薄晶硅太陽電池的研究進(jìn)展

鄧昌凱，張雨蓮，李東棟，魯林峰，任 偉，陳小源

（1. 上海大學(xué) 理學(xué)院 物理系量子與分子結(jié)構(gòu)國際中心，上海 200444；2. 中國科學(xué)院上海高等研究院 薄膜光電工程技術(shù)研究中心，上海 201210）

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薄晶硅太陽電池的研究進(jìn)展

鄧昌凱1,2，張雨蓮2，李東棟2，魯林峰2，任 偉1，陳小源2

（1. 上海大學(xué) 理學(xué)院 物理系量子與分子結(jié)構(gòu)國際中心，上海 200444；2. 中國科學(xué)院上海高等研究院 薄膜光電工程技術(shù)研究中心，上海 201210）

摘要:薄晶硅太陽電池減少硅材料厚度不僅能降低材料消耗和電池成本，還可以賦予其一定的柔韌性，拓展其在可穿戴設(shè)備、建筑光伏一體化等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，成為目前太陽電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來的研究工作多集中在通過納米圖案化結(jié)構(gòu)、等離激元效應(yīng)等途徑增強(qiáng)薄晶硅對(duì)太陽光，尤其是長波長太陽光的吸收，以彌補(bǔ)硅吸收層薄化后引起的吸光能力不足的問題。本文將側(cè)重從圖案化納米結(jié)構(gòu)、等離激元效應(yīng)增強(qiáng)薄晶硅電池的光吸收性能、薄晶硅太陽電池電學(xué)性能的優(yōu)化、新型薄晶硅太陽電池等方面，對(duì)薄晶硅太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞:薄晶硅太陽電池；納米圖案化結(jié)構(gòu)；綜述；等離激元效應(yīng)；光管理；鈍化

鄧昌凱（1989－），男，湖南衡陽人，研究生，研究方向?yàn)楸【Ч杼柲茈姵?，E-mail:dengck@sari.ac.cn 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:06:12 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1106.003.html

現(xiàn)代人類文明的發(fā)展仍主要依賴于傳統(tǒng)化石能源，但是化石能源儲(chǔ)量的有限性及其使用過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響促使人們必須盡快尋找到替代性的清潔可再生能源。豐富的太陽能是重要的可再生清潔能源，利用光生伏特效應(yīng)，光伏電池可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是公認(rèn)的利用太陽能的有效方式。目前市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的光伏電池為晶體硅電池。它具有工藝成熟、性能穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，商業(yè)生產(chǎn)的組件效率目前已超過19%，電池片的最高效率也已經(jīng)達(dá)到25.6%[1-2]。盡管經(jīng)過多年的努力，電池的生產(chǎn)成本已經(jīng)大幅下降，但是仍然無法和傳統(tǒng)的火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)，從而限制了光伏發(fā)電的大范圍推廣。在傳統(tǒng)晶體硅光伏電池的制備過程中，約50%的成本來自于硅片本身的制造[3]。因此，將目前的硅片厚度從180 μm減薄到數(shù)微米或數(shù)十微米，不僅可以減少硅材料的消耗，降低電池片成本，同時(shí)，還能賦予電池一定的柔韌性[4]，有望擴(kuò)展其在可穿戴設(shè)備以及建筑光伏一體化等領(lǐng)域的應(yīng)用。

但是，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，隨著硅厚度減薄到20 μm以下，長波長的入射光（波長＞600 nm）更加難以被充分吸收[5]。因此，提高對(duì)長波長入射光的有效吸收，成為薄晶硅太陽電池中重要的研究?jī)?nèi)容。此外，通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化鈍化層和摻雜層薄膜以提高薄晶硅太陽電池電學(xué)性能，以及將薄晶硅作為基底與其他材料相結(jié)合構(gòu)筑新型薄晶硅太陽電池等，都是目前薄晶硅太陽電池的研究熱點(diǎn)。

