文國知,范吉軍,李相虎

(武漢輕工大學 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430023)

帶本征薄層硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的研究與發(fā)展

文國知,范吉軍,李相虎

(武漢輕工大學 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430023)

介紹了帶本征薄層硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的研究與產(chǎn)業(yè)化進程。闡述了提高硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的關鍵技術(shù)，如單晶硅片表面的織構(gòu)化技術(shù)、異質(zhì)結(jié)界面的鈍化技術(shù)、柵電極制備技術(shù)和雙面電池技術(shù)。最后，介紹了基于量子限域效應的硅量子點異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的設計理論及研究進展。

硅異質(zhì)結(jié)；本征層；鈍化；轉(zhuǎn)換效率；太陽能電池

1 引言

近年來，受能源安全和環(huán)保問題困擾，光伏發(fā)電越來越受到重視[1,2]。全球?qū)μ柲艿男枨笤鲩L迅猛，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)獲得了巨大的發(fā)展。2008年全球太陽能電池產(chǎn)量達到7.9 GW , 2009年達到10.4 GW，2010年達到27.2 GW。隨著光伏電池技術(shù)持續(xù)進步和加快研發(fā)，世界能源組織(International Energy Association, IEA)預測，到2040年光伏發(fā)電將占總電力的20%。歐洲聯(lián)合研究中心(European Joint Research Center, JRC) 及歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)預測，到本世紀末，太陽能發(fā)電將占到60%以上，太陽能光伏將作為人類最主要的能源來源[3,4]。已商業(yè)化量產(chǎn)的以高純硅料為主要原材料的晶體硅太陽能電池實驗室效率達25.0%，2010年批量生產(chǎn)的晶體硅太陽能電池實際轉(zhuǎn)換效率達18%-22%。晶體硅太陽能電池由于資源豐富，高效率，性能穩(wěn)定，一直占有絕大部分光伏市場份額[5,6]。根據(jù)Shockley-Queisser的理論計算，晶體硅太陽電池的極限轉(zhuǎn)換效率只有31%，不可能無限提高[7]。目前晶體硅太陽電池的價格每瓦超過1.5美元，成本偏高。

受美國、歐洲、日本等國政府大力推動，多晶硅、非晶硅等新電池材料不斷被研發(fā)出來。多晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點是制備工藝簡單，能在廉價襯底上制備，成本較低，性能高，實驗室轉(zhuǎn)換效率達到20.3%，批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率16%-18%，接近晶體硅太陽能電池。但多晶硅薄膜太陽電池的效率也難以進一步提升，主要原因在于，第一，構(gòu)成電池的多晶硅材料中存在大量的位錯晶界和過渡族金屬，表面存在大量的表面態(tài)。這些缺陷、表面態(tài)，和過渡族金屬構(gòu)成少數(shù)載流子的復合中心，導致開路電壓顯著下降；第二，工業(yè)生產(chǎn)中多晶硅表面織構(gòu)化難以實現(xiàn)，短路電流降低[8]。非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點是低溫工藝，問題在于光電轉(zhuǎn)換效率比較低。目前實驗室最高效率只有13%，批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為8%-10%。而且隨著時間的推移(一般十幾天)，轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)下降，即出現(xiàn)所謂的Staebler-Wronski光致衰退現(xiàn)象[9-11]。

