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《新材料產(chǎn)業(yè)雜志》2014年第八期

1.HIT高效電池

（1）常規(guī)HIT電池HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）電池是一種帶本征薄層的異質(zhì)結(jié)太陽能電池，于1992年由日本Sanyo公司首次制備成功[2],轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.1%。之后，HIT電池轉(zhuǎn)換效率不斷提升。2014年4月，松下公司消息稱，其最新研發(fā)的住宅用“HIT太陽能電池”的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.6%，為目前世界最高紀(jì)錄。HIT電池是異質(zhì)結(jié)薄膜和晶體硅的重要結(jié)合，是太陽能電池的重要研究方向之一。常規(guī)HIT電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特點(diǎn)是在晶體硅片的正反兩面分別沉積p型非晶硅薄膜和n型非晶硅薄膜,在兩面的頂層形成電極,由此構(gòu)成的HIT太陽能電池具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：①構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的非晶硅薄膜和晶體硅具有不同的禁帶寬度，提高了內(nèi)建電場(chǎng)，增大了開路電壓；②非晶硅薄膜作為光吸收層，增加了對(duì)太陽光譜中短波的吸收，提高了轉(zhuǎn)換效率。因此，異質(zhì)結(jié)質(zhì)量的好壞決定了HIT太陽能電池的性能。因此，為了獲得高質(zhì)量的非晶硅薄膜層，采用pecvd技術(shù)生長非晶硅薄膜，具有如下優(yōu)勢(shì)：①工藝溫度可小于200℃，減小制備過程中的熱損傷；②可降低等離子體損傷，獲得的非晶硅薄膜質(zhì)量較好[3]。（2）非晶硅鍺混合型異質(zhì)結(jié)HIT電池非晶硅鍺混合型異質(zhì)結(jié)HIT電池是通過在HIT電池背面制備氫化非晶硅鍺層（見圖3），來改進(jìn)能帶帶隙曲線，提高電池的開路電壓和填充因子。北京太陽能研究所的李成虎等人發(fā)表了“一種新型鍺硅混晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽電池的設(shè)計(jì)與理論分析”[5]。為減少通常鍺硅混晶太陽電池的異質(zhì)界面復(fù)合及窄能隙引入的體內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)，提出了一種新型結(jié)構(gòu)鍺硅混晶太陽電池模型，如圖4所示，對(duì)反映電池內(nèi)光生少子運(yùn)動(dòng)的參數(shù)及物理過程分析后得出該模型少子連續(xù)方程。計(jì)算結(jié)果表明，該電池模型，在優(yōu)化條件下既能減少高濃度鍺導(dǎo)致的復(fù)合增強(qiáng)，又能拓寬長波光譜響應(yīng)。計(jì)算預(yù)測(cè)的最佳轉(zhuǎn)換效率為17.2%。中科院電工研究所的趙雷和王文靜發(fā)表了一篇發(fā)明專利“一種用于太陽電池的薄膜硅/晶體硅異質(zhì)pn結(jié)結(jié)構(gòu)”，其特征在于，在由摻雜類型相反的薄膜硅層和晶體硅層構(gòu)成的異質(zhì)pn結(jié)的薄膜硅層和晶體硅層之間插入一層本征非晶硅鍺層做異質(zhì)結(jié)界面的鈍化層。所述的本征非晶硅鍺層是單一組分的或組分漸變的。與現(xiàn)有的薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池采用的含有本征非晶硅層做異質(zhì)結(jié)界面鈍化層的薄膜硅/晶體硅異質(zhì)pn結(jié)相比，該發(fā)明可以減小薄膜硅/晶體硅異質(zhì)pn結(jié)界面處的能帶失配，改善載流子輸運(yùn)特性，從而改善太陽電池性能，特別是填充因子。蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院的彭壽等人發(fā)表了一篇發(fā)明專利“一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池及其制備方法”，其中用非晶硅鍺合金代替常規(guī)異質(zhì)結(jié)電池中的非晶硅薄膜作為發(fā)射極，用本征微晶硅鍺薄膜作為電池的界面緩沖層，有效降低了異質(zhì)結(jié)能帶失配導(dǎo)致的價(jià)帶帶階，有效收集光生載流子，從而提高太陽能電池的性能。利用RF-PECVD技術(shù)在雙面拋光的n型單晶硅片的兩面分別沉積制備本征微晶硅鍺薄膜、p型摻雜的非晶硅鍺薄膜、本征非晶硅薄膜及n+型摻雜的非晶硅薄膜，制備了光電轉(zhuǎn)換效率為14.62%的異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池。（3）HIT-IBC電池HIT-IBC電池是將HIT異質(zhì)結(jié)電池高開路電壓和背接觸電池高短路電流結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而大幅提高晶體硅電池的效率。HIT-IBC太陽能電池同時(shí)吸取了背部接觸與硅異質(zhì)結(jié)連接這2種不同的光伏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。收集電荷的金屬帶移到電池背面后，就可以不用再考慮它對(duì)入射光的遮蔽作用，從而采用較寬的低阻抗金屬帶。將2個(gè)能量帶寬不同的半導(dǎo)體組合到同一個(gè)太陽能電池中，在多晶硅或者單晶硅中都可以獲得較高轉(zhuǎn)換效率。FraunhoferISE在電阻率為1Ω的區(qū)熔硅片上獲得了效率為21.3%的背接觸電池[6]，電池結(jié)構(gòu)如圖5所示。之后，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到圖6所示結(jié)構(gòu)電池，效率有一定提升，達(dá)到了21.7%，開路電壓為676mV。2012年，德國的亥姆霍茲柏林中心（HZB）硅光伏研究所和哈默爾恩太陽能研究所（ISFH）合作研究的一種新型的“背部接觸異質(zhì)結(jié)太陽能電池（見圖7）”轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.2%。2012年12月，夏普公司在太陽能電池展會(huì)“PVJapan2012”上展示了采用新構(gòu)造的電池。這種電池結(jié)構(gòu)將sunpower的背接觸和松下的HIT結(jié)合起來，表面沒有電極，同時(shí)在表面和背面形成非晶硅層的單元。這種新構(gòu)造可以通過背接觸方式增加電流量，同時(shí)通過異質(zhì)結(jié)方式實(shí)現(xiàn)高電壓（圖8）。LG電子公司等過去也曾在學(xué)會(huì)上過關(guān)于組合使用背接觸方式和異質(zhì)結(jié)方式的研究。在2011年年底的歐洲太陽能光伏大會(huì)上，他們開發(fā)部門公布該結(jié)構(gòu)電池達(dá)到了22%的效率。中國科學(xué)院微電子研究所賈銳研究員帶領(lǐng)的高效太陽能電池研究團(tuán)隊(duì)于2012年11月研制出國內(nèi)首款異質(zhì)結(jié)背接觸原型太陽能電池（2cm×2cm）。新型電池開路電壓達(dá)到了658mV。

