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作者：J.Poortmans、K.Baert、J.Horzel、N.Posthuma、J.John、I.Gordon、R.Mertens，IMEC
光伏與微電子何處可以再相遇
為了在未來十年實(shí)現(xiàn)與主流市場的電網(wǎng)同價(jià)，PV產(chǎn)業(yè)必須系統(tǒng)地降低其制造成本。目前，晶硅太陽能電池主宰著PV市場（市場份額的85%以上），預(yù)期這種情況將至少在未來十年持續(xù)。2011年已經(jīng)宣布晶硅太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)成本達(dá)到1美元/Wp。從組件制造流程中材料成本的巨大影響看，不斷提高電池效率是得到低成本的主要途徑。為了進(jìn)一步降低美元/Wp成本，最終達(dá)到0.5美元/Wp的水平，現(xiàn)有的Si基微（納米）電子方面的知識及設(shè)備基礎(chǔ)仍是實(shí)現(xiàn)高效率晶硅太陽能電池的靈感源泉，盡管二種情況下的成本驅(qū)動因素本質(zhì)上是不同的：微電子是減少成本/功能比，而光伏是成本/Wp比。為了實(shí)現(xiàn)雄心勃勃的上述目標(biāo)，比較仔細(xì)地審視微電子領(lǐng)域可提供的工藝及分析工具箱如何能用來有助于基于晶硅的光伏器件的進(jìn)一步開發(fā)。本文介紹了在IMEC正在跟蹤研究的一些方法，把微電子和微系統(tǒng)范圍廣泛的納米技術(shù)工具箱用于晶硅太陽能電池。
公認(rèn)的晶硅太陽能電池路線圖
現(xiàn)今的主流制造方法是在約180μm厚的晶體Si硅片上加工太陽能電池，在正面有Ag金屬柵，背面完全覆蓋Al-BSF。由于金屬化（漿料、絲網(wǎng)）方面的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)中似乎能達(dá)到18.5-19%的效率。下一步，我們希望像PERC和PERL這種局部接觸電池(locally contacted cell)概念進(jìn)入市場。這些是現(xiàn)在正面接觸電池生產(chǎn)線的合理延伸，有可能使工業(yè)生產(chǎn)的電池效率＞20%，硅片厚度降至120μm。
現(xiàn)在按路線圖前行（如SEMI-PV Group中推出）的實(shí)踐證實(shí)如下看法，2020年電池片厚度將減少到從他們的路線圖文件取得的圖1示出的值。
背接觸（BC）電池在效率（沒有陰影）和工藝集成（二電極均在同一面也有利于薄電池集成到組件中）方面具有很多固有的優(yōu)點(diǎn)。Sunpower公司的結(jié)果證明這種方法有高效率的潛力，效率高達(dá)24.2%。一旦薄硅片加工成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BC電池就可能取代正面電池的市場份額。按SEMI-PV Group路線圖前行的實(shí)踐引出如下結(jié)論：到2020年，BC電池可能達(dá)到40-50%市場份額。我們內(nèi)部的路線圖設(shè)想，PV產(chǎn)業(yè)將逐步進(jìn)入厚度薄至80μm，甚至可能更薄至40μm的背接觸太陽能電池。這樣的薄電池只能通過在i-module概念中提出的組件級加工進(jìn)行處理，其中，電池與組件的加工最終將融合起來。圖2是IMEC的高水平晶硅太陽能電池路線圖。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，現(xiàn)在可看到微電子半導(dǎo)體加工技術(shù)大量涌入PV，這同時(shí)順應(yīng)了人力資本大量涌入PV部門的趨勢。很明顯，晶硅太陽能電池制造過去已經(jīng)從微電子方面現(xiàn)有的關(guān)于材料、工藝技術(shù)、加工設(shè)備、器件物理和的特性描述等方面的知識基礎(chǔ)受益匪淺。對于未來十年期待的發(fā)展，這種情況也許是不會改變的。像注入、選擇性外延、Cu接觸等技術(shù)可能開辟其在晶硅太陽能電池制造中的使用途徑，從而實(shí)現(xiàn)圖3示意圖指出的PERL和IBC電池。
晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)中微電子技術(shù)工具箱的使用
注入
最終的電池性能意味著最佳的摻雜剖面尺寸控制。具有極好面積均勻性和批次-批次重復(fù)性的離子注入，給高電阻率發(fā)射極或用擴(kuò)散難以達(dá)到的摻雜剖面提供了可能的擴(kuò)散方法。基于P-注入的120Ω/square硅片-硅片間重復(fù)性是1.4%（1σ），而硅片內(nèi)的不均勻性低至0.6%（1σ）。B注入避免了與B擴(kuò)散和去除B-氧化物有關(guān)的難點(diǎn)。與硬掩膜結(jié)合也能使工藝步驟數(shù)顯著減少，實(shí)現(xiàn)PERL和IBC電池概念中的局部摻雜區(qū)。對于IBC-電池的發(fā)射極和正面場，劑量能保持在1015cm-2以下，而對于背場，劑量明顯高于1015cm-2，這要求注入損傷退火調(diào)整。有文獻(xiàn)報(bào)道，采用對P-發(fā)射極注入獲得了高達(dá)18.8%的效率。目前，我們在基于絲網(wǎng)印刷的接觸與局部Al-BSF的節(jié)省成本的太陽能電池工藝中采用P-注入。此工藝流程得到了效率為18.8%的125×125mm2電池。圖4的RTA活化步驟在常規(guī)的燒結(jié)爐中進(jìn)行。
注入?yún)^(qū)的TEM分析清楚揭示，退火后沒有與注入有關(guān)的缺陷，然而，Joe測量結(jié)果給出了有些與直覺相反的結(jié)果，較高的劑量對退火行為反而有利。這也許與被注入發(fā)射極在氮化物燒結(jié)后的情況下發(fā)射極中的H濃度較高的有關(guān)。
Al2O3的原子層淀積
在尋求尺寸縮小的晶體管中實(shí)現(xiàn)低柵極漏電流所必需的高-k介質(zhì)過程中，過去對AL2O3做了廣泛的研究。盡管在Si-AL2O3界面處的界面陷阱密度低，但由于其對MOS器件閾值電壓的影響，此材料中存在的高負(fù)電荷對尺寸縮小的晶體管來說是一個(gè)問題。可是，在光伏器件中使用卻非常有意思，此時(shí)，負(fù)電荷在p-型襯底中引起了高積累表面，或在n-型襯底中引起了高反轉(zhuǎn)面。結(jié)果，在n-型及p型襯底上測出的表面復(fù)合速度非常低，B-及P-發(fā)射極上的的發(fā)射極飽和電流密度也低。因此，AL2O3層在效率達(dá)23%的高效晶硅太陽能電池中得到證明是毫不奇怪的。
當(dāng)前的挑戰(zhàn)是在太陽能電池工業(yè)生產(chǎn)流程中引入這些薄層。這里有二個(gè)因素是至關(guān)重要的：具有抗燒結(jié)AL2O3層和避免熱處理起泡。起泡是較厚AL2O3層部分疊合脫離引起的，是在臨界溫度以上熱處理時(shí)AL2O3層中氣體解吸附引起的：AL2O3層成為氣體的阻擋層，形成氣泡。數(shù)量級為10nm的較薄層及避免無法控制的氫釋放的工藝步驟對于避免負(fù)側(cè)效應(yīng)是非常重要的。進(jìn)行這些測定時(shí)，其結(jié)果表明，基于由氧化物/氮化物組成的背面介質(zhì)堆疊的大面積局部Al-BSF電池的行為與AL2O3/氮化物堆疊類似，而且效率稍高于19%。電流水平有小損失，可能是因?yàn)楸趁娣瓷渎时容^低，如IQE-分析指出的。但是，具有AL2O3/氮化物堆疊的電池與注入水平無關(guān)，仍有低水平照明時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。
