1.晶体硅电池效率损失机制
太阳能电池转换效率受到光吸收利用、载流子输运、载流子收集的限制。对于晶体硅电池而言，其转换效率的理论最高值是28%。影响晶体硅电池转换效率的原因主要来自两个方面，如图1所示：
(1)光学损失，包括电池前表面反射损失、正面电极的遮光损失以及长波段的非吸收透射损失。
(2)电学损失，包括硅片表面及体内的光生载流子复合、硅片体电阻、扩散层横向电阻和金属电极电阻，以及金属和硅片的接触电阻等的损失。这其中最关键的是降低光生载流子的复合，它直接影响太阳能电池的开路电压。当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响将比较显著。
图1.晶体硅电池效率损失模型
2.提高晶体硅电池转换效率的途径
和晶体硅电池转换效率损失机制相对应地，为了提高转换效率，主要从减小入射光的反射、减小正面金属电极遮光、降低电阻损耗、减小载流子复合几个方面着手。
(1)减小入射光反射率：又可分成表面绒面织构化和减反射膜两个方面。表面绒面织构化最典型的应用就是碱制绒制备单晶硅电池的金字塔绒面结构。采用选择性腐蚀NaOH溶液，利用腐蚀液对各个晶面腐蚀速率的不同，形成非均匀腐蚀，在硅表面形成类似金字塔形状的绒面，如图2A。制得绒面的反射率可达到10%左右。依靠表面金字塔形的绒面结构，对光进行多次反射，不仅减少了反射损失，而且改变了光在硅中的前进方向，延长了光程，增加了光生载流子的产量;曲折的绒面又增加了结面积，从而增加对光生载流子的收集率。对于多晶硅电池而言，由于硅片晶粒晶向的不均匀，无法使用碱制绒。为有效降低绒面反射率，目前已经有反应离子刻蚀(RIE)或者湿法纳米黑硅技术应用到规模化生产中。RIE通常使用SF6/O2混合工艺气体，在蚀刻过程中，F自由基对硅进行化学蚀刻形成可挥发的SiF，O自由基形成SixOyFz对侧墙进行钝化处理，形成绒面结构，如图2B。其绒面反射率可达到4%以下。
减反射膜利用光的干涉相消原理，减小入射光的反射。从最开始的单层膜，已经发展到现在的双层减反射膜和渐进式减反射膜。根据所用镀膜设备的不同，管式PECVD通常采用双层SiNx1/SiNx2减反射膜，板式PECVD则采用渐进式减反射膜。由于SiNx薄膜可调的折射率范围比较小，相比于单层减反射膜，不管是双层SiNx1/SiNx2减反射膜，还是渐进式减反射膜，对反射率的降低并不是十分显著。
(2)减小正面电极遮光损失：新型正面电极结构例如MWT(MetalWrapThrough)电池，它通过激光穿孔和灌孔印刷技术将正面发射极的接触电极穿过硅片基体引导到硅片背面，通过16个电极孔收集光生电流，如图3所示，直接减少了主栅的遮光面积。在MWT电池组件的封装技术中，导电胶的采用将背面正负极同时与基板连接，这样增加堆积密度，不仅方便安全，而且也减少FF损失和提高Jsc(分别大约2.5%和1.6%)。
图3.MWT电池及其横截面示意图
把正面电极遮光减小到极致的是IBC电池，如图4所示。该技术在电池背面分别进行磷、硼局部扩散，形成有指状交叉排列的P+区和N+区，以及相对应的P区金属电极和N区金属电极。所有的金属电极都排列在电池背面，因此正面(受光面)完全没有遮光损失。此外，P+和N+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2，大大降低了串联电阻。
图4.IBC电池及其结构示意图
