2024年3月24日发(作者：戊慧俊)
选择性发射极晶体硅太阳能电池
1、概论
·所谓选择性发射极（SE-selective emitter）晶体硅太阳能电池，即在金属栅线（电极）
与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。这样的结构可降低扩散层复
合，由此可提高光线的短波响应，同时减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、
开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。
·选择性发射极太阳能电池的概念由来已久。早在1984年Schroder就全面综述了硅太
阳能电池的接触电阻理论，分析了不同金属功函数和硅表面掺杂浓度对接触电阻的影
响。
·近几年，这种选择性发射极结构得到极大关注，并运用在高效晶体硅太阳能电池的研
究中，例如新南威尔士大学研发的效率高达24.7%的PERL电池中，就采用了选择性发
射极结构。
·SE电池一直没有大规模产业化的原因，主要是工艺比较复杂，生产成本高。
·近来随着激光、精准印刷等技术的日益成熟，一些具有产业化前景的SE新工艺开始
兴起，例如无锡尚德研发的Pluto电池，平均效率已达18.5% 。
·国外先进的太阳能电池设备商，如Centrotherm、Schmidt、Roth&Rau等也开发出制造
SE电池的turnkey生产线，所承诺的单晶硅电池效率在18%以上。
·在此，介绍SE的结构和优点，并结合这些turnkey生产线工艺，重点分析几种SE一
次扩散法的优缺点并对未来进行展望。
2、选择性发射极太阳能电池的结构和优点
传统结构电池 SE结构电池
传统结构电池盒选择性发射极电池的结构
·在太阳能电池的众多参数中，发射极（dopant profile）是最能影响转换效率的参数之
一。
·适当提高方块电阻可提高开路电压和短路电流，但是在丝网印刷方式下，Ag电极与
低表面掺杂浓度发射极的接触电阻较大，最终会由于填充因子的下降从而引起转换效率
降低。
·为了同事兼顾开路电压、短路电流和填充因子的需要，选择性发射极电池是比较理想
的选择，即在电极接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。
·传统结构的太阳能电池n+扩散层一般在40-50Ω/sqr，而SE结构的太阳电池的浅扩散
方阻一般在80-100Ω/sqr，在电极下的重掺方阻则低于40Ω/sqr。
·这样的结构有以下三个优点：
(1)降低串联电阻，提高填充因子
·太阳电池的串联电阻由栅线体电阻、前栅与硅表面的接触电阻、扩散层薄层电阻、硅
片体电阻、背电极接触电阻和背场体电阻组成。
·其中，在丝网印刷工艺下，前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献
最大。
·根据金属-半导体接触电阻理论，接触电阻与金属势垒（barrier height）和表面掺杂浓
度（Nd）有关，势垒越低，掺杂浓度越高，接触电阻越小。
（2）减少载流子Auger复合，提高表面钝化效果
·当杂质浓度大于10
17
cm
-3
时，Auger复合是半导体中主要的复合机制，而Auger复合
速率与杂质浓度的平方成反比关系，所以SE的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横
向流动时的Auger，提高载流子收集效率；
·另外，低表面掺杂浓度意味着低表面态密度，这样也可提高钝化效果。
(3)改善光线短波光谱响应，提高短路电流和开路电压
·对于AM1.5G而言，约20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内，所以浅扩散可以提
高这些短波段太阳光的量子效率，提高短路电流；
·同时，由于存在一个横向的(n++ - n+)高低结，和传统结构相比，还可提高开路电压。
3、一次扩散SE太阳电池制备方案
·过去制备SE太阳电池常采用二次扩散的方法，重扩散和浅扩散分两次进行，工艺步
骤比较复杂而且给硅片带来的热损伤较大，尤其对于多晶硅影响更严重。
·目前，多晶硅太阳电池占据市场份额越来越大，单步扩散法制备SE也应运而生，通
过掩膜等工艺可在一次热扩散中形成SE结构，具体方案大概有以下六种：
