适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池

综述2016.8 Vol.40 No.8收稿日期 2016-01-28作者简介 潘振 1983 ， 男， 天津市人， 硕士， 工程师， 主要研究方向为太阳电池。1722适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池潘 振 1， 呼文韬 1， 王 寅 1， 郭 林 2， 付增英 11.中国电子科技集团公司 第十八研究所， 天津 300384； 2.中国航天空气动力技术研究院， 北京 100074摘要 综述了适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池的国内外研究进展， 主要介绍包括 IBC 、 HIT、 HBC 、 PERC 等高效太阳电池的器件结构、 研制工艺、 性能特点以及在太阳能飞行器能源领域的应用。结合可能存在的临近空间环境特点，从转换效率、 环境适应性和可靠性等方面对这几 种 太阳电池进行了 比较分析 。关键词 单晶硅 ； 太阳电池 ； 太阳能 ； 无 人 机； 太阳能飞行器中图分类号 TM 914 文献标识码 A 文章编号 1002-087 X201608-1722-04Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehiclePAN Zhen1, HU Wen-tao1, WANG Yin 1, GUO Lin 2, FU Zeng-ying1Abstract The search progress of the monocrystalline silicon solar cells for solar aerial vehicle was reviewed,including IBC, HIT, HBC, PERC solar cells. The device structures, processing technologies, characteristics andapplication in solar aerial vehicle were introduced. According to possible environmental characteristics of near space,the efficiency, environmental suitability and reliability of these solar cells were contrasted and analyzed.Key words monocrystalline silicon; solar cell; solar energy; UAV; solar aerial vehicle太阳能飞行器能够实施超高空长航时飞行，具备持久的对地观测、 侦察、 通讯中继等能力， 能源清洁环保， 在军用和民用领域极具发展前景。太阳能飞行器通过其表面铺设的太阳电池阵，将太阳辐射能转变为电能供动力系统和载荷设备使用 [1]。 而受 太阳辐射能 量密度低 ， 太阳电池阵铺 装 面 积有限 ， 以及 飞行器 质量 和飞行环 境 等 诸多条件限制 ，太阳能飞行器的进一步 发展对其 最基本 发电 单元 太阳电池的 性 能 提出了更 高的 要求 ， 主要包括效率 、 质量比功率 、 可靠性 等 方 面。 单晶硅 太阳电池具 有 研发 制造相 对 成熟 、 效率较 高、 性 能 稳定 、 成本低廉 等 优势 ， 适于 太阳能飞行器， 特别是 太阳能飞 机 、 无人机 使用。1 高效率单晶硅太阳电池1.1 IBC 太阳电池IBC 意 为 叉指型背接触 Interdigitated Back Contact， IBC电池的 pn 结 、 背 表面 场 和 相 对 应 的 金属 接触 电极 都 在 背面 [2-6]。 