基于以上的研究熱點(diǎn)，本文將側(cè)重從利用圖案化納米結(jié)構(gòu)、等離激元效應(yīng)增強(qiáng)薄晶硅電池的光吸收性能、薄晶硅太陽電池電學(xué)性能的優(yōu)化、新型薄晶硅太陽電池等方面，對(duì)薄晶硅太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1　 薄晶硅太陽電池的光吸收增強(qiáng)

1.1 圖案化納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)薄晶硅的光吸收

近年來，運(yùn)用納米技術(shù)在硅片表面加工出圖案化納米結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)薄晶硅太陽電池的光吸收成為研究的熱點(diǎn)。已報(bào)道的圖案化納米結(jié)構(gòu)包括納米錐[5-8]、納米圓柱[9-10]、納米孔[11]、納米線[12]、正反金字塔[13-14]以及更復(fù)雜的二元構(gòu)型[15-16]等。

當(dāng)采用納米錐結(jié)構(gòu)時(shí)，納米結(jié)構(gòu)與其四周的空氣層等效成為一個(gè)折射率連續(xù)變化的介質(zhì)層，通過控制納米結(jié)構(gòu)的縱橫比調(diào)控折射率的變化規(guī)律可以有效地減少硅片的反射[8, 17]。Wang等[6]在2 μm厚的硅薄膜前后表面構(gòu)筑了不同縱橫比的納米錐結(jié)構(gòu)（圖1（a）），用嚴(yán)格耦合波分析方法（RCWA）對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，其中計(jì)算得到的最優(yōu)化的前表面縱橫比為1.42，后表面縱橫比為0.35的納米錐結(jié)構(gòu)薄晶硅電池的光生電流為34.6×10–3A/cm2；Wang等[5]進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上在3 μm薄晶硅前表面和背表面制備了縱橫比分別為3和0.3的單面或雙面納米錐（如圖1 （b）），前表面引入納米錐結(jié)構(gòu)后短路電流從10.6×10–3A/cm2增加到19.4×10–3A/cm2，雙面納米錐結(jié)構(gòu)短路電流進(jìn)一步提高至24.4×10–3A/cm2；Jeong 等[7]也制備出厚度為10 μm，在前表面引入縱橫比為0.89的納米錐結(jié)構(gòu)的背接觸薄晶硅電池，相比于平面結(jié)構(gòu)薄晶硅電池，電池轉(zhuǎn)換效率從10.9%提高到了13.7%（圖1（c））。

圖1 （a）2 μm厚經(jīng)優(yōu)化的不同縱橫比的雙面納米錐結(jié)構(gòu)、前表面納米錐結(jié)構(gòu)、背表面納米錐結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)薄晶硅電池示意照片[6]；（b）6.8 μm厚的雙面不同縱橫比的納米錐結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)斷面SEM圖[5]；（c）10 μm厚的背接觸納米錐薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[7]Fig.1 （a）Schematic of 2 μm thickness thin silicon solar cell with different aspect ratio nanocones double-sided, top-only, bottom-only, un-patterned[6]；（b）SEM image at cross sections of 6.8 μm thickness thin silicon solar cell with different aspect ratio nanocones double-side[5]；（c）Schematic of 10 μmthickness all-back-contact thin silicon solar cell with nanocones[7]

Branham等[13]在電池的前表面采用周期700 nm，夾角為54.7°的反向金字塔納米結(jié)構(gòu)（圖2（a）），制備出了轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15.7%的10 μm厚的薄晶硅太陽電池，這種陷光結(jié)構(gòu)有著很好的減反射效果和吸收長波長入射光的能力，而且其表面積只增大到約平面結(jié)構(gòu)的1.7倍，很好地限制了表面復(fù)合損失的問題[18-19]?；谠摲N倒金字塔結(jié)構(gòu)，當(dāng)電池前表面和背表面分別覆蓋減反層和鈍化層之后，短路電流密度可達(dá)34.5×10–3A/cm2，只比采用Lambertian極限條件計(jì)算得到的39.6×10–3A/cm2低5×10–3A/cm2。Li等[14]還將該種倒金字塔結(jié)構(gòu)（圖2（b））用于非晶硅和晶硅上下串聯(lián)的疊層電池中，其中，底層的晶硅薄膜為8 μm厚，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)13.3%，相比平面結(jié)構(gòu)電池提高29%。

