光伏產(chǎn)業(yè)之高效太陽(yáng)能電池技術(shù)深解（三）

　　1.硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理

　　太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽(yáng)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(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。只有盡量減少損失才能開(kāi)發(fā)出效率足夠高的太陽(yáng)能電池。

　　影響晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面，如圖1所示：

　　(1)光學(xué)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(zhǎng)波段的非吸收損失。

　　(2)電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度與硅片的厚度相當(dāng)或超過(guò)硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽(yáng)能電池特性的影響也很明顯。

　　圖1： 普通太陽(yáng)能電池多種損失機(jī)制

　　2.提高晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的方法

　　(1) 光陷阱結(jié)構(gòu)。一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)(RIE)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無(wú)關(guān)，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過(guò)程中，F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4，O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國(guó)周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)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(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級(jí)反射相互間進(jìn)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(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽(yáng)電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)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(fù)合。原子氫鈍化是因?yàn)楣璧谋砻嬗写罅康膽覓戽I，這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復(fù)合。

　　(4) 增加背場(chǎng)：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(jié)構(gòu)，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場(chǎng)。由于內(nèi)建電場(chǎng)所分離出的光生載流子的積累，形成一個(gè)以P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這個(gè)光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開(kāi)路電壓Voc。同時(shí)由于背電場(chǎng)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(kuò)散長(zhǎng)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(yōu)質(zhì)硅材料，如N型硅具有載流子壽命長(zhǎng)、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。

　　3.高效晶體硅太陽(yáng)能電池-PERL電池

　　PESC、PERC、PERL電池是新南威爾士大學(xué)研究了近20年的先進(jìn)電池系列，前兩個(gè)子母PE(Passivated Emitter)代表前表面的鈍化(選擇性擴(kuò)散)，后兩個(gè)子母代表后表面的擴(kuò)散和接觸情況。其中PERL衍生了南京中電的SE電池與尚德的PLUTO電池。

　　PESC(鈍化發(fā)射極背接觸)電池1985年問(wèn)世，可以做到大于83%的填充因子和20.8%(AM1.5)的效率。

　　PERC(鈍化發(fā)射極背場(chǎng)點(diǎn)接觸)電池，用背面點(diǎn)接觸來(lái)代替 PESC電池的整個(gè)背面鋁合金接觸，這種電池達(dá)到了大約700mV的開(kāi)路電壓和22.3%的效率。

　　PERL(鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。1990年，新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池，如圖所示。2001年，PERL電池效率達(dá)到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。

　　圖2：新南威爾士大學(xué)PERL電池 h=24.7%

　　HIT 電池是異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer ， HIT) 太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)和制造方法，電池制作過(guò)程大致如下：利用PECVD在表面織構(gòu)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層，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(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜(TCO)，用絲網(wǎng)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(guò)程都是在低于200 ℃的條件下進(jìn)行，這對(duì)保證電池的優(yōu)異性能和節(jié)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(hù)載流子壽命;

　　(2)雙面制結(jié)，可以充分利用背面光線;

　　(3)表面的非晶硅層對(duì)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(yuǎn)大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴(kuò)散穿過(guò)襯底被電極收集;

　　(5)織構(gòu)化的硅片對(duì)太陽(yáng)光的反射降低;

　　(6)利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過(guò)程中產(chǎn)生的原子氫對(duì)其界面進(jìn)行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。

　　2009年5月，這種電池的量產(chǎn)效率達(dá)到了19.5%，單元轉(zhuǎn)化效率達(dá)到23%。

　　HIT電池的工藝流程是：

　　硅片-》清洗-》制絨-》正面沉積-》背面沉積-》TCO濺射沉積-》絲網(wǎng)印刷Ag電極-》測(cè)試

　　這種電池具有結(jié)特性優(yōu)秀、溫度系數(shù)低、生產(chǎn)成本低廉和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在光伏市場(chǎng)上受到青睞，商業(yè)化生產(chǎn)速度發(fā)展很快，僅僅兩三年時(shí)間，產(chǎn)品已占整個(gè)光伏市場(chǎng)的5%

　　圖 3：三洋公司 HIT電池 h=23%

　　5.高效晶體硅太陽(yáng)能電池-IBC電池

　　IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。由Sunpower公司開(kāi)發(fā)的高效電池，其特點(diǎn)是正面無(wú)柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背后。利用點(diǎn)接觸(Point-contact cell，PCC)及絲網(wǎng)印刷技術(shù)。

　　這種把正面金屬柵極去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)減少正面遮光損失，相當(dāng)于增加了有效半導(dǎo)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(gè)電池，被電池背表面的PN節(jié)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(fù)合膜與N+層結(jié)合作為前表面電場(chǎng)，并制成絨面結(jié)構(gòu)以抗反射。背面利用擴(kuò)散法做成P+和N+交錯(cuò)間隔的交叉式接面，并通過(guò)氧化硅上開(kāi)金屬接觸孔，實(shí)現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的接觸。交叉排布的發(fā)射區(qū)與基區(qū)電極幾乎覆蓋了背表面的大部分，十分有利于電流的引出， 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。

　　圖 4：Sunpower公司 IBC 電池 h=22.3%

　　這種背電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(fù)雜，工藝中的難點(diǎn)包括P+擴(kuò)散、金屬電極下重?cái)U(kuò)散以及激光燒結(jié)等。2009年7月SunPower公司上市了轉(zhuǎn)換效率為19.3%的太陽(yáng)能電池模塊。

　　IBC電池的工藝流程大致如下：

　　清洗-》制絨-》擴(kuò)散N+-》絲印刻蝕光阻-》刻蝕P擴(kuò)散區(qū)-》擴(kuò)散P+-》減反射鍍膜-》熱氧化-》絲印電極-》燒結(jié)-》激光燒結(jié)。