如图 1 所 示 ， 由于光照产生 的 少数 载 流 子 需要扩散 通过整个硅片厚度方可 到达 p-n 结 区 ， IBC 电池 必须 使用 少 子 寿命高的 硅片 作 为 衬底 ， 一 般选 用 n 型 区熔 单晶硅 。 硅片 正 面 制成绒 面 陷 光结 构 ，具 有 n 前表面 场 和 钝化减反 射 层 如 SiO2、SiN 等 。 而背 面 分布着 叉指 状 的 磷 和 硼局部 扩散 区分 别 作 为n 背 表面 场 和 p 发射 区 ， 二者之间 需 被 一个 未 扩散 的 区 域 分隔开 。 金属 电极 并不 是 与 n 背场 或 p 发射 区全部 接触 ， 而是通过 绝缘钝化薄膜 的 局 域 开口与 扩散 区局部 接触 。 该 结 构 设计 最 大程 度 降 低了少 子 复合 率 ， 从 而提 高 了 电池的 效率 ， 但会使 制 备 工艺 步 骤 多而 复杂 。 背 面 钝化层 可 采 用 Al 2O3 或 SiO2等 薄膜 ， 制 程 中 需多步 掩膜或激 光 刻划工艺 以 隔离不同 极 性的 区 域 及相应 的电极。电极 制 备 如 选 用 丝网印刷工艺则 需要与钝化层开槽精确 对 准 ， 另外 可 采 用 沉 积金属 种 子 层然后 电镀加 厚 的 方 法 。IBC 太阳电池 优 点 是 1 前表面 无金属 栅线 ， 因此没 有 遮光 ， 可 专 注 于 陷 光结 构 和 钝化 性 能的设 计 ， 利 于提 升短路 电流 ； 2 背 面电极设 计 可单 纯考虑 提 升 接触特性 、 降 低 串阻 ， 能图 1 IBC 太阳电池结构综述2016.8 Vol.40 No.81723使用 更 宽 的电极， 从 而提 高 填充 因 子； 3 效率 高， 输 出功率高， 可靠性 好 ； 4 正 负 电极 均 在 背 面， 组 合 较 为 容易 ， 利 于 实现自 动 化程 度更 高的表面 贴 装 技术 SMT 制 备 组 件 ， 同 时 提 高了 电池 封 装密度 ， 使 整 体组 件 的转 换 效率提 升 ； 5 组 件 外 观一 致 、 美 观。2014 年澳 大 利亚 国 立 大 学 研发的 小 面 积 IBC 电池 效率 达24.4[5]。 SunPower 公司 是最 知名 的 IBC 太阳电池 生产 商 ， 电极 采 用电 镀工艺 ， 实 验室 效率 高 达 25[6] ， 该 公司 已 为国 际上多 架 太阳能飞行器和 赛车 提 供 IBC 电池。 IBC 电池用 于 太阳能飞行器 光 伏 电源 目 前 已 有多个 报道 。 近期 的阳 光 动力 2 号Solar Impulse II 太阳能飞 机 其电力 来 源 于机 翼 、 机 身 和 水平尾翼上安 装 的 总共 17 248 片 SunPower 的 厚度 为 135 滋 m、 效率 为 22.7的 IBC 高 效 太阳电池。 美 国 Titan Aerospace 公司开 发的 小 型 版 Solara 无人机 ， 根据 公 布 的 相 关视频 可 判断 其使用的 是 IBC 电池。 2001 年创下 无 燃料 飞行器飞行高 度 纪录29 524 米 的 “ 太阳 神” 号 Helios 无人机 使用的 也 是 IBC 电池。1.2 HIT 太阳电池HIT 是 Heterojunction with Intrinsic Thin Layer 的 缩写 ， 意为 本 征 薄层 异 质结 。 HIT 太阳电池 是以光照 射 侧 的 p/i 型 非 晶硅 a-Si薄层 5～ 10 nm作 为发射 区 和 背 面的 i/n 型 a-Si 薄层5～ 10 nm作 为 背场 ， 中 间 夹住 单晶硅片 通 常 为 n 型 基 区 ， 两侧顶 层 为 透明导 电 氧 化 物 层 TCO 和电极， 具 有 对 称 的 结 构 [7]图 2。