(3)减小电阻损耗：减小正面电极的电阻损耗往往需要和减小正面电极的遮光面积之间进行平衡。其中在工业化生产中应用最成熟的是细栅密栅电池技术。在不降低正面电极总的印刷浆料增重的前提下，将细栅线宽度降低，细栅线数目增加。细栅线数目增加意味着相邻栅线之间的间距减小，从而横向电阻降低，同时不增加遮光面积。多主栅技术也是减小电阻损耗的主要方式。细栅线从一端到最近主栅的距离降低，可以减小总的细栅线电阻。采用多主栅的同时，主栅的宽度适当降低，从而不增加总的遮光面积。另外一个能够减小电阻损耗的技术是二次印刷技术。该技术通过套印两次细栅线，一方面降低细栅线的宽度、另一方面还能增加细栅线的高度，在降低细栅线电阻损耗提高填充因子的同时，还能提高电池的短路电流。
(4)减小载流子复合：最简便的减小载流子复合的方式是使用低杂质含量、低缺陷密度的高品质硅片。最近几年由于硅片铸锭工艺的进步以及高品质多晶硅料的使用，硅片的体少子寿命有很大改进。普通多晶硅电池的转换效率也有显著的提高，目前业内平均转换效率在18.4%左右。
晶体硅电池的扩散层属于掺杂较重的区域，相比于电池的基底区域，少数载流子复合较为严重。降低扩散层的掺杂浓度能够有效降低少数载流子复合，提高电池的开路电压和短路电流。高阻密栅(高扩散方阻、多细栅线数目)技术是目前业内普遍应用的技术手段。高阻密栅技术通过提高电池扩散层的方块电阻，降低扩散层的表面掺杂浓度以及总的掺杂浓度，最终提高开路电压和短路电流。不过由于横向电阻增加以及表面浓度降低，该技术需要牺牲一部分填充因子。选择性发射极技术能够同时兼顾高扩散层方块电阻以及填充因子，该技术在电极区域形成的是重掺杂的N型层，极大降低了与金属电极的接触电阻，有益于改善填充因子，同时在受光区形成的是轻掺杂的N型层，能有效降低N型层的载流子复合，改善短波段的光谱响应，提高开路电压和短路电流。2010左右，该技术在业内曾非常热门，当时与均匀发射极电池相比，转换效率能够提高0.2个百分点左右。近几年由于浆料的性能不断改进，选择性发射极的优势越来越小，个别选择性发射极技术如硅墨技术、激光选择性发射极逐渐被淘汰出局。
对晶体硅电池而言，提高转换效率的重要途径是改善前表面以及背表面的钝化效果。由于P型晶体硅电池的扩散层是N型导电层，使用目前的SiNx减反射薄膜内带有固定正电荷，能够起到良好的场钝化效果，使用SiOx/SiNx薄膜能够进一步提高界面的介质钝化效果。
在晶体硅电池背面，目前的铝背面场可以提供一定的场钝化效果，但Al作为受主杂质在硅材料内部的固溶度较低，铝背场提供的场钝化效果比较弱。能够显著改善背面钝化效果的是AlOx/SiNx钝化薄膜，一方面AlOx薄膜内部的固定负电荷密度较高，能够提供较强的场钝化能力;另一方面，在高温烧结过程中，AlOx与P型硅基片界面能够形成一层1~2nm厚的SiOx层，起到介质钝化的作用。对于P型基底，AlOx/SiNx叠层薄膜能够将少数载流子的表面复合速率降低到10cm/s。许多高效电池结构，如PERC、PERC、PERT、LFC等都是以背面AlOx/SiNx叠层钝化薄膜为基础。与常规晶体硅电池相比，PERC电池用AlOx/SiNx叠层薄膜替代铝背场，背面镀完AlOx/SiNx后进行局部的激光剥离出硅基片和背面铝层的接触窗口，背面的光生电流通过该窗口被背面铝层收集。目前PERC电池技术已经成为热门的高效量产技术，其转换效率提升在0.5~0.8个百分点之间。
3.20.5%以上效率多晶电池量产技术路线
晶科能源专注于具有可量产性的高效电池开发，目前已经实现了20%以上的高效多晶电池的批量生产，有望在年内实现20.5%以上量产效率。其高效多晶硅电池结构如图7所示。以金刚线切割的多晶硅片为基础，正面是低反射率的亚微米级绒面，结合SiOx/SiNx薄膜保证正面的钝化效果。背面采用AlOx/SiNx叠层钝化，形成PERC电池结构，大大改善背表面的钝化效果。低反射率的亚微米级绒面使得高效多晶电池具有明显的短路电流增益。SiOx/SiNx薄膜又能够使得正面的表面积增加的情况下，钝化效果不降低。背面PERC结构一方面提高了背面长波段的光谱响应，同时背面的背反射改善了长波段太阳光的利用次数。在正面电极上，采用多主栅细栅密栅设计。这种高效电池结构保证了优越的短路电流、开路电压和填充因子，最终获得了高转换效率。
