晶硅太陽能電池技術(shù)研究

1、25%效率晶體硅基太陽能電池的最新進(jìn)展2016-10-04摩爾光伏摘要：綜述了目前光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%的單結(jié)非聚光晶體硅基太陽能電池研究的最新進(jìn)展，闡述發(fā)射極鈍化-背部局域擴(kuò)散電池結(jié)構(gòu)、叉指背接觸結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)背接觸結(jié)構(gòu)太陽能電池高效率的原因，并結(jié)合我國硅基光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了發(fā)展趨勢預(yù)測和技術(shù)需求分析。1引言在應(yīng)對全球能源資源短缺、氣候變暖和人類生態(tài)環(huán)境惡化的危機(jī)中，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”1-2，開發(fā)和應(yīng)用無污染可再生的太陽能資源。其中尤以光伏發(fā)電的發(fā)展最為迅速，太陽能電池是光伏發(fā)電的核心，可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為人類使用的電能。硅基太陽能電池作為第一代電池，目前依然是世

2、界上產(chǎn)量和安裝量最高的太陽能電池，其規(guī)模占所有光伏電池的90%以上，在未來一段較長的時間內(nèi)依然是主要形式。因此，世界各主要國家一直未停止對硅基太陽能電池的研究、開發(fā)、應(yīng)用和市場推廣，考慮到晶硅太陽能電池作為新能源形式的重要地位，與其相關(guān)的國際貿(mào)易戰(zhàn)爭和技術(shù)革新將進(jìn)一步延續(xù)。光電轉(zhuǎn)換效率是衡量太陽能電池技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)，自1954年Bell實驗室的Chapin等3報道效率達(dá)到6%的Si基pn結(jié)太陽能電池以來，圍繞提升硅太陽能電池效率的努力未曾停止過。在過去60年里，在電池材料、結(jié)構(gòu)、工藝、技術(shù)路線等方面的革新使得單結(jié)硅太陽能電池效率得到了極大提高并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，如擴(kuò)散、鍍膜等經(jīng)典半導(dǎo)體工藝

3、的使用和改進(jìn)是早期電池效率提升的主要原因，而電池結(jié)構(gòu)和工藝流程如制絨工藝、光刻工藝、鈍化發(fā)射級、鈍化發(fā)射級背接觸技術(shù)、鈍化發(fā)射極背面局域擴(kuò)散技術(shù)等的引入在20世紀(jì)八九十年代的電池效率提升中扮演了主要的角色。1999年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射極背面局域擴(kuò)散電池(PERL)效率達(dá)到了25%4-5，目前仍然是單晶硅電池效率的世界記錄之一。此后的15年間，硅基太陽能電池市場迅速發(fā)展壯大，更多的研究圍繞降低硅太陽能電池成本、優(yōu)化相關(guān)材料性能、簡化制造流程和實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的高重復(fù)性開展工作，與之前純粹追求最高效率不同，目前的硅電池研究需要同時兼顧成本和效率，更多的研究主體是企業(yè)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊進(jìn)行

4、攻關(guān)以應(yīng)對未來市場，因此技術(shù)路線的選擇尤其重要。PERL電池雖然取得了效率上的成功，但是受限于成本和工藝復(fù)雜性，該技術(shù)未能成為產(chǎn)業(yè)電池的方案。2014年，現(xiàn)代太陽能電池誕生60周年的日子，硅基光伏取得了重要的突破，兩種新結(jié)構(gòu)的單結(jié)硅太陽能電池達(dá)到了25%效率。美國的sunpower公司產(chǎn)業(yè)線上大尺寸的叉指背接觸結(jié)構(gòu)的太陽能電池(IBC)效率達(dá)到了25%6，日本夏普公司研制的異質(zhì)結(jié)背接觸結(jié)構(gòu)的太陽能電池(HBC)達(dá)到了25.1%7，緊隨其后，松下公司將大尺寸的HBC電池效率做到了25.6%8，實際上這些公司進(jìn)行的效率比賽也預(yù)示產(chǎn)業(yè)化中的高效率電池路線。本文探討這些效率高達(dá)25%的大尺寸非聚光-單