氧化层淹膜扩散—印刷法
·此为Centrotherm的turnkey line制备方案。
·该方案要点是，在清洗制绒后通过热氧生长的方法在硅片表面形成一层较薄的氧化层，
然后根据丝网印刷前电极的图案在氧化层上开槽，再用弱碱清洗激光损伤层。
·这样，在扩散时，没有开槽的区域由于氧化层的阻挡作用形成浅扩，开槽的区域形成
重扩。根据公开提供的数据，n++层宽度控制在250-300μm，栅线宽度80-100μm，效
率可达18% 。
·该方案的优点是增加设备较少，步骤相对简单，要解决的主要问题是：
·一、激光工艺的稳定性要保证，在几百μm宽的区域激光开槽所带来损伤层，需清洗
干净。可用其他开槽方式代替激光，如丝网印刷刻蚀膏，或材料打印机打印刻蚀液（氟
化铵）等；
·二、硅片需经历氧化和扩散两次高温过程，高温损伤比常规片要大，对硅片质量要求
较高，普通多晶硅可能满足不了要求；
·三、氧化层厚度和均匀性需要控制得较好，因为这直接影响到n+层的扩散质量；
·四、需解决丝网印制的精确对位，对位越精确，n++层的宽度就可越窄，效率提高越
多。
激光涂源掺杂—电镀法(尚德 冥王星技术)
·此为Roth&Rau的turnkey制备方案，该方案的要点是：
·分别处理前后电极，浅扩散（100-120Ω/sqr）和镀膜后先丝网印刷铝背场并烧结，然
后在前表面旋涂磷源（磷酸+酒精）
·再用激光（532nm,绿光）按照栅线图案进行开槽并掺杂，形成方阻约20Ω/sqr的局域
重掺区
·最后利用光诱导电镀（LIP-light induced plating）在这些重掺区上电镀Ni/Cu/Ag金
属层作为前电极
·由于采取电镀的方式，栅线宽度可减少至约30μm，与硅片接触宽度约20μm，Pluto
电池的最高效率已超过19%，衰减后的平均效率可达18.5% 。
·该电池的优势在于非常小的有效遮挡面积（小于5%）和线间距（约1mm），在这样
的线间距下，可扩散超过100Ω/sqr的浅结，这样既提高了Voc和lsc，又能保证FF不
会下降得太多
·另外从设备上而言，由于采取电镀制作栅线，无需高精度的丝网印刷机进行二次对位。
·需要解决的问题是：
(1) 激光掺杂工艺的控制，激光在Pluto中起到了关键作用，既要在SiNx上开槽又要形
成重掺，并保证一定的表面掺杂浓度（较小的接触电阻），激光的波长、脉冲频率和
功率都需仔细权衡，并且稳定控制才能达到生产需求；
(2) 金字塔绒面需控制得比较小而均匀；
（3）如采用电镀Ni作为种子层，还要经过一道低温烧结工序，这一烧结工艺也需控制
得很好。因为根据Ni/Si合金相图，期间形成的欧姆接触的温度区间较小，稍有差池就
会造成烧穿p-n结漏电（温度过高）或接触电阻过大(温度偏低)；
(4)电镀Ag与焊接带之间的粘合力较小，做成组件后容易出现脱焊现象，目前还没有很
好的解决方案，通过改进电镀电解液来改善电镀Ag表面形貌可能是其中一条途径。
印刷掺杂—电镀法
·此方案是针对Pluto电池在激光和Ni/Si合金烧结工艺难于控制的不足，使用其他方法
代替电镀Ni做LIP的种子层。代替的方案有：
（1）fineline priting印刷小于80μm的细栅。但要提高电池效率，印刷浆料必须（a）
在低表面浓度下也能保证低接触电阻，或者(b)本身含磷掺杂源并在烧结时能扩散入Si
形成重掺；
（2）inkjet printing印刷约30-50μm的细栅。同样，要形成SE结构，ink中也需含n++
掺杂质；
（3）其他印刷细栅的方法，如laser trasfer plating (LTP)等。与激光相比，这些印刷工艺
都较难做到1mm的栅线距离，所以浅扩层方阻不能高于100Ω/sqr，效率在18%-18.5%
之间。
·同样，由于最后需采取LIP对栅线进行增厚，也需解决电镀Ag与焊接带之间粘合力
较小的问题。
·另外，inkjet printing和LIP等这些新的印刷设备成本都较高，风险较大，对于产业也
是一个必须考虑的问题。
激光PSG掺杂—印刷法
·此方案为Manz正在研发的一条SE路线，其要点是：
（1）使用扩散时生成的PSG代替磷酸作为laser doping的磷酸；
(2) 采取丝网印刷制作电极，避免电镀工艺。由于印刷工艺对线间距的限制，浅扩层方
阻不能高于100Ω/sqr，所以效率也在18%-18.5%之间。
·该方案的优点是工艺步骤少，除激光外无需增加其他设备，但和方案二一样，需解决
