晶體硅太陽電池技術(shù)及進展研究淺析

劉良玉，張威，禹慶榮

（1.國家光伏裝備工程技術(shù)研究中心，2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

晶體硅太陽電池技術(shù)及進展研究淺析

劉良玉1，張威2，禹慶榮2

（1.國家光伏裝備工程技術(shù)研究中心，2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

高效低成本是光伏行業(yè)發(fā)展不變的主題。進入21世紀(jì)，中國光伏發(fā)展突飛猛進，電池光電轉(zhuǎn)換效率從14%提升到超過21%，成本降幅90%。本文結(jié)合近年來晶體硅太陽電池技術(shù)的特點，分析了高效晶體硅太陽電池技術(shù)和進展。

高效；晶體硅太陽電池；技術(shù)；進展；研究

高效率晶體硅太陽電池的理念最早是在20世紀(jì)80年代提出的，主要融合了表面鈍化技術(shù)與陷光觀念。本文主要是對多樣化高效率晶硅電池技術(shù)中的幾種進行分析。

1 選擇性發(fā)射極太陽電池

太陽電池表面有一層濃度較為平衡的磷擴散層，也叫做發(fā)射極。選擇性發(fā)射極的基本理念主要是指對金屬柵線下的發(fā)射區(qū)實施高濃度融合，減少電池串聯(lián)電阻，以此提升電池開路電壓；對非柵線接觸范圍實施輕摻雜，減少少數(shù)載流子復(fù)合，提升電池的短波光譜響應(yīng)能力，提升短路電流密度。設(shè)計選擇性發(fā)射極有多種技術(shù)途徑，如絲網(wǎng)印刷磷漿、激光刻槽埋柵、激光摻雜等。

在實際研究的過程中，中科院寧波材料所萬青教授研究組提出一種自對準(zhǔn)激光摻雜工藝技術(shù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷設(shè)施設(shè)計出高效晶硅體太陽電池。電池工藝技術(shù)在通過磷擴散之后，表層會構(gòu)成很高磷濃度的磷硅玻璃層，之后通過圖形化激光退火，促使磷硅玻璃層中的磷元素擴散到硅中，在電池片表層局部區(qū)域構(gòu)成重點摻雜。在絲網(wǎng)印刷細柵線的過程中，垂直交叉激光重摻線條，精巧的達到自對準(zhǔn)激光摻雜技術(shù)。結(jié)合實際性能檢測試驗證明可知，擴散方塊電阻是75歐姆的單晶硅太陽電池，填充因子會依據(jù)以往的65%提升到79%。

鈍化發(fā)射極、背面局部接觸晶體硅太陽電池，簡稱為PERL電池，是有光伏之父之稱的新南威爾士大學(xué)Martin Green格林教授首先提出的，其主要是結(jié)合了選擇性發(fā)射極理念，并在1999年創(chuàng)造了光電轉(zhuǎn)換效率25%的世界紀(jì)錄。

PERL電池實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的原因主要有以下幾點：第一，電池正面制備標(biāo)準(zhǔn)的“倒金字塔”構(gòu)成，其光吸收效率要高于一般電池絨面，擁有較低的反射率，有助于提升光生電流。第二，選擇性的磷融合拓散，金屬柵電極下重點融合可以構(gòu)成優(yōu)質(zhì)的歐姆接觸，非柵極接觸范圍的輕融合在達到橫向電阻最優(yōu)化的基礎(chǔ)上可以提升短波光譜響應(yīng)。第三，電池背面實施定域、選擇性的硼融合構(gòu)成了p區(qū)，這樣不但可以減少背電極的接觸電阻，還可以提升背面場，以此在實際發(fā)展中不斷減少復(fù)合速度，從而提升電池的短路電流密度，增加實際電池的轉(zhuǎn)換效率。第四，發(fā)射極鈍化，發(fā)射極鈍化減少了表層密度，降低了光生載流子的符合。結(jié)合這一技術(shù)，新南威爾士大學(xué)與尚德企業(yè)一起研發(fā)的冥王星電池轉(zhuǎn)換效率達到了20.3%，高出行業(yè)內(nèi)單晶硅電池平均轉(zhuǎn)換效率絕對值2個百分點。