5、結(jié)硅基太陽能電池的新結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)路線，采用成本和效率兩個衡量標(biāo)準(zhǔn)考量技術(shù)方案的應(yīng)用前景.并對國內(nèi)企業(yè)應(yīng)對提升晶體硅電池轉(zhuǎn)化效率給出建議。2硅基太陽能電池基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)目前典型的硅基太陽能電池的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，太陽光從電池正面入射，正面的電極會遮擋一部分光線，其余太陽光線經(jīng)過電池減反射層實現(xiàn)最大程度的吸收，然后到達(dá)硅發(fā)射層與硅襯底形成的耗盡層區(qū)域，在耗盡層區(qū)域，能量超過硅禁帶寬度的光子激發(fā)出的載流子，在內(nèi)建電場的作用下實現(xiàn)分離，電子和空穴在這種分離的作用下分別被正面和背面的電極所吸收，就產(chǎn)生了光電流。硅基太陽能電池于1954年發(fā)明，最初主要應(yīng)用于外太空作為供電的能源，在60年代美國和蘇聯(lián)太空競

6、賽背景下得到長足的發(fā)展，之后幾十年一直處于實驗室研究階段，在90年代之后開始在商業(yè)應(yīng)用上有所發(fā)展。在太陽能電池研究的幾十年內(nèi)，電池光電轉(zhuǎn)換效率的逐步提高和生產(chǎn)成本的逐步降低是硅基太陽能電池得到民用的關(guān)鍵因素。在這其中，表面織構(gòu)化、減反射層的制作，前表面鈍化和鋁背場結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵工藝的突破是其中的關(guān)鍵。表面織構(gòu)化是通過制作表面機(jī)械結(jié)構(gòu)增加電池對于光的吸收率，比較常見的是金字塔結(jié)構(gòu)、倒金字塔結(jié)構(gòu)和納米微結(jié)構(gòu)等，應(yīng)用最廣的織構(gòu)化方法是濕法腐蝕9。效率較高的織構(gòu)化為倒金字塔結(jié)構(gòu)，入射到這個結(jié)構(gòu)上的大多數(shù)光會在入射的第一個點上進(jìn)入金字塔的側(cè)壁，大多數(shù)光耦合進(jìn)入電池，反射的光將朝下反射，至少多出一次機(jī)會進(jìn)入電

7、池，同時，倒金字塔結(jié)構(gòu)對于電池背部反射回的光有抑制其逃逸的作用，因而得到廣泛應(yīng)用。減反射層是為了改善電池對于入射光的吸收率而制作的薄膜結(jié)構(gòu)。基于光的波動理論，1/4波長厚度的減反射涂層對于對應(yīng)波長有最大程度的增透作用10。對于實驗室電池而言，最常用的減反射技術(shù)是生長一層薄的熱氧化膜和通過蒸發(fā)ZnS和MgF2層生成雙層減反射涂層。但是，現(xiàn)在幾乎所有的光伏公司均采用了等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)氫化氮化硅作為減反射結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于其優(yōu)秀的折射率、極好的表面和體鈍化性質(zhì)。前表面鈍化是通過鍍薄膜結(jié)構(gòu)減小電池表面復(fù)合的工藝，未經(jīng)鈍化的電池表面有大量表面態(tài)，光照激發(fā)的電子-空穴對在表面復(fù)合十分嚴(yán)重，

8、對電池性能影響較大，前表面鈍化就是通過淀積表面態(tài)較小的薄膜結(jié)構(gòu)覆蓋原表面的過程，一般減反射層就有表面鈍化的作用。鋁背場結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用在大多數(shù)產(chǎn)業(yè)化電池中，通過絲印鋁漿與硅在577溫度下鋁與硅形成共熔合金，鋁硅燒融物再生長在電池背面形成P+/P結(jié)得到。鋁背場能夠在電極處形成良好的歐姆接觸，而且有一定的吸雜作用。 3 25%高效率硅基新結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀目前硅基太陽能電池的種類很多，不考慮聚光情況，目前轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%的高效率硅基太陽能電池主要有發(fā)射極PERL、叉指背接觸IBC、異質(zhì)結(jié)HBC等結(jié)構(gòu)，下表總結(jié)了目前高效率的硅基太陽能電池，由于HBC電池技術(shù)的基礎(chǔ)是帶有本征非晶硅薄層的異質(zhì)結(jié)太陽能