的主要问题是：
（1）激光掺杂的工艺控制，为了同时达到减小接触电阻和避免漏电的目的，激光掺杂
重掺区域对掺杂均匀性要求较高；
（2）丝网印刷二次对位精度要求较高。
返刻法
·此为Schmidt的turnkey line制备方案。该方案要点是：
（1）使用inkjet printing方法在重扩硅片（约40Ω/sqr）上打印与前栅线图案一样的有
机材料掩膜(约300nm宽) 作为腐蚀阻挡层，在HF/HNO3腐蚀液中对掩膜外的重扩区域
进行腐蚀形成浅结（约90Ω/sqr）；
（2）掩膜制备和丝网印刷栅线之间具有二次定位系统，使栅线印刷在掩膜区域。采用
此工艺路线，电池效率可达到18.2%以上，如果使用丝网印刷小于80μm的栅线做种子
层，再用LIP来增厚，效率可进一步提高到18.5%以上。
·此方案的优点是流水线作业，产量大，易于产业化；避免采用激光工艺，保证碎片率
比较低。需要考虑的问题是：
(1) 返刻腐蚀步骤比较难控制，要求方块电阻均匀性较好，有可能腐蚀过度造成横向扩
散电阻增大，增大串联电阻；
(2) Inkjet printing做掩膜成本较高，可考虑其他方法代替，如丝网印刷掩膜，材料打印
机打印液态石蜡等。
(3) 后期丝网印刷的二次对位精度要求较高。
印刷磷源单步扩散法
烧结 SP前背电极、背场 镀SiNx膜
·此工艺路线的要点是：丝网印刷磷源，通过高温加热进行扩散，在与栅线接触位置形
成重掺，在其他位置形成轻掺。在扩散均匀性控制较好的前提下，效率也可达18.5%以
上。
·该方案的优点是工艺简单，不需要增加额外的设备；但一个难点是如何调整扩散工艺，
使得在重掺源附着在硅片上扩散时，保证其周边区域的扩散均匀性，目前似乎还找不到
一个很好的解决方案；
·另外，丝网印刷磷源，需保证不能引入金属离子，给扩散带来污染；最后，丝网印刷
二次对位精度也要求较高。
结论
·尽管SE太阳电池在今天还没有大规模量产，但从这些新工艺、设备的发展速度看，
一次扩散制备SE电池已经是一个不可逆转的趋势，在未来的2.3年内可能成为光伏市
场的主流产品；
·在这些制备方案中，寻找合适于大规模生产的掩膜制备工艺和掌握精准丝网印刷方法
将起到重要作用。
2024年3月24日发(作者：戊慧俊)
选择性发射极晶体硅太阳能电池
1、概论
·所谓选择性发射极（SE-selective emitter）晶体硅太阳能电池，即在金属栅线（电极）
与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。这样的结构可降低扩散层复
合，由此可提高光线的短波响应，同时减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、
开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。
·选择性发射极太阳能电池的概念由来已久。早在1984年Schroder就全面综述了硅太
阳能电池的接触电阻理论，分析了不同金属功函数和硅表面掺杂浓度对接触电阻的影
响。
·近几年，这种选择性发射极结构得到极大关注，并运用在高效晶体硅太阳能电池的研
究中，例如新南威尔士大学研发的效率高达24.7%的PERL电池中，就采用了选择性发
射极结构。
·SE电池一直没有大规模产业化的原因，主要是工艺比较复杂，生产成本高。
·近来随着激光、精准印刷等技术的日益成熟，一些具有产业化前景的SE新工艺开始
兴起，例如无锡尚德研发的Pluto电池，平均效率已达18.5% 。
·国外先进的太阳能电池设备商，如Centrotherm、Schmidt、Roth&Rau等也开发出制造
SE电池的turnkey生产线，所承诺的单晶硅电池效率在18%以上。
·在此，介绍SE的结构和优点，并结合这些turnkey生产线工艺，重点分析几种SE一
次扩散法的优缺点并对未来进行展望。
2、选择性发射极太阳能电池的结构和优点
传统结构电池 SE结构电池
传统结构电池盒选择性发射极电池的结构
·在太阳能电池的众多参数中，发射极（dopant profile）是最能影响转换效率的参数之
一。
·适当提高方块电阻可提高开路电压和短路电流，但是在丝网印刷方式下，Ag电极与
低表面掺杂浓度发射极的接触电阻较大，最终会由于填充因子的下降从而引起转换效率
降低。