2 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池

1991年，日本Sanyo電氣有限公司的Mikio Taguchi等通過研究，首次提出將單晶硅(c-Si)和非晶硅(a-Si)薄膜結(jié)合在一起，在中間插入一薄層本征層的結(jié)構(gòu)，并取名為帶本征層的異質(zhì)結(jié)(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer, HIT)太陽能電池[12]?，F(xiàn)在，硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池是在p型CZ單晶硅片上沉積一本征氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜，再沉積一n型a-Si:H薄膜，形成p-n結(jié)。在硅片的另一面，沉積一本征a-Si:H薄膜和一p型a-Si:H薄膜，形成背表面場。然后在兩個表面沉積透明導電氧化層(Transparent Conductive Oxidation, TCO)，再用絲網(wǎng)印刷法鍍上金屬柵電極，如圖1所示[13]。通過插入高質(zhì)量的本征a-Si:H層，將單晶硅片和n型a-Si:H薄膜隔開，可以有效鈍化p-n結(jié)界面的缺陷，避免載流子在界面復合，使開路電壓Voc和轉(zhuǎn)換效率得到提高。硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的優(yōu)點包括：第一，工藝簡單?？梢酝ㄟ^等離子體增強化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)，用低能量等離子體形成高質(zhì)量的a-Si:H薄膜，全部工藝在200℃左右完成，避免了高能量等離子體和熱應力造成的對硅片的損傷[14]；第二，光電轉(zhuǎn)換效率較高。由于非晶硅對光的吸收能力比單晶硅強，本征a-Si:H層使單晶硅Si表面得到可靠鈍化，使載流子壽命得到提高，界面對光生載流子的俘獲得到降低，從而電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率得到提高[13]；第三，溫度特性優(yōu)良。硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池效率的溫度系數(shù)降低到-0.25%/℃，比擴散p-n 結(jié)電池效率溫度系數(shù)-0.5%/℃低。這意味著當溫度較高時，硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池組件將比傳統(tǒng)p-n 結(jié)電池組件產(chǎn)生更多的電能[11]；第四，電池的光照穩(wěn)定性好。在非晶a-Si:H薄膜/單晶硅c-Si異質(zhì)結(jié)中沒有發(fā)現(xiàn)Staebler-Wronski效應，從而不會出現(xiàn)類似非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率因光照而衰退的現(xiàn)象[15]；最后，成本低。異質(zhì)結(jié)HIT電池低溫沉積過程中，單晶硅c-Si片彎曲變形小, 其厚度可取為本底光吸收材料所要求的最低值(約80 μm), 從而可節(jié)省c-Si材料，消除電池在高溫處理中的性能退化，使電池重量大大減輕。同時改善少數(shù)載流子擴散長度與電池總厚度比值, 允許采用“低品質(zhì)” 單晶硅c-Si及多晶硅Si材料，從而降低成本[16,17]。

圖1 硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

3 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的研究進展與關鍵技術(shù)

硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一直在順利提高。1992年，Tanaka等采用(Artificially Constructed Junction, ACJ)技術(shù)制備了p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-c-Si結(jié)構(gòu)電池，取得18.1%的光電轉(zhuǎn)換效率[18]。此后相繼有多個國家和單位投入到硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的研究當中[14,19]。如圖2所示為硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池單元模塊光電轉(zhuǎn)換效率進展情況。2007年，Tsunomura等通過提高a-Si:H/c-Si的界面特性及采用陷光技術(shù)，取得22.3%的轉(zhuǎn)換效率[20]。2009年，Inoue等通過進一步提高界面鈍化質(zhì)量，減小透明導電層和柵電極光學吸收損失和電阻損失，取得22.8%的光電轉(zhuǎn)換效率[21]。2011年，98 μm厚的HIT薄型硅單元太陽能電池，實現(xiàn)了23.7%的轉(zhuǎn)換效率[20]。Sanyo公司下一步計劃將硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池效率提高到25%。

圖2 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池轉(zhuǎn)換效率變化圖

在提高硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的過程中，開路電壓Voc非常關鍵[20,21]。在傳統(tǒng)的p-a-Si:H/n-c-Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，表面和界面存在大量局域復合路徑和懸掛鍵，摻雜層中有大量局域態(tài)，載流子易發(fā)生局域復合和隧穿[22]。通過對單晶硅片表面織構(gòu)化后進行化學鈍化處理，可以獲得優(yōu)秀的界面。這種高質(zhì)量的本征層，可以減小表面和界面復合速率，抑制局域復合和隧穿現(xiàn)象的發(fā)生，如圖3所示。在背面，通過在本征a-Si:H薄膜和p型a-Si:H薄膜i-a-Si:H/p+-a-Si之間插入高質(zhì)量的本征層，使背面的復合得到有效抑制，這樣可以獲得高的開路電壓Voc[13]。

