高效能的HIT太阳能电池研究

高效能的 HIT太阳能电池研究刘绍欢 国电光伏（江苏）有限公司 江苏（宜兴） Abstract Heterojunction with Intrinsic Thin Layer HIT solar cells have combinated the characteristics of amorphous silicon and monocrystalline silicon solar cells, with low temperature preparation, high conversion efficiency and excellent temperature coefficient and so on. From the structure and principle of HIT, the making and preparing procedure have been discussed. The ways to enhance the efficiency of HIT solar cell also have been analyzed. Key words HIT solar cell; amorphous silicon; monocrystalline silicon; efficiency 摘要本征薄层异质结 HITHeterojunction with Intrinsic Thin Layer 电池结合了非晶硅和单晶硅的特性，具有低温制备工艺，转换效率高，高温特性优异等特点。本文从 HIT 太阳能电池的结构和原理出发，探讨其制备工艺。研究其发展历程，讨论提高 HIT 太阳能电池效率的有效途径。关键词 ＨＩＴ太阳能电池；非晶硅；单晶硅；效率 1. 引言晶体硅太阳能电池虽具有效率高，技术成熟等优点。但是由于在制备过程中需要高温扩散，这会导致硅晶片的变形和热损伤。所以，通过这一工艺制备的晶体硅太阳能电池不仅在生产成本方面不具优势，而且在转化效率和器件尺寸方面也受到负面影响。相反，非晶硅薄膜太阳能电池在这些方面和前者形成了鲜明的对比，它具有重量轻，工艺简单，成本低和耗能少等优点。但是由于非晶硅缺陷较多，导致了其转换效率低，并且随着光照的时间其转换效率会不断下降， 这使得非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。近几十年来，许多学者和研究人员对本征薄层 异 质 HIT Heterojunction with Intrinsic Thin Layer 电池进行了深入的研究。研究表明该类型电池在结合单晶硅和非晶硅材料各自特性的基础上，具有如下的性能特性 1低温工艺在低温度环境下 900 ℃ 扩散工艺来获得 PN结 ， 减少了热负载。 在节约能源成本的同时 ,使得非晶硅（ a-Si）薄膜掺杂、禁带宽度和厚度可以得到较精确控制。此外，器件特性在工艺上更易于得到优化。 2高效率通过插入高质量的本征非晶单晶硅， HIT 电池形成了独有的带本征非晶硅薄层的非晶硅和晶硅的异质结结构，可以有效地提高晶硅表面的钝化质量，从而降低表面、界面漏电流，提高电池转换效率。 3 高稳定性 HIT 电池没有光致衰减效应而且温度稳定性好。 4低成本 HIT 太阳能电池的晶硅厚度薄，节省硅材料；低温工艺减少能量的消耗，并且允许采用 “ 低品质 ” 的廉价硅衬底，有效降低了电池的成本。在硅片厚度为 100微米时， HIT 太阳能电池光电转换效率达到 18以上，与常规的单晶硅、多晶硅太阳能电池相比具有很大竞争优势。Sanyo 公司开发研究的 HIT 太阳能电池实验室转换效率已达到 22.3[1] ， 且 R.M.Swanson通过理论分析，预言这种结构电池的转换效率可以超过 25 [2]。2. HIT太阳电池的构造及工作原理2.1 HIT 太阳能电池的构造图 1-1 HIT 电池结构示意图Fig. 1-1 Schematic diagram of a HIT solar cell 图 1-1为 HIT 电池结构的示意图，该结构中有本征非晶硅薄膜层。其特征是以光照射侧的薄层非晶 Si层 -p型非晶 Si发射层 膜厚 510 nm 和背面侧的非晶 Si层 -n型非晶 Si膜厚 510 nm 夹住 n型单晶 Si片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称构造的 HIT 太阳电池。2.2 HIT 太阳能电池的工作原理当 p型的非晶硅薄膜和 n型的单晶硅结合在一起，会形成 p-n结。由于两边电子和空穴的浓度不同， 在 n区中的多数载流子 电子 向 p区扩散，形成带正电的区域。