9、電池(HIT)，下文也將簡要介紹下HIT電池。3.1PERL太陽能電池澳大利亞的新南威爾士大學(xué)研制了PERL結(jié)構(gòu)的硅太陽能電池，1999年在4cm2的P型FZ硅實現(xiàn)了25%的轉(zhuǎn)換效率(1999年是24.7%，2009年太陽能光譜參照修正之后達(dá)到25%的效率)。PERL電池的特點是極好的單晶質(zhì)量，在晶體硅正反雙面均長了SiO2層，良好的鈍化特性使得電池界面復(fù)合損失很低。金屬電極通過10mm10mm的小孔接觸到電池，而且電極接觸的半導(dǎo)體部分重?fù)诫s，這種結(jié)構(gòu)能夠形成良好的歐姆接觸從而減小串聯(lián)電阻，而且可以抑制接觸處載流子復(fù)合，被稱為選擇性點接觸工藝11。另一個主要的特點是背面的Al電極層和SiO2層

10、，這種組合對于入射到Si/SiO2界面角度在24.7下的光線有高界面反射率。電池正面各向異性腐蝕形成的倒金字塔結(jié)構(gòu)能夠有效地減少入射光的反射，而且對于電池背面反射回的光有高的反射率。這樣吸收的光線就能夠很大程度上陷在電池內(nèi)部，提高了電池的量子效率。此外，一層MgF2/ZnS雙層結(jié)構(gòu)覆蓋在氧化層表面，使得表面反射率進(jìn)一步降低。這些舉措使得PERL電池的內(nèi)量子效率顯著提高，藍(lán)光處內(nèi)量子效率甚至達(dá)到了100%。PERL電池一直是高效硅基太陽能電池的代表12-13，但其復(fù)雜的光刻工藝以及對襯底晶格質(zhì)量的高要求使得實現(xiàn)成本較高，因而一直沒有實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。3.2IBC太陽能電池1975年，Schwartz

11、和Lammert第一次提出了IBC結(jié)構(gòu)14-15，IBC電池的顯著特點在于沒有正面電極，正負(fù)電極均位于電池背面，且正負(fù)電極呈現(xiàn)叉指狀。當(dāng)時提出的目的是為了解決由于高照明強(qiáng)度帶來的電壓飽和問題，而伴隨這種結(jié)構(gòu)而來的串聯(lián)電阻的減小、柵線遮光的移除，對于取得高效率的光伏電池很有幫助，使得IBC電池一直被認(rèn)為是取得高效率電池的一種有效途徑。此外，IBC電池的背面叉指化電極結(jié)構(gòu)有望降低電池片間組裝成本，減少鋁條焊接工藝。自從IBC結(jié)構(gòu)被提出以后，一直是高效率太陽能電池的研究熱點。2011年，ECN實驗室利用絲網(wǎng)印刷硼源發(fā)射極及熱擴(kuò)散的方式制出了效率為19.1%的IBC電池16。2012年，歐洲IMEC實

12、驗室分別利用CVD沉積硼源和BBr3氣態(tài)擴(kuò)散兩種方式制備IBC，發(fā)現(xiàn)BBr3氣態(tài)擴(kuò)散下有實驗最高效率，達(dá)到了23.3%16。2013年，德國的ISFH實驗室研究了IBC電池的背部鈍化，比較了SiO2基極電極處鈍化與全背場Al2O3鈍化的效果，發(fā)現(xiàn)SiO2鈍化有較高的開路電壓，但是填充因子偏小，轉(zhuǎn)化效率大于全背場Al2O3鈍化制作的電池，達(dá)到了23.1%17。目前最高效率的IBC太陽能電池由美國的Sunpower公司保持。2014年，Sunpower公司成功刷新了IBC電池的記錄，達(dá)到了25.0%的電池效率。Sunpower公司的IBC電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用了N型硅片作為襯底，前表面是為了減反

13、射采用的制絨、SiO2鈍化及前表面場優(yōu)化的擴(kuò)散層，背表面是叉指狀的N+和P+擴(kuò)散及柵線用于收集電池背部產(chǎn)生的光生載流子。Sunpower一直致力于高效率的太陽能電池，其IBC電池的產(chǎn)業(yè)線效率早就超過了20%18，是目前商用高效硅太陽能電池的代表。其取得高效率的關(guān)鍵在于局部背接觸減少了接觸復(fù)合損失，正面柵線的移除大大減少了電池效率中的光學(xué)損失，背面的金屬化增加了背面反射以及較低的串聯(lián)電阻。2011年，Sunpower等19在N+與P+之間采用制絨二氧化硅層做了隔離，并且在背表面做了更優(yōu)的鈍化，使得IBC電池工藝線效率達(dá)到了23.6%。2014年，Sunpower20繼續(xù)在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)，減小了發(fā)