圖3 5-15μm織構(gòu)化c-Si硅片的SEM圖

在實際應用中，太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率與溫度的關系被認為是決定電池輸出功率最重要參數(shù)之一。圖4所示為25 ℃歸一化硅異質(zhì)結(jié)HIT光電轉(zhuǎn)換效率與溫度的關系。一般摻雜的p/n型異質(zhì)結(jié)太陽能電池的溫度系數(shù)是-0.45%/℃，硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的溫度系數(shù)是-0.33%/℃，現(xiàn)在已經(jīng)減小到-0.25%/℃[23]。經(jīng)驗表明，異質(zhì)結(jié)表面鈍化效果越好，溫度系數(shù)越低，輸出電壓越高。圖5所示為多種硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池及SunPower[14]電池的開路電壓Voc與溫度系數(shù)的關系。很明顯，使用更高開路電壓Voc的電池，就可能獲得更多的輸出功率。但是要理解電池的開路電壓與溫度系數(shù)的關系,還需要進一步進行研究。

圖4 晶體硅、硅異質(zhì)結(jié)HIT、最新硅異質(zhì)結(jié)HIT電池光電轉(zhuǎn)換效率與溫度的關系

圖5 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池及SunPower太陽能電池開路電壓Voc與溫度系數(shù)的關系

同時，短路電流ISC在提高硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的過程中也非常關鍵。為降低電阻損失和光學損失，要求柵電極用電阻率盡可能低的材料和減少柵電極對光的反射。圖6所示為用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作的柵電極，材料是銀漿。這種方法制作的柵電極通常有一個擴展面，這個擴展面會造成光學損失。必須盡可能改進布線部分，減小擴展面積和提高長寬比，減小布線暗影的影響，以獲得更大光照面積[24]。同時提高透明導電氧化層對短波長光的反應，降低電阻值，提高載流子遷移率。

圖6 柵電極示意圖

異質(zhì)結(jié)的對稱結(jié)構(gòu)特征使雙面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的制備成為可能。圖7所示為雙面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池與單面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池輸出功率的比較?？梢钥闯?，雙面電池比單面電池的輸出功率高。據(jù)估算，雙面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池比單面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池一年多輸出10.9%的能量[13]。因此，研發(fā)雙面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池也是提高硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池性能的重要方法。

圖7 雙面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池與單面硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池效率比較

4 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進程

通過研究和采納一些新技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)中的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率持續(xù)得到提高，硅片厚度大幅度降低。自1994年Sanyo電機公司在1 cm2面積上制備出轉(zhuǎn)換效率為 20.0%的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池以來，就展開了其產(chǎn)業(yè)化研究，并于1997年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所生產(chǎn)的面積超過100 cm2的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高達17.3%。商業(yè)化硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池組件HIT Power2l如圖8所示，能替代屋頂瓦片的電池模塊HIT Power Roof如圖9所示[25]。

圖8 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池組件HIT Power21

圖9 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池模塊HIT Power Roof

2002年，硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)獲得18.5%的世界最高光電轉(zhuǎn)換效率，輸出功率為190 W的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池組件投放市場；4月，輸出功率為200 W的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池模塊推出，模塊溫度特性有了大幅提高，年發(fā)電量比傳統(tǒng)太陽電池多43%[15]。2006年，光電轉(zhuǎn)換效率為21.8%的270W硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池模塊上市，工程中電池模塊的用量再減少約25%。2009年規(guī)模化生產(chǎn)中的硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能光電轉(zhuǎn)換效率達到22.8%[24]。2011年，面積為100.7 cm2厚為98 μm的薄型硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能單元電池研制成功。該公司計劃2012年度以后量產(chǎn)單元光電轉(zhuǎn)換效率為23%的薄型硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能產(chǎn)品，并延伸現(xiàn)有技術(shù)，使薄型硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池單元光電轉(zhuǎn)換效率達到25%[14]。硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池自1997 年投入市場以來，短短數(shù)年間已占據(jù)世界光伏市場的5%，顯示了極大的發(fā)展?jié)摿?。如圖10所示為2004年各類太陽能電池所占市場份額。Sanyo公司已將其光伏生產(chǎn)能力從2008年的340 MW擴大到2010年的600 MW，而且計劃進一步增加光伏產(chǎn)量來滿足世界光伏市場的需求[26]。