2 異質(zhì)結(jié)太陽電池

異質(zhì)結(jié)太陽電池，簡稱為HIT電池。其最初是由日本三洋公司提出，通過高質(zhì)量超薄本征非晶硅層對晶體硅本底材料的兩面進行鈍化，減少表層復(fù)合，提升了器件對光生載流子的收集能力，以此構(gòu)成高效率的新型晶體硅太陽電池。同時，在產(chǎn)業(yè)過程中，技術(shù)不斷進行突破，且結(jié)合背面局部接觸技術(shù)，2014年，松下企業(yè)研發(fā)的HIT太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達到了25.6%，打破了新南威爾士大學(xué)保持了15年的世界紀(jì)錄。

HIT太陽電池技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化過程中主要具備以下幾個優(yōu)勢：第一，低溫技術(shù)。因為HIT太陽電池技術(shù)用a-Si薄膜摻雜形成pn結(jié)，整體工藝過程都在低溫下完成（＜300℃），減少能源消耗。第二，高轉(zhuǎn)換效率。晶體硅太陽電池通常使用SiO2或SiNx薄膜作為鈍化層，但是HIT電池技術(shù)采用獨特的氫化非晶體硅薄膜作為表面鈍化層，鈍化效果達到最佳。第三，節(jié)約面積。HIT電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，因此在相同功率輸出的情況下，實際占地面積最小化，從而可以減少組件電站端的綜合成本支出。第四，穩(wěn)定性能優(yōu)越。因為襯底為n型單晶硅，沒有B-O復(fù)合體導(dǎo)致的光衰效應(yīng)，并且對于金屬雜質(zhì)的容忍度要高于p型襯底。此外，晶體硅電池隨著溫度的升高，發(fā)電效率會有衰減，HIT電池的溫升系數(shù)要遠小于其他結(jié)構(gòu)的晶硅電池，在沙漠、熱帶地區(qū)發(fā)電增益明顯。第五，低耗材。HIT電池的厚度可以低至50μm，可大幅度降低硅材料成本，并可實現(xiàn)柔性化，一方面滿足特殊領(lǐng)域內(nèi)對高效電池的需求，另一方面可以大幅度減少組件輔材的支出。

3 全背電極接觸晶硅太陽電池

全背電極接觸晶硅太陽電池，簡稱為IBC電池。IBC電池結(jié)構(gòu)在表層產(chǎn)生的光生載流子一定要通過硅基體才可以達到背電極，這就要求硅襯底材料的使用壽命要長，對硅本體材料提出了較高的要求。

IBC電池選擇N型硅襯底，有助于減少表面復(fù)合，前后表面結(jié)合熱氧化膜實施鈍化處理。引用半導(dǎo)體工藝中的光刻技術(shù)，在電池背面分別實施磷、硼精確局部摻雜，以此構(gòu)成指狀交叉排列的p/n區(qū)域，以及處于其上方的p+/n+重摻雜區(qū)域。因為p+與n+區(qū)域的接觸電極覆蓋面積較大，所以具有非常低的串聯(lián)電阻。

IBC電池在產(chǎn)業(yè)化過程中具有以下幾點優(yōu)勢：第一，入射光子數(shù)的最大化。因基區(qū)與發(fā)射區(qū)的金屬柵交錯設(shè)計都在電池背面，有效避免了電池表層金屬柵線的遮光損耗。第二，IBC電池表面的輕摻雜解決了其他結(jié)構(gòu)電池“死層”的問題，提升了短波光譜響應(yīng)。電池背面結(jié)合SiO2為實際鈍化層，提升了背反射率與長波的光譜響應(yīng)，使IBC電池擁有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。第三，基區(qū)與發(fā)射區(qū)的電極都設(shè)計在背面，可以達到電池正、負極焊線的現(xiàn)側(cè)拼裝，減少了光伏組件設(shè)計工藝的步驟，便于自動化設(shè)計，提升生產(chǎn)效率。

4 金屬環(huán)繞穿孔電池

金屬環(huán)繞穿孔電池，簡稱為MWT電池。其與IBC太陽電池相同為背接觸式電池，其構(gòu)成與絲網(wǎng)印刷金屬化電池的結(jié)構(gòu)比較接近。