14、射極的復(fù)合和背部光學(xué)損失，首次做出了電池效率達(dá)到25%的IBC電池，接近了Swanson在2005年提出的實際單結(jié)太陽能電池極限效率26%。Sunpower公司分析了25%效率的IBC電池后發(fā)現(xiàn)，電池效率的主要損失在于發(fā)射極復(fù)合和背部光學(xué)損失，同時，常州天合公司分析的IBC電池效率的主要損失同樣在于光學(xué)損失和復(fù)合損失21。因此，IBC電池下一步提升的空間在于背部減反射和更高效的鈍化。對于硅基太陽能電池，HIT電池一直是高效鈍化的代表。3.3HIT電池HIT太陽能電池起源于Hamakawa等19設(shè)計的a-Si/c-Si堆疊太陽能電池,與單晶、非晶硅太陽能電池相比,其具有低溫工藝,高的穩(wěn)定性等優(yōu)點

15、，HIT太陽能電池的電池效率記錄由日本的松下公司(原本是三洋公司，但是三洋公司被松下公司收購)保持，松下公司2013年在面積101.8cm2，98mm厚的N型Cz硅上制成了24.7%的HIT電池22。松下公司的HIT電池結(jié)構(gòu)如圖所示，一層本征非晶硅和P型非晶硅淀積在隨機(jī)制絨的N型Cz硅上，形成一個PN異質(zhì)結(jié)，本征非晶硅和N型非晶硅淀積在另外一面形成一個背表面場結(jié)構(gòu)，接著兩面同時鍍上非晶硅、透明導(dǎo)電氧化層和電極，就形成了HIT太陽能電池。HIT電池有很多優(yōu)勢：將本征非晶硅層插入P型(或者N型)非晶硅和晶體硅的工藝能夠形成優(yōu)秀的鈍化；200以下的低溫工藝能夠最大程度上保證晶體硅質(zhì)量不衰減；與熱擴(kuò)散

16、電池相比，HIT電池有更好的溫度系數(shù)和開路電壓。3.4HBC電池HBC結(jié)構(gòu)由日本的夏普公司提出，是背接觸IBC電池與硅基異質(zhì)結(jié)HIT電池的良好結(jié)合。由于沒有正面柵線遮光，電池有高的短路電流；由于有高質(zhì)量的氫化非晶硅鈍化，電池有高的開路電壓。HBC結(jié)構(gòu)結(jié)合兩種電池的優(yōu)點，于2014年成功地在N型Cz硅上制作了效率為25.1%的太陽能電池。HBC電池的結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了獲得高的開路電壓，需要盡可能的減少異質(zhì)結(jié)面載流子的復(fù)合。公司采用了與HIT電池氫化非晶硅類似的方法實現(xiàn)了a-Si:H的結(jié)晶控制；為了獲得高的短路電流，電極采用了全背面結(jié)構(gòu)的制作。利用HIT電池的優(yōu)點，所有工藝都在200下制作完成，

17、因此HBC電池摒棄了背面擴(kuò)散摻雜的方式分別采用氫化結(jié)晶i/p及i/n非晶硅及光刻腐蝕的技術(shù)，完成了局部高摻雜。夏普公司并不是HBC效率的保持者，目前HBC電池效率最高記錄已由日本松下公司改寫，他們在143.7cm2的N型Cz硅上，實現(xiàn)了電池效率25.6%，也是目前單結(jié)硅基太陽能電池的最新記錄。松下HBC電池的結(jié)構(gòu)如圖6所示，正面制絨，且有SiN鈍化層，背面是非晶硅，下面是叉指狀分布的n型非晶硅和p型非晶硅及相應(yīng)的電極。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于HIT電池，HBC電池在量子響應(yīng)度上有明顯的增加，使得電池的短路電流由39.5mA/cm2增長到41.8mA/cm2，有5.8%的提升。但開路電壓有1.3%的

