高效太阳能电池技术深解（三）

1.硅太阳能电池的转换效率损失机理

太阳能电池转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制。关于单晶硅硅太阳能电池，由于上光子带隙的多余能量透射给下带隙的光子，其转换效率的理论最高值是28%。只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。

影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因重要来自两个方面，如图1所示：

(1)光学损失，包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。

(2)电学损失，它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、半导体和金属栅线的接触电阻，以及金属和半导体的接触电阻等的损失。这其中最关键的是降低光生载流子的复合，它直接影响太阳能电池的开路电压。光生载流子的复合重要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。此外，当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时，背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。

图1：普通太阳能电池多种损失机制

2.提高晶硅太阳能电池转换效率的方法

(1)光陷阱结构。一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术，制得绒面的反射率可达到10%以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术(RIE)，该技术的优点是和晶硅的晶向无关，适用于较薄的硅片，通常使用SF6/O2混合气体，在蚀刻过程中，F自由基对硅进行化学蚀刻形成可挥发的SiF4，O自由基形成SixOyFz对侧墙进行钝化处理，形成绒面结构。目前韩国周星公司应用该技术的设备可制得绒面反射率低于在2%~20%范围。

(2)减反射膜。它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光出现的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。单晶硅电池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至2%左右。

(3)钝化层：钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。热氧钝化是在电池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止载流子在表面处的复合。原子氢钝化是因为硅的表面有大量的悬挂键，这些悬挂键是载流子的有效复合中心，而原子氢可以中和悬挂键，所以减弱了复合。

(4)新增背场：如在p型材料的电池中，背面新增一层p+浓掺杂层，形成p+/p的结构，在p+/p的界面就出现了一个由p区指向p+的内建电场。由于内建电场所分离出的光生载流子的积累，形成一个以p+端为正，p端为负的光生电压，这个光生电压与电池结构本身的pN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压Voc。同时由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是新增了载流子的有效扩散长度，因而新增了这部分少子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高。

(5)改善衬底材料：选用优质硅材料，如N型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。

3.高效晶体硅太阳能电池-pERL电池

pESC、pERC、pERL电池是新南威尔士大学研究了近20年的先进电池系列，前两个子母pE(passivatedEmitter)代表前表面的钝化(选择性扩散)，后两个子母代表后表面的扩散和接触情况。其中pERL衍生了南京中电的SE电池与尚德的pLUTO电池。

pESC(钝化发射极背接触)电池1985年问世，可以做到大于83%的填充因子和20.8%(AM1.5)的效率。

pERC(钝化发射极背场点接触)电池，用背面点接触来代替pESC电池的整个背面铝合金接触，这种电池达到了大约700mV的开路电压和22.3%的效率。

pERL(钝化发射极背部局域扩散)(passivatedEmitterandRearLocally-diffused)电池是钝化发射极、背面定域扩散太阳能电池的简称。1990年，新南威尔士大学的J.ZHAO在pERC电池结构和工艺的基础上，在电池背面的接触孔处采用了BBr3定域扩散制备出pERL电池，如图所示。2001年，pERL电池效率达到24.7%，接近理论值，是迄今为止的最高记录。

图2：新南威尔士大学pERL电池h=24.7%

HIT电池是异质结(hetero-junctionwithintrinsicthin-layer，HIT)太阳能电池的简称。1997年，日本三洋公司推出了一种商业化的高效电池设计和制造方法，电池制作过程大致如下：利用pECVD在表面织构化后的N型CZ-Si片的正面沉积很薄的本征α-Si:H层和p型α-Si:H层，然后在硅片的背面沉积薄的本征α-Si:H层和n型α-Si:H层;利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜(TCO)，用丝网印刷的方法在TCO上制作Ag电极。值得注意的是所有的制作过程都是在低于200℃的条件下进行，这对保证电池的优异性能和节省能耗具有重要的意义。

HIT电池具有高效的原理是：

(1)全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命;

(2)双面制结，可以充分利用背面光线;

(3)表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性;

(4)采用的n型硅片其载流子寿命很大，远大于p型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集;

(5)织构化的硅片对太阳光的反射降低;

(6)利用pECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中出现的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因。

2009年五月，这种电池的量产效率达到了19.5%，单元转化效率达到23%。

HIT电池的工艺流程是：

硅片-》清洗-》制绒-》正面沉积-》背面沉积-》TCO溅射沉积-》丝网印刷Ag电极-》测试

这种电池具有结特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐，商业化生产速度发展很快，仅仅两三年时间，产品已占整个光伏市场的5%

图3：三洋公司HIT电池h=23%

5.高效晶体硅太阳能电池-IBC电池

IBC电池是背电极接触(InterdigitatedBack-contact)硅太阳能电池的简称。由Sunpower公司开发的高效电池，其特点是正面无栅状电极，正负极交叉排列在背后。利用点接触(point-contactcell，pCC)及丝网印刷技术。

这种把正面金属栅极去掉的电池结构有很多优点：

(1)减少正面遮光损失，相当于新增了有效半导体面积;

(2)组件装配成本降低;

(3)外观好。

由于光生载流子要穿透整个电池，被电池背表面的pN节所收集，故IBC电池要载流子寿命较高的硅晶片，一般采用N型FZ单晶硅作为衬底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅复合膜与N+层结合作为前表面电场，并制成绒面结构以抗反射。背面利用扩散法做成p+和N+交错间隔的交叉式接面，并通过氧化硅上开金属接触孔，实现电极与发射区或基区的接触。交叉排布的发射区与基区电极几乎覆盖了背表面的大部分，十分有利于电流的引出，结构见图。

图4：Sunpower公司IBC电池h=22.3%

这种背电极的设计实现了电池正面“零遮挡”，新增了光的吸收和利用。但制作流程也十分复杂，工艺中的难点包括p+扩散、金属电极下重扩散以及激光烧结等。2009年七月Sunpower公司上市了转换效率为19.3%的太阳能电池模块。

IBC电池的工艺流程大致如下：

清洗-》制绒-》扩散N+-》丝印刻蚀光阻-》刻蚀p扩散区-》扩散p+-》减反射镀膜-》热氧化-》丝印电极-》烧结-》激光烧结。