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        晶體硅太陽能電池在未來一段時期內仍將占據主導地位

        作者:新捷仕覆銅板      2019-04-01

            太陽能電池轉換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。對于單晶硅硅太陽能電池,由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子,其轉換效率的理論最高值是28%。實際上由于額外的損失太陽能電池的效率很低。只有通過理解并盡量減少損失才能開發出效率足夠高的太陽能電池。


        太陽能電池轉換效率損失機理

            提高太陽能電池的轉換效率是太陽光電產業最重要的課題之一。一般而言太陽能電池效率每提升1%,成本可下降7%,其對于降低成本的效果相當顯著。


        研究表明,影響晶體硅太陽能電池轉換效率的原因主要來自兩個方面:

            1、光學損失,包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。


            2、電學損失,它包括半導體表面及體內的光生載流子復合、半導體和金屬柵線的接觸電阻,以及金屬和半導體的接觸電阻等的損失。


            這其中最關鍵的是降低光生載流子的復合,它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復合主要是由于高濃度的擴散層在前表面引入大量的復合中心。此外,當少數載流子的擴散長度與硅片的厚度相當或超過硅片厚度時,背表面的復合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。


        提高轉換效率方法


        提高晶硅太陽能電池轉換效率有如下方法:

        1、光陷阱結構

            一般高效單晶硅電池采用化學腐蝕制絨技術,制得絨面的反射率可達到10%以下。目前較為先進的制絨技術是反應等離子蝕刻技術(RIE),該技術的優點是和晶硅的晶向無關,適用于較薄的硅片,通常使用SF6/O2混合氣體,在蝕刻過程中,F自由基對硅進行化學蝕刻形成可揮發的SiF4,O自由基形成SixOyFz對側墻進行鈍化處理,形成絨面結構。目前韓國周星公司應用該技術的設備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。


        2、減反射膜

            它的基本原理是位于介質和電池表面具有一定折射率的膜,可以使入射光產生的各級反射相互間進行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2%左右。


        3、鈍化層

            鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區域的復合。一般高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化,或利用磷、硼、鋁表面擴散進行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜,可以有效地阻止載流子在表面處的復合。原子氫鈍化是因為硅的表面有大量的懸掛鍵,這些懸掛鍵是載流子的有效復合中心,而原子氫可以中和懸掛鍵,所以減弱了復合。


        4、增加背場

            如在P型材料的電池中,背面增加一層P+濃摻雜層,形成P+/P的結構,在P+/P的界面就產生了一個由P區指向P+的內建電場。由于內建電場所分離出的光生載流子的積累,形成一個以P+端為正,P端為負的光生電壓,這個光生電壓與電池結構本身的PN結兩端的光生電壓極性相同,從而提高了開路電壓Voc。同時由于背電場的存在,使光生載流子受到加速,這也可以看作是增加了載流子的有效擴散長度,因而增加了這部分少子的收集幾率,短路電流Jsc也就得到提高。


        5、改善襯底材料

            選用優質硅材料,如N型硅具有載流子壽命長、制結后硼氧反應小、電導率好、飽和電流低等。


        細述幾種高效晶體硅太陽能電池技術

        PERL 電池

            PERL(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發射極、背面定域擴散太陽能電池的簡稱。1990年,新南威爾士大學的J.ZHAO在PERC電池結構和工藝的基礎上,在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴散制備出PERL電池。PERL電池效率達到24.7%,接近理論值。


        PERL電池具有高效率的原因在于:

            1、電池正面采用“倒金字塔”,這種結構受光效果優于絨面結構,具有很低的反射率,從而提高了電池的JSC.


            2、淡磷、濃磷的分區擴散。柵指電極下的濃磷擴散可以減少柵指電極接觸電阻;而受光區域的淡磷擴散能滿足橫向電阻功耗小,且短波響應好的要求;


            3、背面進行定域、小面積的硼擴散P+區。這會減少背電極的接觸電阻,又增加了硼背面場,蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器,從而進一步提高了電池的轉化效率;


            4、雙面鈍化。發射極的表面鈍化降低表面態,同時減少了前表面的少子復合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降,同時光譜響應也得到改善;但是這種電池的制造過程相當繁瑣,其中涉及到好幾道光刻工藝,所以不是一個低成本的生產工藝中。


        HIT 電池

            HIT 電池是異質結( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽能電池的簡稱。電池制作過程大致為:利用PECVD在表面織構化后的n型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H,然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層;利用濺射技術在電池的兩面沉積透明氧化物導電薄膜(TCO),用絲網印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200 ℃的條件下進行,這對保證電池的優異性能和節省能耗具有重要的意義。


        HIT電池具有高效的原理是:

            1、全部制作工藝都是在低溫下完成,有效地保護載流子壽命;


            2、雙面制結,可以充分利用背面光線;


            3、表面的非晶硅層對光線有非常好的吸收特性;


            4、采用的n型硅片其載流子壽命很大,遠大于p型硅,并且由于硅片較薄,有利于載流子擴散穿過襯底被電極收集;


            5、織構化的硅片對太陽光的反射降低;