同时， p区中的多数载流子空穴 向 n区扩散，形成带负电的区域。由于载载流子的扩散，形成了空间电荷区，是一个不断增强的从 n型半导体指向 p型半导体的内建电场。由于内建电场的存在，导致了多数载流子反向漂移。平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等，方向相反，此空间电荷区的净电流为零。当光照在 HIT 电池上时，首先被 p型的非晶硅薄膜吸收，激发产生出载流子。 p型非晶硅和 n型晶体硅形成的 p-n结，由于其内建电场的作用， p区中的少数载流子（光生电子）漂移至 n型晶体硅中， n型晶体硅中的少数载流子（空穴）漂移至 p型非晶硅薄膜层。这样，电子漂移至 n型晶体硅层，空穴漂移至 p型非晶硅薄膜层，于是在异质结两侧出现了光生电荷的积累，产生了光电压，形成了异质结的光生伏特效应。当上电极和下电极间接有负载时，从上电极流出的光生电流在负载上建立电压并输出功率。由此可见， HIT太阳电池的工作原理和异质结太阳电池几乎一样。3. HIT 太阳能电池的基本工艺以直拉 n 型单晶硅为衬底的 HIT 太阳能电池的基本工艺，大体包括以下几个工艺1 n 型单晶硅衬底处理 n 型单晶硅作为吸收太阳光的主要源区，对它的处理就显得尤为重要，主要包括硅片的制绒和清洗。在 n 型单晶硅表面进行织构化处理，形成金子塔形状的表面，降低了电池表面的反射率。入射光在电池表面可以多次反射延长了光程，增加了对光子的吸收，相应有较多的光生载流子在 p-n 结附近产生，从而增加了光生载流子的收集机率。另外制绒还能去除硅片表面损伤层。织绒后的清洗步骤主要是除去残余在硅片表面的金属离子和硅片表面形成的自然氧化膜。现在制绒的主要方法有湿法和干法，其中湿法包括酸性制绒和碱性制绒。2 a-SiH 的沉积 a-SiH 膜的均匀性、致密程度及晶化度等影响着 HIT 太阳能电池的效率。与传统非晶硅薄膜电池不同，作为缓冲层的 HIT太阳能电池本征非晶硅层减小了异质结界面态密度，钝化单晶硅和非晶硅界面，由于其具有更宽的能隙，异质结具有更高的内电场，进而获得较高的开路电压。对于异质结太阳能电池，界面态特性 尤其是界面态密度 决定了电池的输出特性。界面态密度主要是由沉积在 c-Si 上的掺杂a-SiH 引入的。在引入本征非晶硅层后，掺杂层和衬底被分开了，从而获得了一个良好的界面，避免了光生载流子的复合。现在非晶硅薄膜制备的重要的方法之一是等离子增强化学气相沉积（ PECVD） [3]，这一方法能实现低温，大面积沉积。 a-SiH 薄膜的沉积技术是整个 HIT 工艺技术的核心。 而影响非晶硅薄膜沉积速率的因素有沉积的气压、射频功率、氢稀释度以及电极进气方式等。3 透明导电膜 TCO 的沉积由于非晶硅几乎没有横向导电性，因此必须在硅薄膜表面沉积一层大面积的 TCO 来有效收集电流。因此，作为传导层和减反层的 TCO 必须具较高的光透过性和较低的薄层电阻。在 TCO 起到减反膜作用的同时，还应减少其光吸收，而常用的 HIT 电池TCO 膜有 ITO 膜和 ZnO 膜。它们的主要沉积方法有直流 [4]和射频 [5] 磁控溅射法、化学气相沉积法、 真空蒸发及电子束蒸发工艺。其中又以研究最广泛的是磁控溅射技术最为流行。其特点是成本低，适合大面积沉积，而且薄膜附着力强。4 上下电极的制备 指状电极采用蒸发或者丝网印刷的方法制备。电极间具有较小间距，以此来补偿 TCO 膜方块电阻较高带来的负面影响。通过对 HIT 电池的制备工艺过程的总结，可以得到图 2-1 所示的工艺流程图 2-1 HIT 电池的工艺流程Fig. 2-1 Process chain of HIT solar cells 4. HIT 太阳能电池的研究现状1974 年三洋公司开始研究 a-Si 基太阳能电池技术，并实现了 10的稳定效率。三洋公司在1990 年最早推出了 HIT 结构电池，微晶结构的硅是作为本征薄膜层。为了进一步提高效率，三洋公司在 1991 年采用本征太阳能电池 a-SiH 薄膜层代替本征 uc-Si 薄膜层，从而降低了界面态密度，提高了 C-Si 表面的钝化效果，使开路电压得到了很大的提高。 1994 年， HIT 太阳能电池的实验室效率达到 18.7（ Voc 638 mV , Isc 37.9mA/cm 2, FF 0.755, 18.7 ） 。 1998 年，日本三洋公司宣布成功开发出非晶 /单晶异质结太阳能电池。 2000 年，三洋公司研制的 100 cm 2异质结太阳能电池实验室效率达到 20.7，并且迅速量产达 12MW ， 占当年世界光伏市场的 4.2 。