黑硅太陽能電池性能研究

黑硅太陽能電池性能研究

硅能電池的應用是解決環(huán)境和能源問題的能源方法之一。然而，晶體硅表面對光明和紅外表面的反射非常高。由于禁帶寬度的特點和高表面回射率，傳統的硅材料和光明設備的應用有很大的限制。黑硅是一種新型的硅材料,具有優(yōu)異的光電性質。20世紀90年代末,美國哈佛大學物理實驗室研究人員用超短波、高強度激光脈沖掃描普通的硅片,經過500次脈沖掃描后,用肉眼觀看硅晶片呈黑色,研究人員將這種物質命名為“黑硅”。從最新的發(fā)現來看,黑硅對光極其敏感,與傳統硅晶片制作的感測器相比,黑硅晶片對光的敏感度可提升100到500倍。目前法國的T.Sarnet,愛爾蘭的Anoife.M.Moloney,國內復旦大學的趙利,以及中國科學院的門海寧等都已經開展了黑硅的研究工作,并取得了初步的研究成果。據紐約時報報道,美國Si-Onyx公司目前就黑硅的光伏特性進行實驗,要將黑硅用于太陽能電池中?？梢娫诮窈笙喈旈L時期內,黑硅將成為硅基器件領域的研究熱點。黑硅太陽能電池相比單晶硅太陽能電池,在提高光電轉換效率方面具有明顯的優(yōu)勢。1黑硅材料1.1黑硅的吸收特性黑硅對近紫外—近紅外波段的光(0.25～2.5um)幾乎全部吸收,具有良好的可見和近紅外發(fā)光特性以及良好的場致發(fā)射特性等。此材料最引人注目的兩個特點是對太陽光具有極低的反射率和廣譜吸收能力,這正是其作為太陽能電池材料所具有的獨特優(yōu)點。黑硅在不同氣體下制作所表現的吸收特性是不一樣的。實驗發(fā)現,在SF6、Se、Te等六族元素氣氛下制作的黑硅的吸收特性最好,在可見光波段和近紅外波段都有90%以上的吸收率。在其他氣氛下制作的黑硅對可見光的吸收高達90%,但是在近紅外波段的吸收率較低且隨波長的增加急劇減少。黑硅對可見光的高吸收的機理與經刻蝕或反應離子束濺射等對晶體硅表面微構造后,晶體硅對可見光的吸收也能極大增強的機理是一樣的。但是黑硅對紅外光的高吸收不能僅僅通過對光的多次吸收達到。C.Wu等發(fā)現黑硅中高含量S形成的雜質,對黑硅有著提高紅外光吸收率的作用;JamesE.Carey等發(fā)現黑硅的微構造表面具有與硅襯底不同的能帶結構。這些都證明了只有在增加吸收次數的同時在硅禁帶中引入吸收能級,才能增加硅對紅外光的吸收。因此,黑硅的光吸收性質卻不完全歸結為其獨特的表面形貌,它的近紅外吸收特性主要歸因于超快脈沖激光輻照制備過程中滲入表面的雜質。1.2太陽能電池的制備黑硅材料主要有4種制備方法:反應離子束刻蝕法、飛秒激光脈沖法、電化學刻蝕法、金屬輔助刻蝕法。不同的制作工藝使黑硅的表面形貌結構大不相同,這將直接導致其在太陽能電池應用中電池的轉換效率。韓國YooJ報道用反應離子刻蝕(RIE)技術在無掩膜下制備了黑硅太陽能電池,電池最高轉換效率在16.7%;美國NREL的YuanHC等報道了用一步納米顆粒催化刻蝕制備的黑硅作太陽能電池,得到的電池效率為16.8%。西奧尼克斯公司制作黑硅的方法則是把普通硅放在充滿六氟化硫氣體的封閉空間內,然后用飛秒激光器的強力脈沖去轟擊硅。這一過程可以把硅的表面變粗糙,在上面腐蝕出無數微小的錐體。糙面厚約300納米,里面塞入了硫原子。這薄薄的一層表面就能完成捕捉光線的工作。2黑硅能源電池黑硅的強吸收特性與極低的反射率使其成為制備高效太陽能電池的理想材料。2.1太陽能電池的制備方案目前硅太陽能電池的制備方案已是相當的成熟,然而黒硅太陽能電池卻截然相反,起步晚、技術新、工藝難度大這是業(yè)界所公認的有待解決的問題?；诖丝偨Y成熟的硅太陽能電池的制造流程工藝具有很大的意義,進而為優(yōu)化黑硅太陽能制備方案作為參考。硅太陽能電池的制造流程工藝,就單晶硅太陽能制備的全過程來說,可以劃分為3個主要階段:硅片準備階段、電池制備階段和組件封裝階段。其中,硅片準備與電池制作階段主要包括硅料提純、拉晶或鑄錠、修角、切片、清洗制絨、擴散制結、二次清洗、制備減反射膜、印刷電極;組件封裝階段主要包括電池串焊接、電池串敷設、組件層壓、組件測試分檔和安裝邊框及接線盒等過程。黑硅太陽能電池制備方案:黑硅材料在近紫外和中紅外都具極低的反射率和透射率,其吸收效率均超過90%。