            6、利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產生的原子氫對其界面進行鈍化,這是該電池取得高效的重要原因。


        IBC 電池

            IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽能電池的簡稱。其特點是正面無柵狀電極,正負極交叉排列在背后。這種把正面金屬柵極去掉的電池結構有很多優點:1、減少正面遮光損失,相當于增加了有效半導體面積;2、組件裝配成本降低;3、外觀好。


            由于光生載流子需要穿透整個電池,被電池背表面的PN節所收集,故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片,一般采用N型FZ單晶硅作為襯底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復合膜與N+層結合作為前表面電場,并制成絨面結構以抗反射。背面利用擴散法做成P+和N+交錯間隔的交叉式接面,并通過氧化硅上開金屬接觸孔,實現電極與發射區或基區的接觸。交叉排布的發射區與基區電極幾乎覆蓋了背表面的大部分,十分有利于電流的引出。

        這種背電極的設計實現了電池正面“零遮擋”,增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復雜,工藝中的難點包括P+擴散、金屬電極下重擴散以及激光燒結等。


        MWT 電池

            MWT 電池是金屬穿孔卷繞(metallization wrap-through, MWT)硅太陽能電池的簡稱。該技術應用P型多晶硅,通過激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過電池轉移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%,再與電池組件相連接,所得的輸出效率能提高9%。


            在MWT器件中,工藝的難點包括:激光打孔和劃槽隔絕的對準及重復性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個通孔


        EWT 電池

            EWT 電池是發射極環繞穿通(emitter-wrap-through,EWT)硅太陽能電池的簡稱。與MWT電池不同的是,在EWT電池中,傳遞功率的柵線也被轉移至背面。與MWT電池類似,EWT電池也是通過在電池上鉆微型孔來連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個通孔,EWT電池每塊硅片大約有2萬個這種通孔,故激光鉆孔成為唯一可滿足商業規模速度的工藝。


            EWT電池由于正面沒有柵線和電極,使模組裝配更為簡便,同時由于避免了遮光損失且實現了雙面收集載流子,使光生電流有大幅度的提高。用于工業化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網印刷和激光技術,并對硅片質量具有一定的要求,這為EWT電池工藝技術提出諸多的要求,比如無損傷激光切割的實現、絲網印刷對電極形狀的限制、孔內金屬的填充深度以及發射極串聯電阻的優化等。利用這種新型幾何結構生產出來的早期電池獲得了超過17%的效率。


        激光刻槽埋柵電池

            由UNSW開發的激光刻槽埋柵極技術,是利用激光技術在硅表面上刻槽,然后埋入金屬,以起到前表面點接觸柵極的作用。發射結擴散后,用激光在前面刻出20μm寬、40μm深的溝槽,將槽清洗后進行濃磷擴散,然后槽內鍍出金屬電極。電極位于電池內部,減少了柵線的遮蔽面積,使電池效率達到19.6%。


            與傳統工藝的前表面鍍敷金屬層相比,這種電池具有的優點是:柵電極遮光率小、電流密度高,埋柵電極深入硅襯底內部可增加對基區光生電子的收集,濃磷擴散降低濃磷區電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗,提高了電池的開路電壓等。

        這種電池既保留了高效電池的特點,又省去了高效電池制作中的一些復雜的工藝,很適合利用低成本、大面積的硅片進行大規模生產。


        OECO 電池

            OECO 電池是傾斜蒸發金屬接觸(Obliquely evaporated contact,OECO)硅太陽能電池的簡稱。與其他高效電池相比,具有結構設計新穎、制作簡單、電極原料無損耗、成本低廉和適合大批量生產等優點。OECO電池結構基于金屬-絕緣體-半導體(MIS)接觸,利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極,無需光刻、電極燒穿、電極下重摻雜和高溫工藝即可形成高質量的接觸,并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極。更為重要的是當這種電池制作面積從4 cm2擴大到100 cm2時,效率也只是從21.1%略微降到20%,仍然屬于高效范圍,所以這種結構的電池更適宜于工藝生產。


            OECO結構示意圖如所示,電池的表面由許多排列整齊的方形溝槽組成,淺發射極n+位于硅片的上表面,在其上有一極薄的氧化隧道層,Al電極傾斜蒸鍍于溝槽的側面,然后利用PECVD蒸鍍氮化硅作為鈍化層和減反射膜


        OECO電池有以下特點:

            (1)電極是蒸鍍在溝槽的側面,有利于提高短路電流;

            (2)優異的MIS結構設計,可以獲得很高的開路電壓和填充因子;

            (3)高質量的蒸鍍電極接觸;

            (4)不受接觸特性限制的可以被最優化的淺發射極;

            (5)高質量的低溫表面鈍化。


            隨著現代工業的發展,全球能源危機和大氣污染問題日益突出,太陽能作為理想的可再生能源受到了更多的重視,全球的研究團隊正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。目前太陽能電池的種類不斷增多,但晶體硅太陽能電池因為優異的特性和較高的轉換效率,在未來一段時期內仍將占據主導地位。

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