收[1-4]。另一方面是在常規(guī)硅片表面制絨的基礎(chǔ)上形成納米級(jí)的小絨面，從而加大陷光效果并降低短波反射率[5-7]。
黑硅技術(shù)主流為干法制絨的離子反應(yīng)法（ReactiveIonEtching，RIE）及濕法制絨的金屬催化化學(xué)腐蝕法（MetalCatalyzedChemicalEtching，MCCE）。干法黑硅與濕法黑硅的差別：干法黑硅屬于單面制備，濕法為兩面制備；前者受設(shè)備參數(shù)影響較大，后者受硅片質(zhì)量及工藝條件影響較大。濕法黑硅量產(chǎn)的代表為阿特斯，干法黑硅的代表為晶澳；其他光伏大廠也在積極布局黑硅高效電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。
等離子刻蝕的機(jī)理為：游離基和中性原子團(tuán)與刻蝕材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；對(duì)于硅材料，使用“硅-鹵”鍵代替“硅-硅”鍵，達(dá)到刻蝕的目的。例如在室溫下CF4對(duì)硅及二氧化硅的刻蝕比可達(dá)50；例如在氧化氣氛中加入氯可以減少SiO2中的缺陷,鈍化層對(duì)側(cè)壁則起到刻蝕保護(hù)作用；通過調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同Si/SiO2比例，形成不同高深寬比的腐蝕坑。
反射率與絨面結(jié)構(gòu)：
單晶硅腐蝕完形成倒金字塔結(jié)構(gòu)，其四面體錐面的反射率研究見文獻(xiàn)[9,10]；多晶硅絨面相對(duì)隨機(jī)腐蝕坑可以簡化成錐形[8]，其剖面可以用三角形進(jìn)行研究。
定義底部的夾角為θ，頂部的角度為θ1，反射光與側(cè)面2的夾角為θ2；反射光與側(cè)面1的夾角為θ3；當(dāng)滿足如下條件：θ2＜90°且θ3＜90°條件時(shí)，光線可以滿足多次吸收。此時(shí)θ＜36°，θ1＞72°。也就是入射光發(fā)生多次反射，需要的深度較深。
黑硅初始反射率控制在4-7%，干法黑硅BOE清洗后或濕法黑硅采用堿液擴(kuò)孔后，完成HF和HCl清洗后的反射率一般控制在13-17%。
由于半導(dǎo)體表面是晶格的終止面，將引入大量的缺陷，這些缺陷也就是載流子的產(chǎn)生-復(fù)合中心；并且由于沾污等外界因素的影響，還更增加了產(chǎn)生-復(fù)合中心。通常黑硅太陽能電池表面的復(fù)合速率為104~105cm/s，這是由于其表面積較大且結(jié)構(gòu)尺寸較小，難以進(jìn)行徹底的鈍化[11]。而隨著復(fù)合速率的逐漸增加，其從而增大了光生載流子在其表面的復(fù)合幾率，對(duì)內(nèi)量子效率的影響越來越明顯。最終導(dǎo)致電池性能降低。
PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生的載流子經(jīng)過相對(duì)較長的距離才能被電極收集到。黑硅絨面腐蝕坑的深度及開口大小會(huì)對(duì)載流子橫向輸運(yùn)造成影響?？紤]常規(guī)100柵電池片（156mm規(guī)格），輔柵之間的中心距為0.78mm。在三角形模型下，微納米腐蝕坑的孔徑（粒徑）寬度自200nm-900nm變化，則隨著角度θ1的增大，處于輔刪線中心處的載流子達(dá)到輔刪線的距離會(huì)越來越遠(yuǎn)。電池基體的少子壽命不變，則柵線對(duì)載流子收集能力就會(huì)降低，這就要求腐蝕坑的粒徑不能太寬，同時(shí)角度θ1不能太大。
如果將硅表面微納米結(jié)構(gòu)近似看做分形結(jié)構(gòu)，維數(shù)固定的條件下，隨口徑增大（從0.1微米至1微米）的面積也會(huì)急劇變大。面積D=LnD為特征長度，L為寬度，n為維數(shù)。
干法黑硅量子效率：
金剛線硅片的表面損傷層一般小于5μm，優(yōu)于砂漿切割硅片；測試數(shù)據(jù)顯示金鋼線黑硅的長波吸收相對(duì)較好，砂漿片黑硅的短波吸收相對(duì)較好。可能原因是：黑硅在制備過程中會(huì)引入的大量表面缺陷并在硅表面形成表面態(tài)密度，作為復(fù)合中心導(dǎo)致載流子壽命減小[5-7]，因此需要良好鈍化[12,13]。
金剛線硅片背面的界面態(tài)密度較低類似于背鈍化原理對(duì)于長波的反射較好；砂漿片表面形貌的隨機(jī)性較強(qiáng)，導(dǎo)致的漫反射效果相對(duì)較優(yōu)，短波吸收相對(duì)較好。
方阻的優(yōu)化：
對(duì)于AM1.5而言，約20%能量的入射光（波長小于500nm）的吸收發(fā)生在擴(kuò)散層內(nèi)，淺擴(kuò)散（雜質(zhì)濃度低于1017cm-3）可以有效減少載流子在擴(kuò)散層橫向流動(dòng)時(shí)的俄歇復(fù)合，提高載流子收集效率；
說明：俄歇復(fù)合就是碰撞電離效應(yīng)的逆過程。電子和空穴復(fù)合釋放出多余的能量，這些多余的能量被另一個(gè)電子吸收；隨后，這個(gè)吸收了多余能量的電子弛豫返回原先的能態(tài)并釋放出聲子。
目前主流多晶的擴(kuò)散均使用淺結(jié)高方阻工藝，結(jié)深為0.3μm左右；“紫光電池”結(jié)深為150nm左右。實(shí)際上AM1.5光譜中低于280nm的光波段幾乎沒有，因此擴(kuò)散方阻做到100Ω·cm以及其以上就可以；另外淺結(jié)引起串聯(lián)電阻增加，填充因子下降;方阻越高穩(wěn)定性越不容易控制。因此方阻工藝需要和后續(xù)的印刷燒結(jié)工藝相匹配。
黑硅電池工藝：
行業(yè)采用的二氧化硅及氮化硅膜能夠降低黑硅表面的界面態(tài)密度[6],良好的鈍化效果可以進(jìn)一步提升開路電壓，進(jìn)而提升光伏電池的轉(zhuǎn)化效率。干法黑硅的制備工藝工藝可參考文獻(xiàn)[7,14]；濕法黑硅商業(yè)化則以兩步沉銀方法為主[5,15]。
實(shí)驗(yàn)組件60片功率相對(duì)可以提升4-5W，72片可以提升6W；使用普通BOM材料，封裝損耗約1.7%左右。后續(xù)如果使用高透玻璃、EVA或者匹配5主柵、半片等可以進(jìn)一步提升組件功率。
如果濕法黑硅形成的納米線過深，導(dǎo)致氮化硅膜覆蓋不佳；在后續(xù)抗PID金屬離子Na+的影響就小。另外就是匹配背鈍化技術(shù)時(shí)，背面的拋光處理尤為重要，更好的反射長波段的光。基于以上兩點(diǎn)，日本濕法黑硅采用大絨面黑硅是必然的選擇。
小結(jié)
行業(yè)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為黑硅微納米開孔寬度在300-400nm，深度在150-190nm適合電池效率的提升。合適的電池工藝及組件BOM可以使組件功率提升5-6W。
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