圖2 （a）10 μm厚倒金字塔結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)斷面SEM照片[13]；（b）8 μm厚倒金字塔結(jié)構(gòu)薄晶硅電池?cái)嗝鍿EM照片[14]Fig.2 （a）SEM image at the cross section of 10 μm thickness thin silicon solar cell with inverted pyramids[13]；（b）SEM image at the cross section of 8 μm thickness thin silicon solar cell with inverted pyramids[14]

Kim等[9]對(duì)納米柱結(jié)構(gòu)的陷光效果進(jìn)行了研究（圖3（a）），用RCWA模擬方法尋找優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于20 μm硅薄膜，當(dāng)采用前表面周期800 nm，高度100 nm的納米柱結(jié)構(gòu)，光吸收能達(dá)Lambertian吸收極限的90%；當(dāng)前后表面分別采用周期為800 nm、高度100 nm和周期為1 600 nm、高度100 nm的納米柱時(shí)，硅薄膜的光吸收可以超過Lambertian極限的90%；對(duì)于2 μm厚硅薄膜，雙面納米柱結(jié)構(gòu)得到的模擬光電流最高能達(dá)33.2×10–3A/cm2。Shir等[10]在6 μm晶硅薄膜上構(gòu)筑了周期為500 nm，直徑360 nm，高度130 nm的六角密排納米柱結(jié)構(gòu)（圖3（b）），相比平面結(jié)構(gòu)，在450 nm到1 000 nm波段的光吸收從45%提高到了83%，短路電流從14.9×10–3A/cm2提高到了24.0×10–3A/cm2，電池轉(zhuǎn)換效率則從5.2%提高到了8.7%。

Cho等[20]用時(shí)域有限差分模擬方法（FDTD）對(duì)表面為圓臺(tái)錐陣列結(jié)構(gòu)（如圖4（a））的10 μm厚薄膜硅進(jìn)行了光吸收性能的比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圓臺(tái)錐結(jié)構(gòu)的縱橫比為1左右，且底部周期尺寸與波長尺寸相當(dāng)時(shí)，減反射效果和陷光效果能達(dá)到最好的平衡。

Hong等[15]提出，采用納米倒金字塔和納米孔上下相接的二元構(gòu)型（圖4（b）），有望突破Lambertian吸收極限。他們用模擬方法得出的最佳尺寸混合納米結(jié)構(gòu)的2 μm薄晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)38.3%，這種二元構(gòu)型的設(shè)計(jì)為提高薄晶硅電池的光吸收和轉(zhuǎn)換效率提供了新的思路。

圖3 （a）納米柱結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[9]；（b）納米柱結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)及納米圖形制造過程示意圖[10]Fig.3 （a）Schematic of thin silicon solar cell with nanodisks array[9]；（b）Schematic of thin silicon solar cell with nanocolumns and process of forming nanostructures[10]

圖4 （a）納米圓臺(tái)錐結(jié)構(gòu)薄晶硅電池納米結(jié)構(gòu)示意圖[20]；（b）倒金字塔和納米孔二元構(gòu)型薄晶硅電池納米結(jié)構(gòu)示意圖[15]Fig.4 （a）Schematic of nanoconical frustum array of thin silicon solar cell[20]；（b）Schematic of nanopyramid-nanohole dual-structured arrays of thin silicon solar cell[15]