MWT電池技術(shù)中，因為發(fā)射區(qū)在電池的淺表層與金屬化孔中，減少了少數(shù)載流子復(fù)合的擴散長度，提升了光生電流的收集效率，在低品質(zhì)的硅襯底材料上即可獲取高電流密度。因此MWT太陽電池可以結(jié)合多晶硅片設(shè)計出高效太陽電池。

雖然在現(xiàn)階段MWT太陽電池技術(shù)得到了有效的推廣和應(yīng)用，但是在產(chǎn)業(yè)化過程中，MWT電池依舊存在很多問題：如低損傷孔洞的設(shè)計、精確而有效的激光穿孔、防止孔洞與周邊硅本體材料出現(xiàn)熱損傷、隱裂與漏電等問題。另外，設(shè)計優(yōu)質(zhì)的金屬化孔洞、減少串聯(lián)電阻也是必須要攻克的重點研究內(nèi)容。

荷蘭能源研究中心結(jié)合長時間的分析和研究，其已經(jīng)將MWT電池技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化的方向取得了較大的進步，并且提出了一種稱為PUM的太陽電池。其與傳統(tǒng)意義上電池的主柵構(gòu)成不同，主要是依據(jù)電池背面特定劃分的接觸電極，降低主柵構(gòu)成的遮光損耗，并且減少了發(fā)射區(qū)域電極界面中少數(shù)載流子復(fù)合概率，提升了電池的轉(zhuǎn)換效率。

5 發(fā)射極環(huán)繞貫穿太陽電池

發(fā)射極環(huán)繞貫穿太陽電池，簡稱為EWT電池。與MWT太陽電池一樣，也是背接觸式電池，其主要特點是在電池上打孔達到上下兩面的貫通。與MWT太陽電池不同之處在于EWT電池技術(shù)中光生電流的柵線從電池正表層轉(zhuǎn)移到電池的背面。

在二十世紀(jì)九十年代初期就研發(fā)出EWT太陽電池，電池的p-n結(jié)處于正表層，為了降低光反射，優(yōu)化金字塔結(jié)構(gòu)與減反射膜；然后設(shè)計出局部重摻雜或者是金屬化孔洞的方案，將電池正面發(fā)射區(qū)與背面區(qū)域發(fā)射區(qū)連接到一起，將前后表面的電流都傳遞到背面電極之中，正、負電極柵線交叉排列在電池背面，主柵處于背面的兩邊。

EWT太陽電池技術(shù)正表層并沒有柵線電極，結(jié)合太陽電池中大部分微型導(dǎo)電孔收集電子，同時傳遞到背面的發(fā)射區(qū)電極中，不但可以提升光子收集效率，還可以滿足雙面集電的效果，提升光生電流的密度，增加了實際轉(zhuǎn)換效率。此外，便于光伏組件的封裝和自動化發(fā)展。由此，EWT太陽電池具備IBC和MWT太陽電池技術(shù)的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

晶體硅太陽電池在太陽電池發(fā)展的市場中占據(jù)重要的地位，預(yù)計未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，其市場主導(dǎo)地位不會發(fā)生變化。伴隨著國內(nèi)裝備行業(yè)的技術(shù)進步，晶硅電池將率先實現(xiàn)平價上網(wǎng)，促使光伏發(fā)電成為國家常規(guī)供給能源，解決影響人類發(fā)展的兩大難題。

[1]陳鵬. 晶體硅太陽電池中的光衰減研究[J].浙江大學(xué),2013.

[2]顧鑫. 低成本高效晶體硅材料及太陽電池研究[J].浙江大學(xué),2013.

[3] https://zhidao.baidu.com/question/99901347.html.

[4]章曙東. 晶體硅太陽電池表面鈍化研究[J].江南大學(xué),2015.

[5] http://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480&z=0&ipn=d&word=IBC%20.

[6] http://www.solarzoom.com/index.php/marticle/66677.

[7]艾斌,張勇慧,鄧幼俊,沈輝. 外延晶體硅薄膜太陽電池的器件模擬及性能優(yōu)化的研究[J]. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2014,11.

TM914.4

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0175-02