·为了同事兼顾开路电压、短路电流和填充因子的需要，选择性发射极电池是比较理想
的选择，即在电极接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。
·传统结构的太阳能电池n+扩散层一般在40-50Ω/sqr，而SE结构的太阳电池的浅扩散
方阻一般在80-100Ω/sqr，在电极下的重掺方阻则低于40Ω/sqr。
·这样的结构有以下三个优点：
(1)降低串联电阻，提高填充因子
·太阳电池的串联电阻由栅线体电阻、前栅与硅表面的接触电阻、扩散层薄层电阻、硅
片体电阻、背电极接触电阻和背场体电阻组成。
·其中，在丝网印刷工艺下，前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献
最大。
·根据金属-半导体接触电阻理论，接触电阻与金属势垒（barrier height）和表面掺杂浓
度（Nd）有关，势垒越低，掺杂浓度越高，接触电阻越小。
（2）减少载流子Auger复合，提高表面钝化效果
·当杂质浓度大于10
17
cm
-3
时，Auger复合是半导体中主要的复合机制，而Auger复合
速率与杂质浓度的平方成反比关系，所以SE的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横
向流动时的Auger，提高载流子收集效率；
·另外，低表面掺杂浓度意味着低表面态密度，这样也可提高钝化效果。
(3)改善光线短波光谱响应，提高短路电流和开路电压
·对于AM1.5G而言，约20%能量的入射光的吸收发生在扩散层内，所以浅扩散可以提
高这些短波段太阳光的量子效率，提高短路电流；
·同时，由于存在一个横向的(n++ - n+)高低结，和传统结构相比，还可提高开路电压。
3、一次扩散SE太阳电池制备方案
·过去制备SE太阳电池常采用二次扩散的方法，重扩散和浅扩散分两次进行，工艺步
骤比较复杂而且给硅片带来的热损伤较大，尤其对于多晶硅影响更严重。
·目前，多晶硅太阳电池占据市场份额越来越大，单步扩散法制备SE也应运而生，通
过掩膜等工艺可在一次热扩散中形成SE结构，具体方案大概有以下六种：
氧化层淹膜扩散—印刷法
·此为Centrotherm的turnkey line制备方案。
·该方案要点是，在清洗制绒后通过热氧生长的方法在硅片表面形成一层较薄的氧化层，
然后根据丝网印刷前电极的图案在氧化层上开槽，再用弱碱清洗激光损伤层。
·这样，在扩散时，没有开槽的区域由于氧化层的阻挡作用形成浅扩，开槽的区域形成
重扩。根据公开提供的数据，n++层宽度控制在250-300μm，栅线宽度80-100μm，效
率可达18% 。
·该方案的优点是增加设备较少，步骤相对简单，要解决的主要问题是：
·一、激光工艺的稳定性要保证，在几百μm宽的区域激光开槽所带来损伤层，需清洗
干净。可用其他开槽方式代替激光，如丝网印刷刻蚀膏，或材料打印机打印刻蚀液（氟
化铵）等；
·二、硅片需经历氧化和扩散两次高温过程，高温损伤比常规片要大，对硅片质量要求
较高，普通多晶硅可能满足不了要求；
·三、氧化层厚度和均匀性需要控制得较好，因为这直接影响到n+层的扩散质量；
·四、需解决丝网印制的精确对位，对位越精确，n++层的宽度就可越窄，效率提高越
多。
激光涂源掺杂—电镀法(尚德 冥王星技术)
·此为Roth&Rau的turnkey制备方案，该方案的要点是：
·分别处理前后电极，浅扩散（100-120Ω/sqr）和镀膜后先丝网印刷铝背场并烧结，然
后在前表面旋涂磷源（磷酸+酒精）
·再用激光（532nm,绿光）按照栅线图案进行开槽并掺杂，形成方阻约20Ω/sqr的局域
重掺区
·最后利用光诱导电镀（LIP-light induced plating）在这些重掺区上电镀Ni/Cu/Ag金
属层作为前电极
·由于采取电镀的方式，栅线宽度可减少至约30μm，与硅片接触宽度约20μm，Pluto
电池的最高效率已超过19%，衰减后的平均效率可达18.5% 。
·该电池的优势在于非常小的有效遮挡面积（小于5%）和线间距（约1mm），在这样
的线间距下，可扩散超过100Ω/sqr的浅结，这样既提高了Voc和lsc，又能保证FF不
会下降得太多
·另外从设备上而言，由于采取电镀制作栅线，无需高精度的丝网印刷机进行二次对位。
·需要解决的问题是：
(1) 激光掺杂工艺的控制，激光在Pluto中起到了关键作用，既要在SiNx上开槽又要形