HIT 太阳电池的 a-Si 薄层与 单晶硅 c-Si 形 成 p-n 异 质结 。 a-Si 禁带 宽 度比 c-Si 更 宽 ， 二者 形 成 的 异 质结 内建 电 场比c-Si 同 质结更 强 。 此外 ， 所 插入 的高 质量本 征非 晶硅 i 型 a-Si薄层 还起 到 了如 传 统 硅 电池中的 SiO2、 SiN 等 绝缘 介 质 层 一样 对 晶 体 硅 表面的 钝化作 用。 较 高的 异 质结 内建 电 场 和 优 良的 钝化 性 能， 能 更 大程 度 地 减 少光生 载 流 子的 非 辐射 复合 ， 降低 表面、 界 面 漏 电 流 ， 提 高 开 路 电 压 oc， 为 提 高 HIT 电池 光电转 换 效率 创 造了条件 [8-9]。太阳电池 oc 越 高， 输 出性 能的 温 度 依存 性 越 小 。 高 Voc 的HIT 电池具 有较低 的 温 度 系 数 ， 通 常 为 － 0.25/℃ ， 明 显 优于普 通 晶硅 电池， 这 使 得 HIT 电池在 较 高的 工作 温 度 下 与 普 通晶硅 电池 相比可产生更 高的 功率 输 出 。HIT 电池 采 用等 离 子 体 增强 化 学 气 相 沉 积 PECVD 工艺制 备 a-Si 薄层 ， 能够在 200 ℃ 的 较低 温 度 下 进 行， 明 显 低于传 统 晶硅 电池的 扩散 工艺 温 度 一 般 在 800 ℃ 以 上 。 这 种 低 温工艺 特性 和对 称 的器 件结 构减 少了成 膜 时 因 热 量而产生 的 硅晶片 的 形 变和 损伤 ， 对实 现 电池器 件 的 减薄化 、 轻 质 化 和高 效化 极为 有 利 。HIT 电池 可 实 现 器 件 的 薄 型 化 ， 这 不但 能 提 高 质量比功率 ， 而 且 使电池 片 具 有一定 柔 性 ， 可 承 受一定 程 度 的 弯曲 图3， 这 一优 点 非常 有 利 于 其在太阳能飞行器 方 面的 应 用。2013 年报道 了 松 下 / 三洋 公司研 制 的 101.8 cm2 的 HIT电池 效率 为 24.7[9]， oc750 mV 其 他参 数 sc39.5 mA/cm 2，0.832， 批 产 转 换 效率可 达 22.5。1.3 HBC 太阳电池HBC 即 异 质结背接触 Heterojunction Back Contact， 实 际上 就 是 HIT 和 IBC 结 构 相结 合 HITIBC 的太阳电池 [10]。2014 年 日 本 松 下 / 三洋 公 布 了 其研发 成 果 ， 143.7 cm2 面积 的 HBC 太阳电池 效率 达到 了 25.6[11]， 打破 了 尘 封 15 年 的硅基 太阳电池 世界 纪录 原 纪录 为 钝化 发射 区 和 背 面 局部 扩散p 型单晶硅 电池 PERL[12-14]， 面 积 4 cm 2， 效率 24.7[14]， 经 光 谱重新校 准后 效率 为 25。在 大 面 积硅片 上 实 现 这 一 高 效率 表明 了 其 今 后 实 际 应 用的 巨 大 潜 力 图 4。HBC 太阳电池保 留 了 a-Si 本 征 层 和 异 质结 ， 而 将 受光 面的发射 区 和电极 移 到 了 电池 背 面。 c-Si/a-Si 异 质结 能够保 证 较高的 内建 电 场 和 优 良 的 钝化 效 果 ， 提 高 了 开 路 电 压 ； 去掉 前表面 遮 光 的 栅线 ， 而 在 异 质结基 础 上组 合 使用 背接触 电极的 结构 ， 增 加 了 短路 电 流 并 提 高 了 填充 因 子。 该 类 电池集 合 了 HIT和 IBC 各 自 的 优势 ， 实 现 了光 电转 换 效率 的 突破 。在 融 合 异 质结 和 背接触结 构 上 开 展 工作 的 还 有 日 本 夏普和 韩 国 LG 电子等公司。 夏普 公 布 了 小 面 积 3.72 cm2HBC 电池 效率 达到 25.1[15]。 