HIT電池技術(shù)的研究.doc

摘要：闡述了異質(zhì)結(jié)(HIT)太陽能電池的結(jié)構(gòu)與特征，并從異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、非晶硅層的制備方法、背面場(BSF)的研究、襯底材料的選取以及發(fā)射極材料的革新等方面綜述了HIT太陽能電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。概述了HIT電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并展望了HIT太陽能電池的未來發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：HIT；太陽能電池；異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)0引言能源危機(jī)和環(huán)境污染問題促進(jìn)了清潔能源的廣泛研究與應(yīng)用開發(fā)。太陽能光伏發(fā)電是種利用光伏效應(yīng)將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)，兇具有資源充足、清潔、安全、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的可再生能源技術(shù)之一，已成為可再生能源技術(shù)中發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域。日前國際光伏市場上的太陽能電池主要有晶體硅(包括單晶硅、多晶硅)、非晶單晶異質(zhì)結(jié)(HIT)、非晶硅薄膜、碲化鎘(CdTe)薄膜及銅銦硒(CIS)薄膜太陽電池等。其中商品化的晶體硅太陽能電池仍占主流，其光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)25，但受到材料純度和制備T藝限制，很難再提高其轉(zhuǎn)化效率或降低成本；而非晶硅太陽能電池雖然能大面積生產(chǎn)，造價(jià)又低廉，但其轉(zhuǎn)換效率仍比較低，并且穩(wěn)定性差。為了降低成本同時(shí)保持高轉(zhuǎn)換效率，近年來HIT電池得到了迅速的發(fā)展。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池是綜合兩者優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮各自長處的最佳設(shè)計(jì)。本文介紹了HIT電池的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，綜述了HIT電池的發(fā)展現(xiàn)狀，并對HIT電池的未來進(jìn)行了展望。1HIT太陽能電池的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1.1HIT太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖1為HIT、太陽能電池的基本構(gòu)造，其特征是以光照射側(cè)的p-i型a-Si：H膜(膜厚5lOnm)和背面?zhèn)鹊膇-n型a_Si：H膜(膜厚510nm)夾住晶體硅片，在兩側(cè)的頂層形成透明的電極和集電極，構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)的HIT太陽能電池。1.2HIT太陽能電池的特點(diǎn)(1)低溫工藝HIT電池結(jié)合了薄膜太陽能電池低溫(900)擴(kuò)散工藝來獲得p-n結(jié)。這種技術(shù)不僅節(jié)約了能源，而且低溫環(huán)境使得a_Si：H基薄膜摻雜、禁帶寬度和厚度等可以較精確控制，工藝上也易于優(yōu)化器件特性；低溫沉積過程中，單品硅片彎曲變形小，因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值(約80m)；同時(shí)低溫過程消除了硅襯底在高溫處理中的性能退化，從而允許采用低品質(zhì)的晶體硅甚至多晶硅來作襯底。(2)高效率HIT電池獨(dú)有的帶本征薄層的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在p_n結(jié)成結(jié)的同時(shí)完成r單晶硅的表面鈍化，大大降低了表面、界面漏電流，提高了電池效率。目前HIT電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到23，市售200W組件的電池效率達(dá)到19.5。(3)高穩(wěn)定性HIT電池的光照穩(wěn)定性好，理滄研究表明非品硅薄膜晶態(tài)硅異質(zhì)結(jié)中的非晶硅薄膜沒有發(fā)現(xiàn)Staebler-Wronski效應(yīng)，從而不會出現(xiàn)類似非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率因光照而衰退的現(xiàn)象；HIT電池的溫度穩(wěn)定性好，與單晶硅電池一0.5的溫度系數(shù)相比，HIT電池的溫度系數(shù)可達(dá)到一0.25，使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。