2.背面鈍化

背面鈍化工藝是制造高效太陽能電池的一個(gè)非常重要的步驟，對(duì)于沒有進(jìn)行鈍化的太陽能電池，光生載流子運(yùn)動(dòng)到一些高復(fù)合區(qū)域后，如表面和電極接觸處，很快就被復(fù)合掉，從而嚴(yán)重影響電池的性能。對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行背面鈍化可以有效地減弱這些復(fù)合，提高電池效率。目前，太陽能電池一般都要求盡量薄的厚度，來提高太陽能電池的質(zhì)量功率比，降低生產(chǎn)成本。這樣，在保持電池效率不變的前提下，有效少數(shù)載流子的體壽命就會(huì)大大提高，上、下表面的有效壽命就變的遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體壽命，使得上、下表面成為調(diào)控有效少數(shù)載流子有效壽命的關(guān)鍵。上、下表面限制有效少數(shù)載流子壽命的主要原因在于表面光生少數(shù)載流子復(fù)合缺陷的存在。表面鈍化的目的就是降低硅片的表面活性，使表面的復(fù)合速度降低。表面鈍化的主要方式是飽和硅表面的懸掛鍵，降低表面斷鍵的活性；增加表面的清潔度，減少表面雜質(zhì)的引入，防止少數(shù)載流子復(fù)合中心的形成，從而起到降低少數(shù)載流子在表面的復(fù)合速率。高效p型電池非受光面（背面）和N型電池受光面（正面）鈍化膜的鈍化膜多采用三氧化二鋁（Al2O3）薄膜。近期的相關(guān)報(bào)道顯示，相比背面使用二氧化硅（SiO2）膜或者SiO2/氮化硅（Si3N4）/SiO2多層復(fù)合膜的設(shè)計(jì)，Al2O3薄膜具有更好的鈍化效果和燒結(jié)穩(wěn)定性。而且相對(duì)于前兩者，Al2O3薄膜更適用于現(xiàn)在比較受追捧的局部鋁背場(chǎng)技術(shù)。Al2O3薄膜在高效n型電池上上的應(yīng)用也表現(xiàn)不俗，如英利等，把Al2O3薄膜作為其高效n型電池的正面鈍化膜，表現(xiàn)出的表面鈍化作用優(yōu)于單純使用Si3N4膜的效果。目前，背鈍化膜Al2O3的制備技術(shù)主要有原子層沉積技術(shù)（ALD）、PECVD技術(shù)和物理氣相沉積（PVD）3種[8]，這3種技術(shù)中ALD的效果最好，但是由于ALD的生產(chǎn)成本較高，沉積速度又慢，使得這種特殊的沉積模式很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。目前，物理氣相沉積技術(shù)的制備的Al2O3背鈍化膜的燒結(jié)穩(wěn)定性較差，還不能滿足工業(yè)化的需求，所以，現(xiàn)在的工業(yè)化過程主要著眼于在PECVD工藝上做出新的改進(jìn)。據(jù)太陽能設(shè)備公司roth&rau報(bào)道，他們采用微波法利用ALD同樣的反應(yīng)物三甲基鋁（TMA）成功制備了Al2O3背鈍化膜。所以，對(duì)Al2O3背鈍化膜的制備，PECVD技術(shù)很有可能是最佳選擇。

