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适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池 潘振-，呼文韬，，王寅-，郭林，付增英1 1．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_rM 91 4 文献标识码A 文章编号1 002087201 608一仃2204 Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehicle PAN Zhenl，HU Wen-ta01，WANG Yinl，GUO Lin2，FU Zeng-yin91 “．TianjiaInstituteofPowerSources,Tianjin300384,China；2．ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,BoijingjODD74，凸jn砂 AbstractThe 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 and application 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 wordsmonocrystalline 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【u。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 EIC意为叉指型背接触Interdigitated Back Contae0，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[2-61。如图l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SiO、 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 收稿日期2016们一28 作者简介潘振198卜。男．天津市人，硕士，工程师．主要研究 方向为太阳电池。 201 6．8 V01．40 No．8 一1rr n’2女f～ N；，； n士击i一 ’j圳 一 ‘广一P_1- _ _ 矗 一■I 舍茂电啦i Si02 电极蠢是周期．．． 圈1 IBC太阳电池结构 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。背面钝化层可采用灿20，或Si02 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 1 722 万方数据 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％圈。Sun_Power公司是最知名的mC太阳电池生产商，电 极采用电镀工艺，实验室效率高达25％网，该公司已为国际上 多架太阳能飞行器和赛车提供mc电池。[BC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 10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 Ixm、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1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 am作为发射区和背面的妇型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，具有对称的结构川 图2。 p基db．5／ 一001 um＼ 曼本征棚一 ’oOl u．T． ＼ n星．si， 一0 01m 图2 HIT太阳电池结构 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Si02、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V0，为提高HIT电池光 电转换效率创造了条件M。 太阳电池K越高，输出性能的温度依存性越小。高V。的 HIT电池具有较低的温度系数，通常为一O．25％／C，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IECVDI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。 图3 可弯曲的薄型HIT太阳电池 2013年报道了松下／三洋公司研制的101．8 c耐的HIT 电池效率为24．7％191，峥750 mV其他参数七．39．5 mA／en】2， FF0．832，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HITmC的太阳电池【堋。 2014年日本松下／三洋公布了其研发成果，143．7 c．n12面 积的I-IBC太阳电池效率达到了25．6嘣ul，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型单晶硅电池倒毗【珐川，面积4 cnl2，效率24．7％1阐，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． 絮■I露鎏翼 型I事叠．囊＼ -型．cz冀■硅I已峨 』毒ib’I寻_矗，车岛互J‘囊似-{P骱曩j一’1‘一101弋厨诵而雨函氟函丽 皂／-壶．．囊蛐碍1鲨二二～二二二j 图4 HBC太阳电池结构 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IA3电子等公司。夏普公布了小面积3．72锄2HBc电 池效率达到25．1％On。目前I-IBC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Passivated Emitter and Rear CellOq。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。 1 723 201 6．8 V01．40 NO．8 万方数据 上电lE幡毒壬手蒈坷 SiNx r谡垮射枷 型蝎硅基区 SiNx妻层 图5 PERC太阳电池结构 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S淞1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Si02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AI DAJA和PECVD制备SiNx双层介质膜进 行背表面钝化吁嘲。ALD制备的舢203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．、m20，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ira-m。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。 键电撮、 钝化月工藏反层月／霄接麓 -__-∈Ab仉钝化艋 m电矗霄薹簟层 瑚电麓g- siNI 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 201 6．8 V01．40 No．8 ～■■ 效单晶硅太阳电池组件 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l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。 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 P型PERL25％UNSW 普通P型单I诮硅18％一19％ D开口DED r、 ’I 10‘，c．1。“l，nrIA、 D刑DEDrl 1nOA～nlo‘ N型IBC--25％SunPower N型IBC21％23％ KI井U urr ’■10L／D；，、 N型HIT20．5％22％ N型HBC25．6％Panasonicl 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。 1 724 万方数据 太阳电池发展之初主要应用于航天领域。1963年Boll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pol，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[2J】，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． 1ective EmitterPA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 [2】 [3] [4】 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，2015，394864-870． GLUNZ S W．New concepts for highe伍ciency silicon solar cells 『J1．Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，903276．3284． COUS玳S P J，SMnH D D，HSⅡq．C卸[A0 L，et a1．Generation 3 Improved performance at lower cost fCl／／Photovoitaic Specialists Conferencepvsc。35th mEE．Hawai，USAIEEE，2010275．278． GALBI』VⅡG，MⅡ{AⅡETCHI V D，ROSESCU R，ct a1．Large-area back-contact back-junction solar cell with efficiency exceeding 21％ [J]．IEEE J Photovoltaics，2013，31560-565． 【5】FRANKLIN E，FONG K C，MCINTOSH K K et 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