成重掺，并保证一定的表面掺杂浓度（较小的接触电阻），激光的波长、脉冲频率和
功率都需仔细权衡，并且稳定控制才能达到生产需求；
(2) 金字塔绒面需控制得比较小而均匀；
（3）如采用电镀Ni作为种子层，还要经过一道低温烧结工序，这一烧结工艺也需控制
得很好。因为根据Ni/Si合金相图，期间形成的欧姆接触的温度区间较小，稍有差池就
会造成烧穿p-n结漏电（温度过高）或接触电阻过大(温度偏低)；
(4)电镀Ag与焊接带之间的粘合力较小，做成组件后容易出现脱焊现象，目前还没有很
好的解决方案，通过改进电镀电解液来改善电镀Ag表面形貌可能是其中一条途径。
印刷掺杂—电镀法
·此方案是针对Pluto电池在激光和Ni/Si合金烧结工艺难于控制的不足，使用其他方法
代替电镀Ni做LIP的种子层。代替的方案有：
（1）fineline priting印刷小于80μm的细栅。但要提高电池效率，印刷浆料必须（a）
在低表面浓度下也能保证低接触电阻，或者(b)本身含磷掺杂源并在烧结时能扩散入Si
形成重掺；
（2）inkjet printing印刷约30-50μm的细栅。同样，要形成SE结构，ink中也需含n++
掺杂质；
（3）其他印刷细栅的方法，如laser trasfer plating (LTP)等。与激光相比，这些印刷工艺
都较难做到1mm的栅线距离，所以浅扩层方阻不能高于100Ω/sqr，效率在18%-18.5%
之间。
·同样，由于最后需采取LIP对栅线进行增厚，也需解决电镀Ag与焊接带之间粘合力
较小的问题。
·另外，inkjet printing和LIP等这些新的印刷设备成本都较高，风险较大，对于产业也
是一个必须考虑的问题。
激光PSG掺杂—印刷法
·此方案为Manz正在研发的一条SE路线，其要点是：
（1）使用扩散时生成的PSG代替磷酸作为laser doping的磷酸；
(2) 采取丝网印刷制作电极，避免电镀工艺。由于印刷工艺对线间距的限制，浅扩层方
阻不能高于100Ω/sqr，所以效率也在18%-18.5%之间。
·该方案的优点是工艺步骤少，除激光外无需增加其他设备，但和方案二一样，需解决
的主要问题是：
（1）激光掺杂的工艺控制，为了同时达到减小接触电阻和避免漏电的目的，激光掺杂
重掺区域对掺杂均匀性要求较高；
（2）丝网印刷二次对位精度要求较高。
返刻法
·此为Schmidt的turnkey line制备方案。该方案要点是：
（1）使用inkjet printing方法在重扩硅片（约40Ω/sqr）上打印与前栅线图案一样的有
机材料掩膜(约300nm宽) 作为腐蚀阻挡层，在HF/HNO3腐蚀液中对掩膜外的重扩区域
进行腐蚀形成浅结（约90Ω/sqr）；
（2）掩膜制备和丝网印刷栅线之间具有二次定位系统，使栅线印刷在掩膜区域。采用
此工艺路线，电池效率可达到18.2%以上，如果使用丝网印刷小于80μm的栅线做种子
层，再用LIP来增厚，效率可进一步提高到18.5%以上。
·此方案的优点是流水线作业，产量大，易于产业化；避免采用激光工艺，保证碎片率
比较低。需要考虑的问题是：
(1) 返刻腐蚀步骤比较难控制，要求方块电阻均匀性较好，有可能腐蚀过度造成横向扩
散电阻增大，增大串联电阻；
(2) Inkjet printing做掩膜成本较高，可考虑其他方法代替，如丝网印刷掩膜，材料打印
机打印液态石蜡等。
(3) 后期丝网印刷的二次对位精度要求较高。
印刷磷源单步扩散法
烧结 SP前背电极、背场 镀SiNx膜
·此工艺路线的要点是：丝网印刷磷源，通过高温加热进行扩散，在与栅线接触位置形
成重掺，在其他位置形成轻掺。在扩散均匀性控制较好的前提下，效率也可达18.5%以
上。
·该方案的优点是工艺简单，不需要增加额外的设备；但一个难点是如何调整扩散工艺，
使得在重掺源附着在硅片上扩散时，保证其周边区域的扩散均匀性，目前似乎还找不到
一个很好的解决方案；
·另外，丝网印刷磷源，需保证不能引入金属离子，给扩散带来污染；最后，丝网印刷
二次对位精度也要求较高。
结论
·尽管SE太阳电池在今天还没有大规模量产，但从这些新工艺、设备的发展速度看，
一次扩散制备SE电池已经是一个不可逆转的趋势，在未来的2.3年内可能成为光伏市
场的主流产品；
·在这些制备方案中，寻找合适于大规模生产的掩膜制备工艺和掌握精准丝网印刷方法
将起到重要作用。