很明顯，挑戰(zhàn)在于AL2O3淀積系統(tǒng)的尺寸加大。淀積方法或是基于等離子淀積（PECVD），或是基于原子層淀積（ALD）。后者能控制到亞納米，可能有較高的化學(xué)產(chǎn)額，因?yàn)樵谠砩系矸e限于吸附表面。可是，在批次系統(tǒng)中，ALD的淀積速度極低。因此人們希望設(shè)備廠商注意新的解決方法（空間ALD對時(shí)間ALD）以應(yīng)付PV 所要求的擁有成本。這使淀積速度比批次型系統(tǒng)高一個(gè)數(shù)量級。此外，在空間ALD設(shè)備中專用的硅片傳送機(jī)構(gòu)與薄晶硅片是兼容的。
用Cu替代Ag
SEMI-PV Group發(fā)布的路線圖中，Ag/Wp的量是減少的，影響總成本中的Ag成本。同時(shí)，為確保晶硅太陽能電池生產(chǎn)的長期可持續(xù)性要求，減少或最后完全避免使用Ag。Ag的使用會排除遠(yuǎn)高于100GWp/year的生產(chǎn)水平。 替代Ag的代用金屬是Al或Cu，后者的優(yōu)點(diǎn)是電阻率比較低。
微電子部門中，先進(jìn)CMOS內(nèi)用Cu替代Al發(fā)生在2000年左右。這種替代之所以能實(shí)現(xiàn)是因?yàn)椴捎昧薃LD與阻擋層技術(shù)，避免了Cu與Si之間的直接接觸，這種直接接觸會導(dǎo)致在中等溫度下Cu快速內(nèi)擴(kuò)散造成結(jié)的破壞。這些阻擋層是基于像Ti或Ta這樣的元素金屬、氮化物（TaN等）或硅化物。其他可能的問題是錯(cuò)異電鍍、可靠性問題和腐蝕。
IMEC將Cu接觸引入太陽能電池的方法是基于在介質(zhì)鈍化層中綜合激光燒蝕開窗口、接著是阻擋層物理氣相淀積（PVD）或無電鍍復(fù)（e-less plating）。此流程中采用如Ti、Ta、TaN和NiSi2的阻擋層，在大面積太陽能電池上得到19-20%的轉(zhuǎn)換效率。事實(shí)是正面的金屬柵還沒有調(diào)整得適應(yīng)發(fā)射極方塊電阻120Ω/square的情況，這肯定為達(dá)到分析模型及仿真所證明的20.5%效率開辟了道路。
清洗
對于下一代晶硅太陽能電池，清洗是一個(gè)被低估的方面。若要獲得＞20%的效率，要求維持高的本體壽命。光伏制造中現(xiàn)在的清洗程序已完全不適應(yīng)了。從金屬污染看，高壽命加工將要求完全不一樣的清洗和處理方法。很明顯，微電子中的寶貴知識庫可以被利用，然而必須認(rèn)識到，對于潛在效率＞21%的晶硅太陽能電池，在被清洗表面的允許污染程度最終將比CMOS加工中典型的清洗表面低。對于后者，1010cm-2這種較低水平的金屬污染是可以接受的，但對于晶硅太陽能電池則可能必須低一個(gè)數(shù)量級。就清洗和干燥的成本-效益，以及關(guān)于在非鏡面拋光或甚至于絨化的Si表面測量如此低水平金屬污染來說，這顯然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
這允許我們通過用Marangoni干燥機(jī)進(jìn)行合適的清洗與干燥，提高用于表面鈍化的ALD生長的Al2O3層的同質(zhì)性。在a-Si:H異質(zhì)結(jié)情況下減少界面污染也是獲得高開路電壓的關(guān)鍵。
結(jié)論
對于晶硅太陽能電池來說，仍有大量空間吸收采用到目前為止仍局限于微電子中的技術(shù)。文中給出了一些例子，表明目前確確實(shí)實(shí)在發(fā)生，如注入、原子層淀積、鍍Cu和阻擋層工藝等技術(shù)，明確的要求是應(yīng)該降低成本，使其與PV成本要求一致。二者之
