提高薄膜太陽(yáng)能電池的效率方法

降低硅太陽(yáng)能電池成本的方法之一是盡量減少高質(zhì)量硅材料的使用量，如薄膜太陽(yáng)能電池。不過(guò)這種太陽(yáng)能電池的效率只達(dá)到了約11-12%。研究人員們正在尋求提升其效率的方法。最近取得突破的技術(shù)有通過(guò)干法絨面優(yōu)化上表面的結(jié)構(gòu)和在外延層/襯底界面處插入一個(gè)中間多孔硅反射鏡。采用這兩種方式可將太陽(yáng)能電池的效率提升到約14%。

兩種提升效率的技術(shù)

與基于體硅的太陽(yáng)能電池相比，外延薄膜太陽(yáng)能電池比較便宜。但現(xiàn)在外延薄膜太陽(yáng)能電池的主要缺點(diǎn)是它們的效率相對(duì)較低。已有兩種技術(shù)表明能提高薄膜太陽(yáng)能電池的效率。一是利用鹵素原子等離子加工，優(yōu)化上表面結(jié)構(gòu)，另一種技術(shù)是在外延層/襯底界面處引入中間反射鏡。優(yōu)化的上表面結(jié)構(gòu)兼有滿足均勻光散射（朗伯折射，Lambertian refraction）的要求和通過(guò)微量減除硅來(lái)降低反射（因?yàn)橥庋庸鑼右严喈?dāng)?。﹥蓚€(gè)優(yōu)點(diǎn)。引入中間反射鏡（多重布拉格反射鏡）將低能光子的路徑長(zhǎng)度至少延長(zhǎng)了7倍，最終大大提高了太陽(yáng)能電池的效率。

低成本太陽(yáng)能電池

基于單晶或多晶體硅基底的硅太陽(yáng)能電池是光伏市場(chǎng)的主體。但若全部用高純硅制作，生產(chǎn)這種太陽(yáng)能電池非常耗能，并且比較昂貴。為進(jìn)一步 推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)通過(guò)降低材料成本來(lái)大力減少太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。

外延薄膜硅太陽(yáng)能電池具有成為體硅太陽(yáng)能電池的低成本替代方案的潛力。與當(dāng)前的體硅太陽(yáng)能電池（200μm）相比，這種絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池采用的襯底較便宜和有源硅層較薄（20μm）。這種低成本襯底包括高摻雜的晶體硅晶圓（用冶金級(jí)硅或廢料加工的純凈硅）。用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在這種襯底上沉積一層外延有源硅薄層。

產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力

外延薄膜硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)的體硅太陽(yáng)能電池非常相似。因此，與其它薄膜技術(shù)相比，在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)外延薄膜硅太陽(yáng)能生產(chǎn)相對(duì)容易。不過(guò)，外延薄膜硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要不足之處在于，比起傳統(tǒng)的體硅太陽(yáng)能電池，薄膜硅太陽(yáng)能電池的效率較低：這些電池的開路電壓和填充因數(shù)可以達(dá)到與體硅太陽(yáng)能電池相近的水平，但由于存在光學(xué)活性薄層（與體硅厚度200μm相比，薄膜硅的活性層厚度僅20μm），光從外延層傳輸?shù)揭r底時(shí)，襯底質(zhì)量較差引起光損失，短路電流損失，最多可高達(dá)7mA/cm2。

挑戰(zhàn)在于如何在效率和成本之間獲得完美的平衡，還須考慮大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本文介紹兩種可延長(zhǎng)光學(xué)路徑長(zhǎng)度并因此提高外延薄膜硅太陽(yáng)能電池效率的技術(shù)：等離子絨面和在低成本硅襯底與活性層的界面處插入多孔硅反射鏡。結(jié)果表明，這些措施可將外延薄膜硅太陽(yáng)能電池的效率提高至14%左右。

上表面等離子絨面

通過(guò)處理太陽(yáng)能電池活性層的上表面，表面光散射發(fā)生變化，從而影響太陽(yáng)能電池的性能。目的是形成最理想的上表面，100%漫反射（朗伯折射，表現(xiàn)出全散射）。此時(shí)光子平均以60°的角度穿過(guò)活性層，使得傳播路徑長(zhǎng)度增大兩倍。也就是說(shuō)，僅20μm厚的活性層的光學(xué)表現(xiàn)為40μm厚。