(4)低成本HIT電池的厚度薄，可以節(jié)省硅材料；低溫工藝可以減少能量的消耗，并且允許采用廉價(jià)襯底；高效率使得在相同輸出功率的條件下可以減少電池的面積，從而有效降低了電池的成本。2HIT太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀2.1HIT太陽能電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r1990年，日本Sanyo公司最早開始研究異質(zhì)結(jié)太陽能電池。1992年，Tanaka等就創(chuàng)下p-a-Si：Hi-a-Si：Hn_c-Si結(jié)構(gòu)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率18.1的紀(jì)錄，并將這種帶有本征薄層的結(jié)構(gòu)稱之為HIT結(jié)構(gòu)。此后，中國、美國、德國、法國、意大利、荷蘭等同家也相繼投入到HIT太陽能電池的研究中(表1為各國研究的HIT電池的種類、制備工藝以及電池所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率情況)。為進(jìn)一步提高電池的效率，其研究主要側(cè)重于以下幾個(gè)方面。(1)異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化H1T電池與傳統(tǒng)電池最大的區(qū)別就是非晶硅與晶體硅構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)界面的勢壘高度獲得合適的能帶結(jié)構(gòu)，以提高電池的轉(zhuǎn)換效率。以Sanyo公司HIT電池為例，在(p)a-Si(i)a-Si(n)c-Si的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，非晶硅與單晶硅界面價(jià)帶位錯(cuò)要小，以便收集空穴，同時(shí)導(dǎo)帶的位錯(cuò)要盡可能大，以阻I七電子的通過。異質(zhì)結(jié)勢壘高度的設(shè)計(jì)主要是通過控制非晶硅薄膜的沉積參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。(2)非晶硅層的制備方法HIT電池的非晶硅層通常用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)進(jìn)行制備。近年來，中科院研究生院張群芳等以及美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NERL)THWang等口朝采用熱絲增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(HWCVD)技術(shù)制備了P型襯底的HIT電池。與PECVD相比，HWCVD產(chǎn)生的等離子能量較低，能有效避免離子的轟擊，同時(shí)可產(chǎn)生用于預(yù)處理硅片表面的低能原子氫，制備過程中的粉塵較少，不易使a-Si：H薄層短路。此外，美國紐約州立大學(xué)的BJagannathan等還用直流磁控濺射技術(shù)制備了P型HIT電池，在0.3cm2的面積上得到了550mV的開路電壓和30mAcm2的短路電流。(3)背面場(BSF)的研究背面場能改善背面復(fù)合速率和背表面反射，從而提高開路電壓、增大短路電流。制備背面場的傳統(tǒng)方法有銷合金法、硼擴(kuò)散法、磷擴(kuò)散法等，但這些工藝都需要高溫過程，只能先制備背面場再沉積非晶硅簿膜。與HIT電池低溫工藝兼容的制備工藝主要有在單晶硅背面沉積重?fù)诫s非晶硅薄膜形成背面場。Toru Sawada等用PECVD法在n型襯底上制備出HIT結(jié)構(gòu)(in a-Si)的背面場。該背面場利用了異質(zhì)結(jié)的特性，不需要重?fù)诫s就能形成。結(jié)果顯示，HIT結(jié)構(gòu)背面場達(dá)到了比熱氧鈍化更好的表面鈍化效果。YVes-chetti等u80還用光刻、硼離子注入實(shí)現(xiàn)了局部背面場(Local BSF)，與全面積(Full)鋁合金背面場相比，開路電壓大大提高，達(dá)到了676mV，為P型HIT電池開路電壓的最高值。HDGoldbach等用Pc-Si制作了P型HIT電池的背面場。因?yàn)閏-Si比a-Si有更高的摻雜效率，所以能實(shí)現(xiàn)高濃度的摻雜，從而降低激活能，形成性能優(yōu)良的背面場，提高電池轉(zhuǎn)換效率。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在n型襯底HIT電池的背面增加一層重?fù)诫s的n+層可以起到背面場的作用，使電池的效率提高到24.35。(4)襯底材料的選取襯底的類型不同，電池的轉(zhuǎn)換效率也不同。