光伏與微電子何處可以再相遇
為了在未來十年實(shí)現(xiàn)與主流市場的電網(wǎng)同價(jià)，PV產(chǎn)業(yè)必須系統(tǒng)地降低其制造成本。目前，晶硅太陽能電池主宰著PV市場（市場份額的85%以上），預(yù)期這種情況將至少在未來十年持續(xù)。2011年已經(jīng)宣布晶硅太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)成本達(dá)到1美元/Wp。從組件制造流程中材料成本的巨大影響看，不斷提高電池效率是得到低成本的主要途徑。為了進(jìn)一步降低美元/Wp成本，最終達(dá)到0.5美元/Wp的水平，現(xiàn)有的Si基微（納米）電子方面的知識及設(shè)備基礎(chǔ)仍是實(shí)現(xiàn)高效率晶硅太陽能電池的靈感源泉，盡管二種情況下的成本驅(qū)動因素本質(zhì)上是不同的：微電子是減少成本/功能比，而光伏是成本/Wp比。為了實(shí)現(xiàn)雄心勃勃的上述目標(biāo)，比較仔細(xì)地審視微電子領(lǐng)域可提供的工藝及分析工具箱如何能用來有助于基于晶硅的光伏器件的進(jìn)一步開發(fā)。本文介紹了在IMEC正在跟蹤研究的一些方法，把微電子和微系統(tǒng)范圍廣泛的納米技術(shù)工具箱用于晶硅太陽能電池。
公認(rèn)的晶硅太陽能電池路線圖
現(xiàn)今的主流制造方法是在約180μm厚的晶體Si硅片上加工太陽能電池，在正面有Ag金屬柵，背面完全覆蓋Al-BSF。由于金屬化（漿料、絲網(wǎng)）方面的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)中似乎能達(dá)到18.5-19%的效率。下一步，我們希望像PERC和PERL這種局部接觸電池(locally contacted cell)概念進(jìn)入市場。這些是現(xiàn)在正面接觸電池生產(chǎn)線的合理延伸，有可能使工業(yè)生產(chǎn)的電池效率＞20%，硅片厚度降至120μm。
現(xiàn)在按路線圖前行（如SEMI-PV Group中推出）的實(shí)踐證實(shí)如下看法，2020年電池片厚度將減少到從他們的路線圖文件取得的圖1示出的值。
背接觸（BC）電池在效率（沒有陰影）和工藝集成（二電極均在同一面也有利于薄電池集成到組件中）方面具有很多固有的優(yōu)點(diǎn)。Sunpower公司的結(jié)果證明這種方法有高效率的潛力，效率高達(dá)24.2%。一旦薄硅片加工成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BC電池就可能取代正面電池的市場份額。按SEMI-PV Group路線圖前行的實(shí)踐引出如下結(jié)論：到2020年，BC電池可能達(dá)到40-50%市場份額。我們內(nèi)部的路線圖設(shè)想，PV產(chǎn)業(yè)將逐步進(jìn)入厚度薄至80μm，甚至可能更薄至40μm的背接觸太陽能電池。這樣的薄電池只能通過在i-module概念中提出的組件級加工進(jìn)行處理，其中，電池與組件的加工最終將融合起來。圖2是IMEC的高水平晶硅太陽能電池路線圖。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，現(xiàn)在可看到微電子半導(dǎo)體加工技術(shù)大量涌入PV，這同時(shí)順應(yīng)了人力資本大量涌入PV部門的趨勢。很明顯，晶硅太陽能電池制造過去已經(jīng)從微電子方面現(xiàn)有的關(guān)于材料、工藝技術(shù)、加工設(shè)備、器件物理和的特性描述等方面的知識基礎(chǔ)受益匪淺。對于未來十年期待的發(fā)展，這種情況也許是不會改變的。像注入、選擇性外延、Cu接觸等技術(shù)可能開辟其在晶硅太陽能電池制造中的使用途徑，從而實(shí)現(xiàn)圖3示意圖指出的PERL和IBC電池。
晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)中微電子技術(shù)工具箱的使用
注入
最終的電池性能意味著最佳的摻雜剖面尺寸控制。具有極好面積均勻性和批次-批次重復(fù)性的離子注入，給高電阻率發(fā)射極或用擴(kuò)散難以達(dá)到的摻雜剖面提供了可能的擴(kuò)散方法。基于P-注入的120Ω/square硅片-硅片間重復(fù)性是1.4%（1σ），而硅片內(nèi)的不均勻性低至0.6%（1σ）。B注入避免了與B擴(kuò)散和去除B-氧化物有關(guān)的難點(diǎn)。與硬掩膜結(jié)合也能使工藝步驟數(shù)顯著減少，實(shí)現(xiàn)PERL和IBC電池概念中的局部摻雜區(qū)。對于IBC-電池的發(fā)射極和正面場，劑量能保持在1015cm-2以下，而對于背場，劑量明顯高于1015cm-2，這要求注入損傷退火調(diào)整。有文獻(xiàn)報(bào)道，采用對P-發(fā)射極注入獲得了高達(dá)18.8%的效率。目前，我們在基于絲網(wǎng)印刷的接觸與局部Al-BSF的節(jié)省成本的太陽能電池工藝中采用P-注入。此工藝流程得到了效率為18.8%的125×125mm2電池。圖4的RTA活化步驟在常規(guī)的燒結(jié)爐中進(jìn)行。
注入?yún)^(qū)的TEM分析清楚揭示，退火后沒有與注入有關(guān)的缺陷，然而，Joe測量結(jié)果給出了有些與直覺相反的結(jié)果，較高的劑量對退火行為反而有利。這也許與被注入發(fā)射極在氮化物燒結(jié)后的情況下發(fā)射極中的H濃度較高的有關(guān)。
Al2O3的原子層淀積
在尋求尺寸縮小的晶體管中實(shí)現(xiàn)低柵極漏電流所必需的高-k介質(zhì)過程中，過去對AL2O3做了廣泛的研究。盡管在Si-AL2O3界面處的界面陷阱密度低，但由于其對MOS器件閾值電壓的影響，此材料中存在的高負(fù)電荷對尺寸縮小的晶體管來說是一個(gè)問題。可是，在光伏器件中使用卻非常有意思，此時(shí)，負(fù)電荷在p-型襯底中引起了高積累表面，或在n-型襯底中引起了高反轉(zhuǎn)面。結(jié)果，在n-型及p型襯底上測出的表面復(fù)合速度非常低，B-及P-發(fā)射極上的的發(fā)射極飽和電流密度也低。因此，AL2O3層在效率達(dá)23%的高效晶硅太陽能電池中得到證明是毫不奇怪的。
當(dāng)前的挑戰(zhàn)是在太陽能電池工業(yè)生產(chǎn)流程中引入這些薄層。這里有二個(gè)因素是至關(guān)重要的：具有抗燒結(jié)AL2O3層和避免熱處理起泡。起泡是較厚AL2O3層部分疊合脫離引起的，是在臨界溫度以上熱處理時(shí)AL2O3層中氣體解吸附引起的：AL2O3層成為氣體的阻擋層，形成氣泡。數(shù)量級為10nm的較薄層及避免無法控制的氫釋放的工藝步驟對于避免負(fù)側(cè)效應(yīng)是非常重要的。進(jìn)行這些測定時(shí)，其結(jié)果表明，基于由氧化物/氮化物組成的背面介質(zhì)堆疊的大面積局部Al-BSF電池的行為與AL2O3/氮化物堆疊類似，而且效率稍高于19%。電流水平有小損失，可能是因?yàn)楸趁娣瓷渎时容^低，如IQE-分析指出的。但是，具有AL2O3/氮化物堆疊的電池與注入水平無關(guān)，仍有低水平照明時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。