图7.晶科能源量产高效多晶电池结构示意图
金刚线切割的多晶硅片硅材料损失较少，单位时间内的切片数增加，在成本上比常规砂浆线切割的多晶硅片有优势。而且其机械损伤较少，相应的缺陷密度较小。但是用常规的酸制绒手段不能实现有效的绒面制备。金刚线切割的多晶硅片经过常规酸制绒后的表面平均反射率接近30%，只能选择另外的新型的制绒手段。
针对金刚线切割多晶硅片，晶科能源实现的高效电池生产技术工艺流程如图8所示。在先进制绒阶段，金刚线多晶硅片经过常规酸制绒工艺进行初步制绒，去除表面附近的损伤层。继续经过黑硅技术手段进行再制绒，形成亚微米级的绒面。后续经过绒面微处理完成整个先进制绒过程。为增强前表面的钝化效果，一低温氧化的薄层SiOx薄膜被引入到正面扩散层表面。除了提供钝化效果，该氧化层还具有一定的抗PID效果。低温氧化工艺使得增加该工艺步骤所需的成本较低。在PERC结构化阶段，高效电池先经过背面AlOx/SiN叠层薄膜沉积，再进行正面SiNx减反射薄膜沉积。后续经过激光开膜形成背面铝层的接触窗口，然后印刷PERC铝浆，通过调整匹配PERC铝浆的烧结工艺，达到形成良好背面局部接触的效果。背面PERC结构将降低背面复合速率，改善长波吸收效率，从而提升整体电性能。
特别值得一提的是，当电池正面和背面分别集成黑硅技术和PERC技术的情况下，电池效率的实际提升达到了1+1>2的效果。这与以往电池片正面或背面多项技术集成时出现的提升效果无法叠加是不同的。
图8.晶科能源量产高效多晶电池的工艺流程
4.20%以上效率多晶电池电性能表现
图9所示的双面钝化的少子寿命测试表明，金刚线多晶硅片具有较高的体少子寿命，达到350us左右，优于常规砂浆线多晶硅片。这样就从基础上保证了高效多晶电池的转换效率。
图9.双面钝化少子寿命对比测试
经过先进制绒技术手段得到的绒面尺寸在亚微米范围。从SEM图片(图10A)观察，制绒后的绒面在虫卵形凹坑内部还有许许多多微小的丘陵结构，入射光在虫卵凹坑内的微型丘陵结构表面处形成多次反射，从而极大降低制绒后的反射率。和常规酸制绒相比，其平均反射率能够降低到10%以下。
背面PERC结构中的AlOx/SiNx叠层薄膜，一方面是钝化膜，另一方面和背面铝层组成了一面反射器。AlOx/SiNx叠层薄膜中的负电性固定电荷起到了场钝化的作用，AlOx和硅基底背面形成SiOx薄层还起到介质钝化效果，两者叠加很好改善了背面的钝化效果。从内量子效率测试看，如图11所示，在中长波段，高效电池相比常规电池的内量子效率有显著提升。背面AlOx薄膜的折射率约为1.6，SiN薄膜的折射率在2.1左右，AlOx/SiNx叠层薄膜与硅基底以及背面铝层较大的折射率差异使得透射到背面的中长波段入射光被反射回电池内部，增加了对中长波段太阳光的利用率。
图11.高效多晶硅电池的内量子效率
良好的金刚线切割多晶硅片品质、极低的正面反射率、优越的背表面钝化性能和背反射特性、优化的正面电极多主栅设计，使得晶科能源的高效多晶硅电池批量生产效率超过20%，也有机会进一步提升到20.5%以上。短路电流密度从常规多晶电池的36.7mA/cm2提升到39.3mA/cm2，开路电压从638mV提高到659mV，创造了业内多晶硅电池量产效率记录。图12为高效多晶硅电池批量生产效率分布。
图12.高效多晶硅电池批量生产效率