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所制備出了上端為納米錐、下端為納米柱的納米鉛筆二元結(jié)構(gòu)[16]（圖5）。上端的納米錐結(jié)構(gòu)具有出色的結(jié)構(gòu)漸變特性，降低入射光的直接反射損失，下端的納米柱結(jié)構(gòu)則有助于增強(qiáng)入射光的散射，增加有效光程。在僅1.5 μm的制絨深度下，納米鉛筆結(jié)構(gòu)在400～900 nm波段平均反射率可小于1.5%。

圖5 上端為納米錐、下端為納米柱的納米鉛筆二元結(jié)構(gòu)的薄晶硅電池納米結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.5 Schematic of integrated nanocone-nanopillars (NC-NPs) dual-structured arrays of thin silicon solar cell[16]

從上述介紹可以看出，圖案化納米結(jié)構(gòu)可以顯著提高薄晶硅太陽電池的光電性能，表1總結(jié)了目前一些納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)薄晶硅太陽電池光電性能的研究工作。

表1 各種納米結(jié)構(gòu)薄晶硅電池研究發(fā)展比較Tab.1 Research comparison of thin silicon solar cells with nanostructures

在薄晶硅表面制造納米結(jié)構(gòu)的方法有多種，如較為昂貴的光刻技術(shù)[21]，二氧化硅納米球結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕[6-7]，堿液化學(xué)刻蝕[5, 8]；除此之外還有納米顆粒自組裝[10]和納米壓印結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕，其中納米壓印方法具有高分辯率、超低成本、高生產(chǎn)率及生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其最顯著的優(yōu)勢(shì)在于大面積、復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造的能力以及非平整襯底的圖形化[22-23]。

1.2 金屬等離激元增強(qiáng)薄硅的光吸收

除了在薄晶硅表面引入各種納米結(jié)構(gòu)之外，研究人員還嘗試在薄晶硅表面的納米結(jié)構(gòu)里填充各種金屬納米顆粒形成等離激元增強(qiáng)硅材料對(duì)光的吸收[24]。金屬等離激元是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。金屬等離激元可以通過散射、局域近場(chǎng)增強(qiáng)半導(dǎo)體吸收層的光吸收、表面等離極化激元等三種方式增強(qiáng)硅薄膜太陽電池的光吸收，進(jìn)而提高電池轉(zhuǎn)換效率[25]。

Zhang等[26]研究比較了不同尺寸的金屬銀納米顆粒和鋁納米顆粒對(duì)薄晶硅電池光電性能的影響。如圖6（a）所示，納米金屬顆粒鑲嵌在前表面的SiO2中間層中，F(xiàn)DTD模擬仿真結(jié)果表明，與180 μm厚度的硅電池相比，硅厚度減少到18 μm時(shí)，電池效率仍保持在18.2%；厚度僅為5.4 μm的集成有納米金屬等離激元的薄晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15.3%。

Li等[27]在薄晶硅電池的背表面引入多孔陽極氧化鋁（AAO），并在其孔內(nèi)填充金屬納米顆粒，如圖6（b）所示，用FDTD模擬軟件設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)2.5 μm厚的薄晶硅的最佳陷光結(jié)構(gòu)的孔徑和孔間隔分別為250和450 nm，電池產(chǎn)生的光電流與不含銀金屬納米顆粒的薄晶硅電池相比，有12.6%的提高。在硅表面形成的AAO層能有效提高少子壽命，當(dāng)AAO薄到10～20 nm時(shí)，既能作為很好的表面鈍化層，又能為金屬等離激元提供合適的介電環(huán)境，有效增強(qiáng)硅電池的光吸收。

圖6 (a)前表面納米金屬顆粒結(jié)構(gòu)薄晶硅電池示意圖[26]；(b)背表面納米金屬顆粒結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[27]Fig.6 （a）Schematic of thin silicon solar cell with plasmonics nanoparticle (NP) front-side[26]; （b）Schematic of thin silicon solar cell with plasmonics nanoparticle (NP) rear-side[27]