很明顯，挑戰(zhàn)在于AL2O3淀積系統(tǒng)的尺寸加大。淀積方法或是基于等離子淀積（PECVD），或是基于原子層淀積（ALD）。后者能控制到亞納米，可能有較高的化學(xué)產(chǎn)額，因?yàn)樵谠砩系矸e限于吸附表面。可是，在批次系統(tǒng)中，ALD的淀積速度極低。因此人們希望設(shè)備廠商注意新的解決方法（空間ALD對時(shí)間ALD）以應(yīng)付PV 所要求的擁有成本。這使淀積速度比批次型系統(tǒng)高一個(gè)數(shù)量級。此外，在空間ALD設(shè)備中專用的硅片傳送機(jī)構(gòu)與薄晶硅片是兼容的。
用Cu替代Ag
SEMI-PV Group發(fā)布的路線圖中，Ag/Wp的量是減少的，影響總成本中的Ag成本。同時(shí)，為確保晶硅太陽能電池生產(chǎn)的長期可持續(xù)性要求，減少或最后完全避免使用Ag。Ag的使用會排除遠(yuǎn)高于100GWp/year的生產(chǎn)水平。 替代Ag的代用金屬是Al或Cu，后者的優(yōu)點(diǎn)是電阻率比較低。
微電子部門中，先進(jìn)CMOS內(nèi)用Cu替代Al發(fā)生在2000年左右。這種替代之所以能實(shí)現(xiàn)是因?yàn)椴捎昧薃LD與阻擋層技術(shù)，避免了Cu與Si之間的直接接觸，這種直接接觸會導(dǎo)致在中等溫度下Cu快速內(nèi)擴(kuò)散造成結(jié)的破壞。這些阻擋層是基于像Ti或Ta這樣的元素金屬、氮化物（TaN等）或硅化物。其他可能的問題是錯(cuò)異電鍍、可靠性問題和腐蝕。
IMEC將Cu接觸引入太陽能電池的方法是基于在介質(zhì)鈍化層中綜合激光燒蝕開窗口、接著是阻擋層物理氣相淀積（PVD）或無電鍍復(fù)（e-less plating）。此流程中采用如Ti、Ta、TaN和NiSi2的阻擋層，在大面積太陽能電池上得到19-20%的轉(zhuǎn)換效率。事實(shí)是正面的金屬柵還沒有調(diào)整得適應(yīng)發(fā)射極方塊電阻120Ω/square的情況，這肯定為達(dá)到分析模型及仿真所證明的20.5%效率開辟了道路。
清洗
對于下一代晶硅太陽能電池，清洗是一個(gè)被低估的方面。若要獲得＞20%的效率，要求維持高的本體壽命。光伏制造中現(xiàn)在的清洗程序已完全不適應(yīng)了。從金屬污染看，高壽命加工將要求完全不一樣的清洗和處理方法。很明顯，微電子中的寶貴知識庫可以被利用，然而必須認(rèn)識到，對于潛在效率＞21%的晶硅太陽能電池，在被清洗表面的允許污染程度最終將比CMOS加工中典型的清洗表面低。對于后者，1010cm-2這種較低水平的金屬污染是可以接受的，但對于晶硅太陽能電池則可能必須低一個(gè)數(shù)量級。就清洗和干燥的成本-效益，以及關(guān)于在非鏡面拋光或甚至于絨化的Si表面測量如此低水平金屬污染來說，這顯然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
這允許我們通過用Marangoni干燥機(jī)進(jìn)行合適的清洗與干燥，提高用于表面鈍化的ALD生長的Al2O3層的同質(zhì)性。在a-Si:H異質(zhì)結(jié)情況下減少界面污染也是獲得高開路電壓的關(guān)鍵。
結(jié)論
對于晶硅太陽能電池來說，仍有大量空間吸收采用到目前為止仍局限于微電子中的技術(shù)。文中給出了一些例子，表明目前確確實(shí)實(shí)在發(fā)生，如注入、原子層淀積、鍍Cu和阻擋層工藝等技術(shù)，明確的要求是應(yīng)該降低成本，使其與PV成本要求一致。二者之
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