3.透明導(dǎo)電膜前電極晶體硅太陽能電池

現(xiàn)有的晶體硅太陽能電池是在p-n結(jié)的正面和反面分別加上電極構(gòu)成。相對(duì)于后電極，前電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要。它既不能遮擋入射光影響p-n結(jié)對(duì)太陽光的吸收，又要保證光生載流子能夠順利穿過并被有效利用。為了減少太陽光在硅表面的反射，通常使用折射率在2.0～2.2之間的氧化硅、氮化硅等絕緣薄膜作為光學(xué)減反射層。傳統(tǒng)太陽能電池的前電極通常用含銀成分的細(xì)柵線排布，為了收集較多的光生電流，一般會(huì)將柵線排布的更密；但為了減少遮光面積，使更多的太陽光進(jìn)入電池，通常會(huì)將銀柵線設(shè)計(jì)的足夠細(xì)來減少遮光區(qū)。但是，對(duì)柵狀前電極的使用不可避免地要遮蔽太陽能電池表面6%～10%的受光面積，大大減少太陽能電池表面的有效面積，降低單位面積電池本身的光電轉(zhuǎn)換效率。其存在的技術(shù)問題主要為以下幾個(gè)方面：一方面，在使用柵電極的太陽能電池中，在電池內(nèi)部不同位置產(chǎn)生的光生載流子要想到達(dá)柵電極，必須先在表層橫向傳輸一段距離才能實(shí)現(xiàn)。而光生載流子在表面這一橫向傳輸過程產(chǎn)生的串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致太陽能電池短路電流和填充因子的降低。有計(jì)算顯示：表層方塊電阻245Ω•cm2對(duì)應(yīng)的太陽電池有效面積是40%；表層方塊電阻4.6Ω•cm2對(duì)應(yīng)的是有效面積60%；當(dāng)表層方塊電阻降到1Ω•cm2時(shí)，太陽能電池的有效面積也只能達(dá)到80%左右。另一方面，如果要通過制作淺結(jié)改善太陽能電池的光譜響應(yīng)，就需要增加太陽能電池表面的柵線數(shù)量，比如計(jì)算中得出的表層0.15μm厚時(shí)，其每厘米長度內(nèi)需要制作30條柵線的要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)絲網(wǎng)技術(shù)的極限，只有引入成本較高的光科技束才能滿足需求，這將十分不利于太陽能電池成本的控制。為了降低表層的電阻，表層就必須有一定的厚度。但表層對(duì)太陽光具有較強(qiáng)的吸收能力，比如當(dāng)高摻雜的表層0.5μm厚時(shí)可以吸收9%的入射光，1μm左右時(shí)，表層就成了吸收不少入射光的“死層”，當(dāng)表層厚2μm時(shí)，太陽光幾乎就完全被它吸收了。并且表層本身存在著大量能夠捕獲光生載流子的結(jié)構(gòu)缺陷。因此，厚的表層會(huì)嚴(yán)重限制太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。基于以上因素的計(jì)算表明，即使將晶體硅太陽能電池的柵線密度和表層薄膜厚度作進(jìn)一步的優(yōu)化處理之后，硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然會(huì)出現(xiàn)30%左右的損失，而非晶硅電池的輸出功率與照射面積成正比，因此，透明電極受到了人們的關(guān)注。通過對(duì)導(dǎo)電薄膜種類和工藝的控制，利用適當(dāng)具有厚度的透明導(dǎo)電薄膜替代太陽能電池的柵狀前電極，可以在實(shí)現(xiàn)其優(yōu)良的導(dǎo)電性能的同時(shí)，起到對(duì)入射太陽光的減反作用，提高硅太陽能電池的光吸收能力。ZnOx常被用于制作太陽能電池的透明電極[9]。但是ZnOx電極的關(guān)鍵性能（導(dǎo)電性和透光能力）很容易受到硅太陽能電池的后續(xù)高溫工藝的負(fù)面影響。因此選取合適的透明導(dǎo)電薄膜的種類、制備方法以及厚度是該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。采用PECVD技術(shù)具有低溫工藝的優(yōu)點(diǎn)，是制備透明導(dǎo)電薄膜的首要選擇。使采用的透明導(dǎo)電膜前電極起著前電極和減反射的雙重作用，從而提高了入射光的量，降低前電極的橫向電阻率，相當(dāng)于增加了太陽能電池的受光面積有利于制作淺結(jié)太陽能電池，提高太陽能電池對(duì)短波光譜的吸收，提高輸出功率。

4.結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題迫切需要解決，太陽能發(fā)電作為理想的可再生能源備受關(guān)注，提高電池效率和降低成本成為目前努力的方向。PECVD技術(shù)沉積溫度低、應(yīng)用范圍廣，未來通過PECVD研究獲得優(yōu)異特性和較高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池，具有很好的發(fā)展前景。

作者：龐宏杰柳琴郭群超張?jiān)赋蓡挝唬荷虾Ｌ柲芄こ碳夹g(shù)研究中心有限公司