目 前 HBC 电池 正 处 于 研 制 阶段 ， 尚 未大规模 量产 ， 然 而效率 25 的 成 果 接 连 发 布 ， 可以 预见 其研究开 发 今 后 将 会 非常 活跃 ， 该 技术 也 将 得 到 更 为 广泛 的 应 用。1.4 p 型 PERC 单晶硅太阳电池PERC 为 钝化 发射极 与 背 面电池 PassivatedEmitter andRear Cell [16]。 HIT 和 IBC 技术通 常 用 于制 备 n 型 高 效 太阳电池， 而 PERC 适 用 范围广 ， p 型 、 n 型单晶硅以及多晶硅硅片 均可 作 为 衬底 。 PERC 是 目 前 较 为 成熟 的能够用 于量产制 备 效率超过 20的 p 型 电池 衬底 基 区 为 p 型 的技术， 工艺复杂 度 和成本 均 低于 HIT 和 IBC 技术 图 5。图 2 HIT 太阳电池结构图 3 可 弯曲 的 薄型 HIT 太阳电池图 4 HBC 太阳电池结构综述2016.8 Vol.40 No.8 1724普 通 晶硅 电池中 铝 背场 完 全 覆盖 了 电池 背 面， 起 到 较 好的 吸 杂作 用， 并作 为 p 背场一定 程 度 上阻 止 了少数 载 流 子 向背 面的 迁移 。 然 而 电池 背 面 硅 与 金属 铝 Si/Al 接触 界 面的 态 密度比较 高， 而 对 光 的 反 射 率 又 比较低 ， 因此全 铝 背场 会 带 来 背面 复合 速 率较 高 以及 电池对长 波 光 子 利 用 率低 等 问题 。在 硅片 减薄 情况 下 这 些问题 将 更 为 突 出 ， 并 且还 会 造成 电池 片 翘曲 度 增 大 ， 很 大程 度 上 限制了 电池的转 换 效率 。 PERC 电池 上表面 仍 采 用 SiN 或 SiO2 绝缘层钝化 电池的发射极， 不同之 处在 于背 面用 局部 接触 来 代替 普 通 晶硅 电池的 全 铝 背场 ， 并采用 原 子 层沉 积 ALDAl 2O3 和 PECVD 制 备 SiN 双 层 介 质 膜 进行 背 表面 钝化 [17-18]。 ALD 制 备的 Al 2O3 对 Si 表面 钝化 效 果 非常好 ， 界 面 处 产生 极 低 的表面 态 密度 ， 同 时 还 能 减 少金属 杂 质 和表面 层 错 ， 从 而 大大降 低背 表面 处 的 复合 速 率 ， 使 硅片 具 有较长的 少 子 寿命 。 SiN 、 Al 2O3 介 质 钝化膜 位 于背 面 金属 层 和 硅基区之间 ， 避免 了 两 者 直 接接触 ， 可有效 防 止 电池 片 的 翘 曲 ， 同时 双 层钝化膜 的 合 理 组 合 设 计 配 合底 面 金属 层 能够 起 到 很 好的 背 反 射 作 用， 增 加 了 电池对长 波 光 子的 吸 收 和 利 用。 这 些 优势 的集中使 得 大 尺寸 p 型 PERC 太阳电池能够 突破 20的 光电转 换 效率 [18-19]。 近期 德 国 SolarWorld 研 制 的 一 款 p 型 PERC电池 效率 达到 21.7， 为 目 前 最 高 纪录 图 6。1.5 用于太阳能 无 人 机 的单晶硅太阳电池 组 件用 于 太阳能 无人机 的太阳电池 组 件 与 地面 或 空 间 用 光 伏组 件有 所 不同 。 除 需 满足 质量 轻 、 与 机 翼 表面 形 状 贴 合 等 要求外 ， 串 并 联 组 合 以及 封 装 还 应 考虑 飞行过 程 中的 可靠性 ， 如 升空 后 高 低 温 变 化 和 湿 度 影响 ， 飞行过 程 中 机 翼 的 振颤 形 变， 着陆 时的 瞬 间 冲击 等。 通 常 选 用 透 光 、 阻 湿 性 好 且 具 有一定 柔 性和 机 械 强 度 的高 分 子 膜作 为 组 件 封 装 材 料 。