圖10 主要太陽能電池所占市場份額

5 硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池的發(fā)展趨勢

有看法認為，單晶硅太陽能電池實用水平的轉(zhuǎn)換效率上限是25%左右，再提高轉(zhuǎn)換效率非常困難。單帶隙太陽能電池中最重要的能量損失機制在于，能量低于禁帶寬度的光子不被吸收，占總?cè)肷淠芰康?3%，能量高于禁帶寬度的光子被吸收后產(chǎn)生能量高于帶隙的電子空穴對，當電子和空穴分別馳豫到導帶邊和價帶邊時，多余的能量就以熱量的形式被晶格吸收而損失，占總?cè)肷淠芰康?3%[27]。為充分利用太陽能，方案之一就是使用不同帶隙的材料構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)。

圖11 p型單晶硅襯底硅量子點異質(zhì)結(jié)太陽能電池示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，非晶富硅a-SiCx，a-SiNx或a-SiOx等絕緣織構(gòu)薄膜，通過高溫退火工藝，能使富余硅原子析出成核并生長為硅納米顆粒(量子點)。硅量子點具有量子局域效應，即硅量子點的有效光學帶隙隨量子點尺寸的減小而增大。當硅納米顆粒尺寸小于晶體硅的激子玻耳半徑(約7 nm)，且彼此距離很近時，激子波函數(shù)的重疊將使激子發(fā)生隧穿，薄膜的遷移率和電導率將明顯增大。同時，將克服晶體硅非直接帶隙半導體的缺點。因此用含不同尺寸的量子點薄膜作為疊層電池的短波長帶隙材料，可有效提高太陽光譜的利用率[28,29]。

Green M A課題組研究了含Si量子點層作為單結(jié)太陽能電池窗口層和不同量子點層厚度及層數(shù)對電池性能的影響[30-32]，如圖11所示。由于硅量子點具有有效光學帶隙可調(diào)的優(yōu)點，同時具有多激子效應，用含不同尺寸的硅量子點薄膜替代硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池本征層的方案也已經(jīng)提出，并取得了一些研究進展[33-36]。硅量子點本征層異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)寬光譜吸收和提高光電轉(zhuǎn)換效率。不過，很多方面有待進一步研究，例如，尺寸均勻可控量子點的制備，量子點層結(jié)構(gòu)的設計，量子點層界面的處理等。

6 總結(jié)

硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池是目前效率較高，成本較低，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)并且產(chǎn)業(yè)化前景提高潛力較大的一種硅基太陽能電池。結(jié)合表面織構(gòu)化技術(shù)、界面鈍化技術(shù)、柵電極制備技術(shù)、雙面電池技術(shù)和量子點技術(shù)等可以進一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率。隨著光伏技術(shù)的進步，光電效率的提高，發(fā)電成本的下降，市場需求將出現(xiàn)更大增長，硅異質(zhì)結(jié)HIT太陽能電池發(fā)電的研究成為近期乃至超長期的能源開發(fā)重點項目。

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A review on the research and development of the silicon-based heterojunction HIT solar cells with intrinsic thin layer

WENGuo-zhi,FANJi-jun,LIXiang-hu

(School of Electronic and Electrical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

A review on the research and the industrialization of silicon-based HIT solar cells with intrinsic thin layer is presented.The key technologies about improving the conversion efficiencies of siticon-based HIT solar cell are introduced, such as the texturization of silicon wafer surface, the passivation of heterojunction interface, the grid electrode fabrication, and the bifacial processes. Research achievements on the theoretical design and the experimental efforts about the silicon quantum dots HIT solar cells, which are based on quantum confinement effects, are explained in the last part.

silicon HIT; intrinsic thin layer; passivation; conversion efficiency; solar cell

2016-12-07.

文國知(1973-),男,博士,講師,E-mail:wwenguozhi@163.com.

湖北省教育廳科技計劃項目資助(B2016074).

2095-7386(2017)02-0001-07

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.02.001

TN245

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