18、減少，應(yīng)是背部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加導(dǎo)致鈍化效果降低的原因。3.5 4種結(jié)構(gòu)電池的比較PERL電池很早就達(dá)到了25%的光電轉(zhuǎn)化效率，但是一直停留在實驗室階段。IBC電池和HIT電池不僅在實驗室有高的轉(zhuǎn)化效率，而且應(yīng)用在了產(chǎn)業(yè)線上。HBC電池是剛剛提出的概念，能否應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)線上尚屬未知。表2比較了4種類型電池的優(yōu)缺點，并給出了相應(yīng)的代表研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀。 4結(jié)論與展望硅基太陽能電池經(jīng)過60年的研究和發(fā)展，提出了非常多的方案，以實現(xiàn)高效率。目前從實驗室至產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)角度看來，通過無遮光的背接觸結(jié)構(gòu)提高短路電流，和通過異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提高開路電壓，以及這兩種方案的結(jié)合，都是有望在產(chǎn)業(yè)上實現(xiàn)25%效率的可靠路

19、徑。這幾年國內(nèi)太陽能電池的規(guī)模達(dá)到了世界第一的水平，硅太陽能電池的效率也不斷提高，各大晶硅光伏公司都在朝轉(zhuǎn)換效率超越20%以上的高效電池方向推進(jìn)。在國家863計劃等課題的資助下，一些公司已經(jīng)具有了小規(guī)模生產(chǎn)20%效率電池的能力。常州天合公司在2014年，已經(jīng)在2cm2cm的N型Cz硅上成功研制出效率達(dá)24.4%的HBC太陽電池，如圖7所示，部分結(jié)構(gòu)看起來與Sunpower的IBC電池結(jié)構(gòu)類似，目前未披露技術(shù)細(xì)節(jié)。目前，市面上典型結(jié)構(gòu)的太陽能電池主要依賴如電極漿料等材料的改進(jìn)來實現(xiàn)效率提升，而25%以上高效率的硅電池僅僅依賴材料改進(jìn)是很難達(dá)到的。為此，國內(nèi)的電池公司可以借鑒這些大公司的思路，進(jìn)行

20、創(chuàng)新突破，在已有的基礎(chǔ)上改進(jìn)升級。綜上所述，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化25%效率的硅基電池，至少需要在以下幾方面有所改善：1)硅襯底材料的改進(jìn)，努力提高少子壽命，目前產(chǎn)業(yè)化的晶硅材料主要是P型的，P型硅材料中的光生載流子壽命短。目前實現(xiàn)25%的高效硅電池都是N型材料。所以預(yù)期隨著高效率電池的普及，N型材料有望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，由于硅片成本和N型晶硅電池的規(guī)模直接相關(guān)，這種成本和規(guī)模的相互促進(jìn)會很快使得N型襯底的硅電池得到普及；2)背接觸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，有效減少了電極遮光，提高了電池效率。由于背接觸結(jié)構(gòu)的電池涉及到嚴(yán)格的電極隔離工藝，預(yù)期選區(qū)激光技術(shù)有可能得到新的應(yīng)用，如選區(qū)摻雜工藝和選擇性刻蝕技術(shù)，這些激光技

21、術(shù)要求嚴(yán)格控制光致缺陷態(tài)，對激光本身和工藝要求都很高，由于激光技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用也能降低成本，因此未來背接觸結(jié)構(gòu)的硅基太陽能電池超短脈沖激光技術(shù)可能得到應(yīng)用。此外，激光制絨23、激光打孔24、激光刻蝕邊結(jié)和激光焊接25等工藝在太陽能電池上的應(yīng)用，也預(yù)示激光技術(shù)在未來的太陽能電池工藝上有較大的應(yīng)用；3)硅基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是提升太陽能電池的有效方法，在提高開路電壓方法有著重要意義，HIT電池專利已經(jīng)失效，國內(nèi)一些廠家的HIT效率也在不斷提高。未來硅基異質(zhì)結(jié)可能還會有新的進(jìn)展，關(guān)鍵的突破可能來源于薄膜材料非晶硅材料可以用其他材料代替，但關(guān)鍵是要求成本要低，可能用到更低成本的薄膜工藝如印刷工藝，比如通過硅和鈣

22、鈦礦薄膜材料研制新型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的HBC新型電池等，創(chuàng)新空間非常大。相信國內(nèi)主要廠家將很快掌握背接觸和異質(zhì)結(jié)的工藝，且隨著N型硅材料成本的下降，國內(nèi)硅基太陽能電池行業(yè)也將進(jìn)入25%的高效率電池時代。參考文獻(xiàn)1 Ragsdale R G, Namkoong D. The NASA- Langley building solar project and the supporting Lewis solar technologyprogramJ. Solar Energy, 1976, 18(1): 41-50.2 Watanabe C. Identification of the role

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