2　 超薄晶硅電池的電學(xué)性能優(yōu)化

除了增強(qiáng)硅薄膜的光吸收之外，還需注意減少光生載流子的復(fù)合損失，以提高電池的短路電流和開路電壓，實(shí)現(xiàn)提高電池效率的目標(biāo)。但是，由于納米結(jié)構(gòu)的表面積增大，電子和空穴的俄歇復(fù)合十分嚴(yán)重，使得電池對(duì)光生載流子的收集帶來挑戰(zhàn)。如對(duì)于pn結(jié)在前表面的硅薄膜電池，在重?fù)诫s區(qū)域有納米結(jié)構(gòu)的比平面結(jié)構(gòu)的更容易發(fā)生載流子復(fù)合。針對(duì)此問題，Jeong等[7]在將pn結(jié)置于電池的背面，得到在400～800 nm波段外量子效率超過80%，轉(zhuǎn)換效率13.7%的約10 μm厚的全背接觸結(jié)構(gòu)的薄晶硅電池。如圖7所示，這種方式避免了在重?fù)诫s納米結(jié)構(gòu)區(qū)域的電子空穴對(duì)的復(fù)合，又通過合適的納米錐結(jié)構(gòu)增強(qiáng)硅吸收層的光吸收，使得電池器件在光學(xué)和電學(xué)性能上得到平衡并有效提升電池效率。

圖7 前后表面接觸和全背表面接觸兩種方式的薄晶硅電池示意圖[7]Fig.7 Schematics of front–back-contact and all-back-contact designs for thin silicon solar cell with nanocones[7]

晶硅電池背接觸常用SiO2、SiNx、Al2O3及非晶硅等材料作為鈍化層以改善背表面的接觸以及減少表面復(fù)合及多余的寄生吸收損失。Jeong等[7]對(duì)10 μm厚的薄晶硅電池背表面有無SiO2層進(jìn)行了對(duì)比研究。如圖8所示，兩種電池結(jié)構(gòu)相同，前表面納米結(jié)構(gòu)也相同，區(qū)別僅在于背表面硅層與背部鋁電極之間有無一層80 nm厚的SiO2層，在900 nm波長處，整個(gè)電池器件的吸收相比，帶有SiO2層只提高了10%，而沒有SiO2層則提高了25%，沒有SiO2層的電池會(huì)增加背電極的寄生吸收，帶有SiO2層的電池則由于更多的內(nèi)部反射增加了硅層的光吸收，從而有利于電池短路電流的提高。

圖8 （a）含SiO2鈍化層和（b）不含SiO2鈍化層納米結(jié)構(gòu)薄晶硅電池示意圖[7]Fig.8 Schematic of nanostructure thin silicon solar cell (a) with or (b) without a SiO2layer between Si and Al contacts[7]

電池重?fù)诫s背場(chǎng)的存在能有效降低少數(shù)載流子的復(fù)合，提高電池的開路電壓。Branham等[13]在他們10 μm厚的最佳納米金字塔結(jié)構(gòu)薄晶硅電池研究中，模擬了電池效率隨背場(chǎng)p型重?fù)诫s區(qū)濃度變化的規(guī)律，如圖9所示，當(dāng)摻雜濃度從31016cm–3提高到51020cm–3左右時(shí)，電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率隨著摻雜濃度的提高而大幅度提高，可見電池背電極接觸部位的重?fù)诫s背場(chǎng)對(duì)電池電學(xué)性能的影響十分顯著。