中国电子科技集团公司第十八研究所 开 发 并 掌握 了无人机机 翼 蒙皮 一 体 化 单晶硅 电池 组 合 封 装 技术，研 制出了 半刚性 高 效 太阳电池 组 件 ， 并 通过 了 力 学 、 低 压 、 湿 热 等 多 项 可靠性 测 试 图 7。2 综合 分析飞行器用太阳电池的 选 择 ， 除 需 参 考 其 标 准 输 出特性 参数 外 ， 还 应结 合 飞行环 境 考虑 太阳电池 自身 性 能 特 点 ， 涉 及 内容 甚至 包括 电池的器 件结 构 、 材 料 以及 具 体 工艺 对 可靠性 和稳定性 的 影响 ， 并 进 行 相应 的 验 证 和 分 析 。表 1 总 结了 目 前 单晶硅 电池研发和 生产 的 进 展 情况 。高效单晶硅 电池的研 制 持 续 开 展，电池 效率稳步提 升 并 迅速 向规模 化 量产 推 进 ， 这 为其 应 用 于 太阳能飞行器 创 造了有 利 条件 。HIT 电池 除 具 有比功率 高、 温 度 系 数低 等 优势 外 ， 还 可 根据 实 际 需求进 行 划 片 ， 裁剪 适 宜 的 形 状 尺寸 进 行 组 合 。 存 在 问题 是 HIT 电池 片相 对 脆弱 ， 抗冲击 性较 差 。 另外 在超高空飞行器 应 用中， HIT 正 面的 a-Si 成 分 以及 丝网印刷 电极， 其 可靠性和长 期 稳定性方 面 可 能 存 在 一定 隐患 。太阳 光 谱 中 短 波 长的紫 外 光主要 在太阳电池 上 表面 附 近 被 吸 收 ， HIT 电池 p/i 型a-Si 正 位 于 此 处 。在 紫 外 光 很 强 的超高空 光照条件 下 ， a-Si 内部 微 结 构 可 能 会 发 生 变 化 ， 产生一定数量 中 性 悬挂键 等 亚 稳态 缺 陷 ， 使 复合 损 失 增 加 ， 导致 性 能 衰退 。 而 丝网印刷后 烘干或 烧 结 工艺 制 备的电极， 其 内 部会 残 留 一 些玻璃 层或 孔洞 ， 虽具 有 与 金属相 近 的 导 电 性 能， 但 质 地 较 脆 ， 延 展 性 和 抗冲击 性较 差 。 这 两 个 因 素 对 HIT 电池 性 能的 影响 尚 不 十 分 明 确 。IBC 太阳电池 目 前 已 有较多 用 于 太阳能飞 机 的 成功 先例 。位 于背 面的电极 较 为 宽 、 厚 ， 电极 采 用电 镀工艺 制 备， 其 导 电性 、 金属 延 展 性 和 可靠性 明 显 优于 丝网印刷 电极。 IBC 电池 片机 械 强 度较 好 ， 可靠性 高， 采 用 独 特 的 共 面 互联 技术 制 备的 组件 ， 某 一 部 位 电池 出 现 裂 片 时 仍 能继 续 发电。 而 其 缺 点 是 不 适宜 进 行 划 片 剪裁 ， 质量比功率比 HIT 电池 略 低 。HBC 太阳电池 目 前 尚 未 进 入规模 化 量产 阶段 ， 但 电池 结构 以及 转 换 效率 的 优势 显 而 易 见 。将 a-Si 层 和电极 全部 转 移到 背 面 就 在 很 大程 度 上 消除 了 前 述 HIT 电池 可靠性方 面 存 在的 隐患 ， 且 在 大 面 积 的电池 上 实 现 突破 记 录 的高 效率 ， 未 来 发展和 应 用空 间 广 阔 。图 5 PERC 太阳电池结构图 6 PERC 太阳电池 与普通 单晶硅电池结构对 比图 7 太阳能 无 人 机 用高效单晶硅太阳电池 组 件表 1 实验室和量产化晶体硅太阳电池的光电转换效率情况单晶硅电池实验室效率 单晶硅电池量产效率P 型 PERL 25UNSW 普通 P 型单晶硅 1819 P 型 PERC 21.7SolarWorld P型 PERC 2020.7 N 型 IBC 25SunPower N 型 IBC 2123 N 型 HIT 24.7Panasonic N 型 HIT 20.522 N 型 HBC 25.6Panasonic 综述2016.8 Vol.40 No.81725太阳电池发展 之 初 主要应 用 于 航天领域。 