這一特性使得黑硅材料在光伏電池方面有重要的應用。我們實驗小組針對現有的硅太陽能電池制造流程工藝,提出一種基于黑硅光伏材料的太陽能電池的制備方案,具體如下:對電子級單晶晶圓進行特殊處理,在p型晶圓的背面進行n型擴散,使使其背面形成結深為所需的深度的p-n結,利用該背面做了n型擴散的電子級硅晶圓制造太陽能電池,其制造步驟如下:(1)清洗晶圓表面,使其表面沒有有機物與雜質的污染;(2)在硅晶圓正面制成黑硅區(qū)域,其制備參數為在SF6氣壓6.92×104Pa,飛秒脈沖激光功率1100mW,飛秒脈沖激光數為2100個脈沖,飛秒激光脈沖寬度為40fs,波長為800nm;(3)進入太陽能電池電極印刷環(huán)節(jié),電極材料為銀,正面和背面均印刷有電極;(4)放入擴散爐進行燒結退火工藝,爐溫超過900℃,從而電池正面和背面都形成歐姆接觸。2.2黑硅能電池的能耗轉換效率2.2.1光生載流子的光傳輸過程和光轉換機制黑硅微構造材料對太陽光有很高的吸收率,但吸收的光能并非都能轉換成電能。黑硅材料中光生載流子的產生、分離、輸運和收集過程與激光輻照引入的晶格損傷、缺陷和復合中心、摻入的雜質、耗盡區(qū)的位置、內建電場的強弱、能帶結構及電池結構等深層次因素相關,而研究黑硅太陽能電池中的光生載流子傳輸過程和光電轉換機制是關鍵所在。2.2.2黑硅的晶錐結構有利于太陽能電池的輸出硅材料無法吸收低于其帶隙的紅外光,而黑硅材料對全太陽光譜的強減反和強吸收(光吸收率超過90%),特別是對紅外光的吸收,使得黑硅可以將紅外光能量轉換為電能輸出,而紅外光能量占晶體硅吸收的太陽能總量的1/3,如果這部分能量全部轉換為電能輸出,則電池效率增加22.5%。要實現這一目標,關鍵是要減少缺陷和表面復合,重摻形成深能級子帶,且延伸至表面與電極相連;其次深能級上的電子要有一定的壽命,輸運途徑不能太長,光子吸收與電子收集的方向分開,這一點黑硅完全具備,光子在晶錐內折射方向幾乎與電子表面收集垂直,越到表面摻雜越濃,深能級子帶越好。因此,黑硅將紅外光轉換成電子輸出是完全可行的。黑硅的光電流響應非常大,一個250m直徑的黑硅二極管在850nm波長輻照下的光電響應已達到0.77A/W@0V、60A/W@1V、79A/W@2V,92A/W@3V的高值(是Si-pin器件的100多倍),其短路時的外量子效率高于100%,帶有明顯的增益特征。這一超高的量子效率,有可能是硅中硫系元素的俄歇電子所為。由于非平衡過飽和摻雜在硅中引入了深能級子帶,使得高能光子激發(fā)的電子從激發(fā)態(tài)躍遷回導帶后釋放的能量不再通過晶格碰撞以熱的形式釋放,而是能夠激發(fā)電子從價帶到深能級或從深能級到導帶。在現有晶體硅太陽能電池的基礎上,如果電子數目產生一倍,則電池效率將增加20%。與前面分析一致,只要能消除表面和缺陷復合,內建電場區(qū)與光吸收區(qū)重合,完全可以在短路條件形成大電流輸出,進而可大大提高黑硅太陽能電池的光電轉換效率。晶錐結構增大了黑硅的表面積,擴大了內建電場區(qū)域的厚度,因此,更有利于黑硅對入射光子的吸收。所以黑硅太陽能電池的光電轉換效率將大大提高,其估算值可以達到62.5%,甚至可以逼近93%的熱力學(Carnot)效率。2.2.3黑硅材料特性普通硅太陽能電池單就其光電轉換效率來講單晶硅太陽能電池轉換效率最高,技術也最為成熟,在實驗室里最高的轉換效率為24.7%,規(guī)模生產時的效率為15%。與單晶硅相比,黑硅材料帶隙減小,對光的敏感性提高了數百倍,這使得其對波長為250～2500nm的入射光波有大于90%的吸收。正是基于這些奇特的光電和物理性質將能進一步提高太陽能電池的光電轉換率。根據光吸收效率,激子光量子效率,化學電勢效率以及填充因子計算總的光電轉換率,普通硅太陽能電池光電轉換效率只有15%,而基于具有微納結構的“黑硅”材料的太陽能電池轉換效率可望達50%～60%,對太陽能的利用率大幅提升。3黑硅材料及其應用黑硅優(yōu)異的光電特性注定了其未來具有不可限量的發(fā)展前景,尤其是黑硅的寬波段吸收性質,存在巨大的潛在應用價值。此外,黑硅的強吸收特性也使其成為制備高效太陽能電池的理想材料。然而,