2003 年在 100cm2 面积上实现了 21.3实验室效率（ Isc 38.6 mA/cm 2, Voc 717 mV, FF 0.770 ） 。2007 年， 三洋公司进一步优化 a-Si/c-Si 的界面特性及在 c-Si 表面进行的制绒处理， HIT 太阳能电池提高至 22.3 ，其中 Voc 0.725V, Isc 39.2mA/cm 2, FF0.791, 100.5 cm2, AIST 。 2008 年9 月，三洋公司在第 23 界欧洲光伏会议上报道，他们研究的 HIT 太阳能电池 n型晶硅的厚度已经降低至 85 微米 , 大大的降低了生产成本。 2009年 5 月，三洋公司 [6]宣布他们研制的 HIT 太阳能电池的实验室效率已经达到 23，比原计划提前了一年。近几年，三洋研制的 HIT 太阳能电池的效率不断的提高，主要的技术集中在以下四个方面 1通过形成高质量低损伤的 a-Si 膜技术 ， 提高 a-SiH/ μ-Si 界面的钝化质量； 2提高 c-Si 表面凹凸构造的光封闭效果； 3降低对发电没有贡献的 a-Si 膜、透明导电膜的光吸收； 4表面集电极的细线化和低电阻化。5. 总结HIT 太阳能电池具有结构简单，低成本，吸引着许多科学家对其展开广泛的研究。本文对HIT 太阳能电池的结构，原理，制备工艺及其研究现状进行了简单分析， 总结了提高 HIT 太阳能电池效率的方法。致谢感谢国电光伏（江苏）有限公司所有的员工尤其是 ＨＩＴ 部门的成员对我工作的支持和帮助。 参 考 文 献[1] S. T aira, Yoshimine, T. Baba, et al. Our approaches for achieving HIT solar cells with more thean 23 efficiency. In G. Woleke, H. Ossenbrink, P. Helm. eds. Proceedomgs of the 22 nd European Photovoltaic Solar Energy Conference. Munich WIP-Renewable Energies, 2007, 932-935 [2] R.M. Swanson. Approaching the 29 limit efficiency of silicon solar cells. In Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Thirty-first IEEE. Floride Orlando, 2005, 889-894 [3] J. Pla, M .Tamasi, R. Rizzoli R, et al. Optimization of ITO layers for applications in a a-Si/c-Si heterojunction solar cell. Thin Solid Film, 2003, 425 185-192 [4] L. Zhao, Z. B. Zhou, H. Peng, et al. Indium tin oxide thin films by bisa magnetron rf sputtering for heterojunction solar cells application. Applied Surface Science, 2005, 252 385-392 [5] I. Usman, A. Supu, T. Winata, et al. Application of a-Si H in p-i-n Solar Cell by VHF-PECVD method. Indonesian Journal of Physics, 2004, 15 31-34 [6] Sanyo Electric Co., Ltd. Sanyo develops HIT solar cells with world ’shighest conversion efficiency of 23.0[EB/OL]. 2009-5-21 [2009-7-15]. http// us. Sanyo.com/News/Sanyo-Develops-HIT-Solar-Cells-with-Worlds Highest-Energy-Conversion-Efficiency-of-23 高效能的 HIT太阳能电池研究作者 刘绍欢作者单位 国电光伏 江苏 有限公司 江苏 宜兴本文链接 http//d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7485724.aspx