1963 年 Bell 实验室 发 现 高能 粒 子辐射 下 n 型 电池 性 能 衰 减 严 重 ， 稳定 后 效率 明 显 低于 类 似 结 构 的 p 型 电池 [20]， 各 国研究 机 构 也 获 得 了 同样 结 论 。 因此 抗 辐射 性 能 更 好 的 p 型 电池 成 为空 间 应 用的 首选 ， 随 后 地面 光 伏也 沿 用 了 p 型 。 由于 地面 应 用 无需 考虑 辐射影响 ， 而 n 型单晶硅相较于 p 型 具 有少 子 寿命 长、 对 杂 质 容 忍度 高 以及 地面 光照条件 下 光 致 衰退 不 明 显 等 优 点 ， 近 几 年 n型 电池研 制受 到 重 视 ， 效率 已明 显 超过 p 型 电池。太阳能飞行器 如 在 较低 空飞行， 高 效 n 型 电池具 有优势 。 而 对 于 20 km 以上 的超高空 平 流 层 ， 紫 外线 、 宇宙 射 线 、 高能 粒 子的辐射将 会明 显增强 [21]， n 型 太阳电池在 这 一 区 域 工作 ， 长 期 可靠性可 能存 在 隐患 ， 因此 需 考虑 一 种 抗 辐射 性 能 好 的高 效 p 型 电池 作为备 选 方 案 。 PERC 技术 目 前能实 现 量产 转 换 效率 20的 p型 电池， 满足 备 选 和 补 充 条件 。 随 着 硅 原 料 的 提 纯 、 掺 杂 以及硅单晶生 长等技术 不 断 进步 ， p 型硅片 的 质量 和 性 能将 会 进一步 得 到 改善 ， 而 PERC 器 件 工艺 今 后 如 能 与选 择 性 发射极 Se-lective Emitter 以及硅片 减薄化 等技术 相结 合 ， 未 来 将能够 制造出效率更 高、 性 能 更适 合 超高空飞行器 应 用的 PERC 太阳电池。需要特别指出 的 是 ， 为 提 高 产 能、 降 低成本 ， 单晶硅 电池制造 商 大 都 倾 向 于 采 用 丝网印刷 结 合 烘干烧 结 的电极 制 备 工艺 ， 而 这类 电池 应 用 于 飞行器将 存 在 诸多 不确 定 因 素 。 解决 该问题 ， 除 对电池 可靠性进 行 严格 的 考 量 和 验 证 外 ， 还 需 通过 与厂 商 合作 ， 专 门针 对电极 开 发 更 为 可靠 的 制 备 工艺 ， 以 满足 实际 应 用的 需求 。3 展 望太阳电池 效率 和 比功率 的 提 升 是 太阳能飞行器发展的 重要需求 之 一 。 单晶硅 电池实 验室 最 高 效率 目 前 已 比较接 近 理论 极 限 ， 进一步提 高的空 间不 是 很 大 ， 未 来 主要是进 行 工艺 优化 和 改 进 使 批 产 电池的 效率 向 实 验室 效率 逐 步 逼 近 ， 而 通过硅片 减薄或 硅 外 延 等技术 来 提 高 质量比功率 的 方 案 仍 具 一定潜 力。介 于 空、 天 之间 的 临 近 空 间 尚 未 深 入 探索 ， 目 前对 该区 域气 候 以及 射 线或 粒 子辐射等环 境 信息 的 掌握 并不 十 分 充 分 ，太阳电池用 于 高空飞行器 现 阶段 能够 借鉴 的 经 验 不 多 。 今 后可 在飞行器 试 飞过 程 中， 获取 相应 高 度 的环 境特 征 以及 对电池 性 能的 影响 等 信息 ， 进而 对太阳电池的设 计 、 工艺 进 行 有 针对 性 的 调 整 和 改 进 ， 经 过 多 次 反 馈迭 代 ， 最 终 研 制出适 用 于 超高空太阳能飞行器的高 效 太阳电池。参考文献 [1] 曲 鹏 ， 王寅 . 太阳能 无人机 电源系统的发展 现 状与 展 望 [J]. 电源技术， 2015， 394 864-870.[2] GLUNZ S W. 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