晶硅電池中加入本征非晶硅材料層和摻雜非晶硅材料層，可以形成非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)，非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池具有開路電壓高、填充因子高、轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，以及溫度衰減系數(shù)小和弱光響應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是未來硅基太陽電池發(fā)展的重要方向。在摻雜非晶硅發(fā)射極和晶體硅片之間插入一層高質(zhì)量的5～10 nm超薄本征非晶硅薄膜，很好地改善電池異質(zhì)界面的鈍化特性，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.3%[28]。Depauw等[11]在薄晶硅電池中引入非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)，把1.2 μm外延生長的晶硅薄膜用光刻技術(shù)獲得根據(jù)FDTD模擬的最佳幾何納米圖形，把薄晶硅轉(zhuǎn)移到玻璃基底上之前，在單晶硅背面做好背場(chǎng)和背接觸，隨后在前表面沉積一層本征非晶硅層及n型氫摻雜非晶硅（α-Si:H）和ITO以形成電池異質(zhì)結(jié)和前表面橫向載流子收集傳輸層及減反層，如圖10所示，結(jié)合前表面的納米孔結(jié)構(gòu)，電池的短路電流密度達(dá)到15.4×10–3A/cm2。

圖9 （a）背表面有重?fù)诫s區(qū)背場(chǎng)薄晶硅電池示意圖及（b）摻雜濃度與電池開路電壓和效率關(guān)系圖[13]Fig.9 （a）Schematic of thin silicon solar cell with p+-doping BSF;（b）Plot of simulated VOCand efficiency as a function of p+-dopant concentration at the back contact[13]

圖10 晶硅和非晶硅材料異質(zhì)結(jié)納米孔結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.10 Schematic of nanoholes thin silicon solar cell with α-Si:H heterojunction[11]

3　 新型薄晶硅太陽電池

除了常規(guī)的硅基pn結(jié)結(jié)構(gòu)超薄晶硅電池結(jié)構(gòu)之外，科研人員還把思路擴(kuò)展到其他結(jié)構(gòu)或者材料上，制造新型薄晶硅電池。由于有機(jī)和無機(jī)材料之間的肖特基結(jié)可以在低溫條件下形成，因此有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽電池有進(jìn)一步降低制造成本的潛力。Sharma等[12]采用了硅納米線陣列和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）有機(jī)半導(dǎo)體材料制備了新型有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)結(jié)薄晶硅電池，如圖11所示。該電池結(jié)構(gòu)通過前表面的硅納米線陣列與背表面分布銀納米顆粒共同增強(qiáng)電池光吸收，減少薄晶硅的透過損失，進(jìn)而提高電池的電性能。結(jié)果顯示，對(duì)于5.7 μm的有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)結(jié)薄晶硅電池，相比平面結(jié)構(gòu)樣品，背表面銀納米顆粒結(jié)構(gòu)的引入使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了10%，前表面為硅納米線結(jié)構(gòu)的短路電流密度從14.64×10–3A/cm2提高到了35.08×10–3A/cm2，在前表面為納米線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入背面金屬銀納米顆粒后，短路電流密度從35.08×10–3A/cm2提高到了36.14×10–3A/cm2。

圖11 PEDOT:PSS/Si納米線異質(zhì)結(jié)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.11 Schematic of nanowires thin silicon solar cell with PEDOT:PSS/Si heterojunction[12]

Li等[14]制造了一種非晶硅和晶硅上下串聯(lián)結(jié)構(gòu)的疊層電池，如圖12所示，晶硅材料作為底部電池，在晶硅電池上再沉積非晶硅材料作為頂部電池，制備的8 μm厚的納米倒金字塔結(jié)構(gòu)的兩種材料疊層電池，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)13.3%，比相應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)電池提高29%，這樣的疊層太陽電池結(jié)構(gòu)可以拓寬吸收光譜，最大限度地將光能轉(zhuǎn)變成電能，提高了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

圖12 平面結(jié)構(gòu)、前表面納米結(jié)構(gòu)、背表面納米結(jié)構(gòu)、雙面納米結(jié)構(gòu)晶硅和非晶硅串聯(lián)疊層薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[14]Fig.12 Schematic of tandem thin silicon solar cell with planar, front-only, back-only, and double-sided structures[14]