Tucci M等研究發(fā)現(xiàn)，n型襯底的HIT電池由于異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)方而的優(yōu)勢，其轉(zhuǎn)換效率略高于P型襯底的太辟j能電池，但P型襯底太陽能電池對界面的要求較低，因此易于制備。THWang等分別用P型區(qū)熔(FZ)硅和直拉(CZ)硅作襯底制成了HIT電池，結(jié)果發(fā)現(xiàn)襯底為FZ硅太陽電池的效率高于CZ硅。美國國家可雨生能源實(shí)驗(yàn)室的Wang Qi等用HWCVD法在Fz襯底上制備的HIT太陽能電池的效率已達(dá)到19.1。但是FZ硅的價(jià)格高于CZ硅，因此應(yīng)從效率和成本兩方新綜合考慮，選擇合適的襯底。另外，為了減小電池對入射光的反射牢，絨面襯底也被應(yīng)用到HIT電池中，并且取得了租好的減反射效果。(5)發(fā)射極材料的革新為了減少非晶硅層對入射光的吸收，可采用寬帶隙材料如微晶硅(c-Si)、納晶硅(nc-Si)等作為發(fā)射極，提高光的透過率。C Summontc等用RF-PECVD技術(shù)，通過高氫氣稀釋的氣源，在P型襯底上制備了n型c-Si發(fā)射極，結(jié)果顯示，與a-Si發(fā)射極相比，HIT電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率有明顯提高。中科院半導(dǎo)體所許穎等也用RF-PECVD在p型襯底上制備出了n型nc-Si發(fā)射極。除PECVD法以外，中科院研究生院的張群芳等還用HWCVD法制備c-Si發(fā)射極。另外，JDanmon-Lacoste等用PECVD法在形成多態(tài)硅(pm-Si)的條件下制各了HIT電池的本征層，測試結(jié)果顯示pm-Si的載流于有效壽命比a-Si高出1個(gè)數(shù)量級。2.2Hrr太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化狀況HIT電池模塊自1997年投人市場吼來發(fā)展極為迅速。圖2為2004年各類太陽能電池所占市場份額，由圖2可知，短短數(shù)年問HIT電池已占據(jù)世界光伏市場5的市場份額。在研究及其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的過程中，Sanyo做出了重要貢獻(xiàn)。自1991年HIT電池的研究工作取得突破性進(jìn)展，在1cm2面積上制備出轉(zhuǎn)換效率為20.0的HIT電池以來，Sanyo公司在工業(yè)化生產(chǎn)中推出了名為HIT Power21的電池組件，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.39%，它由96片HIT電池組成輸出功率為180W。同時(shí)，,Sanyo公司還推出了能替代屋頂瓦片的高性價(jià)比太陽電池模塊(HIT power roof)。雙面模塊(HIT power double)也隨后面世，特別適合安裝在地面以及圍墻等設(shè)施上 。2003年4月，Sanyo公司推出了輸出功率為200W的HIT電池模塊模塊的電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.5，模塊效率為17，并且溫度特性有大幅提高，年發(fā)電量比傳統(tǒng)太陽電池多出43。2006年，HIT電池的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.8%，270W的HIT電池模塊首先在歐洲上市，工程中太陽能電池模塊的用量可再減少約25%。2009年5月，Sanyo公司又將HIT池的轉(zhuǎn)化效率提高到23的世界紀(jì)錄。同年9月，該公司又以厚度僅為此前12左右的98m的HIT太陽能電池實(shí)現(xiàn)了22.8的電池單元轉(zhuǎn)化效率(開路電壓(Voc)為0.743，短路電流(Isc)為38.8mAcm2填充因子(FF)為79.1電池單元面積為100.3cm2)。雖然厚度減半，但電弛單元轉(zhuǎn)換效率卻只降低了0.2。由于減少了占成本12的硅的使用量從而為HIT電池的低成本化開辟了道路。同時(shí)Sanyo計(jì)劃近期將此技術(shù)應(yīng)用于量產(chǎn)，并在FY2013贏得日本光伏市場的最大份額，從而顯示出HIT電池具有極大的發(fā)展?jié)摿Α５聡谲浖M計(jì)算中取得了較大的進(jìn)步使轉(zhuǎn)化效牢提高到了19.8%；美國研究的HIT電池效率也達(dá)到了19.1。但是由于核心工藝技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝還不是很成熟產(chǎn)業(yè)化電池效率不是很高，他們將在今后的研究中大力改進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。3結(jié)束語HIT電池雖然發(fā)展很迅速，但是仍然存在許多問題。出于生產(chǎn)過程中的每一步工藝要求都很嚴(yán)格，所以在保證高效的情況下，大規(guī)模的量產(chǎn)還需要進(jìn)一步的研