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所制備出的上端為納米錐、下端為納米柱的納米鉛筆二元結(jié)構(gòu)有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)結(jié)薄晶硅電池[16]中（圖13），頂端開口較大的錐狀結(jié)構(gòu)有利于導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS對(duì)其形成良好的包覆，增大n-Si/ PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)區(qū)面積，增進(jìn)載流子收集效率。僅由正面結(jié)構(gòu)優(yōu)化所制備的20 μm級(jí)雜化太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率超過12%，高于相應(yīng)的300 μm平面結(jié)構(gòu)n-Si/ PEDOT:PSS異質(zhì)結(jié)電池10%的電池轉(zhuǎn)換效率。該方法為通過絨面形貌控制制備太陽電池提供了一種新思路。

圖13 PEDOT:PSS/Si異質(zhì)結(jié)納米錐-納米柱二元結(jié)構(gòu)薄晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.13 Schematic of PEDOT:PSS/Si heterojunction thin silicon solar cellconstructed on 20 μm-thick c-Si substrates textured with integratednanocone-nanopillars (NC-NPs) dual-structured arrays[16]

4　 結(jié)束語

薄晶硅太陽能電池在太陽能電池領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過眾多科研工作者的不懈努力，對(duì)納米結(jié)構(gòu)、金屬等離激元等增強(qiáng)薄晶硅光電性能的機(jī)制有了更為深入的理解，薄晶硅太陽電池的光電性能得到了很大提升，新材料和新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)。在硅薄膜材料高質(zhì)量制備、電池結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化、表面納米結(jié)構(gòu)的鈍化、電極接觸等方面還將會(huì)有更多的嘗試和突破。同時(shí)在薄晶硅電池的機(jī)械性能方面有必要進(jìn)行測(cè)試和研究的嘗試，以便更充分地驗(yàn)證薄晶硅電池的優(yōu)越性和可靠性。通過對(duì)納米壓印、大面積自組裝等納米結(jié)構(gòu)加工方法的改進(jìn)，將會(huì)進(jìn)一步降低薄晶硅太陽電池的成本。以上這些都將不斷加快和推動(dòng)薄晶硅光伏電池走向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

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（編輯：陳豐）

Development progress of thin crystalline silicon solar cell

DENG Changkai1,2, ZHANG Yulian2, LI Dongdong2, LU Linfeng2, REN Wei1, CHEN Xiaoyuan2
(1. Physics Department and International Centre for Quantum and Molecular Structures, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. Research Center of Thin Film Optoelectronic Engineering, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Science, Shanghai 201210, China)

Abstract:Thin crystalline silicon solar cell with reduced thickness can save silicon material consumption and reduce the cost of solar cell. Besides, it can also be extended to apply potentially in fields of wearable devices and building integrated photovoltaic due to its flexibility. It has attracted tremendous attention from researchers. The researches in recent years mostly focus on optical absorption enhancement of thin crystalline silicon, especially long wavelength light, to offset low optical absorption after silicon material decrease through patterned nanostructures and surface plasmon polaritons. In this paper, current research of thin crystalline silicon solar cell about optical absorption enhancement by patterned nanostructures and plasmon polaritons effect, optimization of electrical properties and novel thin crystalline silicon solar cell are reviewed.

Key words:thin crystalline silicon solar cell; patterned nanostructure; review; plasmon polaritons effect; light management; passivation

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.003

中圖分類號(hào):TN604

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0016-07

收稿日期：2016-03-21 通訊作者：魯林峰

基金項(xiàng)目：國家自然基金青年項(xiàng)目資助（No. 61504155）

作者簡(jiǎn)介：魯林峰（1982－），男，安徽馬鞍山人，助理研究員，主要從事硅基薄膜太陽能電池研究，E-mail:lulf@sari.ac.cn ；