太阳能电池发光效率的提高

1 太阳能电池发光效率的提高一、摘要随 着 化 石 能 源 的 日 益 枯 竭 、人 们 对 环 境 保 护 问 题 的 重 视 程 度 不 断 提高 , 寻 找 洁 净 的 替 代 能 源 问 题 变 得 越 来 越 迫 切 。 太 阳 能 作 为 一 种 可 再 生清 洁 能 源 , 并 可 持 续 利 用 , 因 此 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 , 光 伏 发 电 技 术 也 越来 越 受 到 人 们 的 关 注 。 为 了 能 使 光 伏 产 品 得 到 普 及 , 进 一 步 提 高 效 率 、降 低 成 本 是 光 电 池 的 发 展 趋 势 。提 高 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 , 降 低 成 本 , 关键 是 提 高 太 阳 能 的 利 用 率 , 而 聚 光 太 阳 能 电 池 能 有 效 提 高 电 池 转 换 效 率和 降 低 成 本 。 本 文 在 介 绍 了 多 种 提 高 太 阳 能 电 池 的 方 法 。 具 体 内 容 如下 : （ 1） 从 新型激光器激光器方面提高发光效率 [1][2] （ 2）从背面接触及参杂方面提高发光效率 [3] （ 3）从激光加工技术发面提高发光技术。 [4][5]二、绪论光伏（ PV）产业正面临着许多挑战，其中一个主要任务是降低太阳能电池或组件的成本，另一个挑战就是如何提高太阳能电池组件的效率。薄膜技术由于能够实现 最低的每瓦价格，似乎在降低成本方面占据优势； 而硅晶 （基于晶片） 太阳能电池则在提高效率方面略胜一筹。目前，商用单晶硅电池的效率能达到 12％～ 19％，当然距离 35％的理论目标值依然相差甚远。太阳能电池的损耗主要是由光反射、载流子复合、欧姆损耗、正面接触造成的阴影效应等原因造成的。新型太阳能电池采用了一些降低上述损耗的解决方案。三、正文3.1 太阳能电池加工工艺革新——萨克斯的发明一般工业晶体硅太阳能电池的光电转换效率为 14%~16%, 而采用新的激光加工技术能提高太阳能电池的光电转换效率。德国某研究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺 , 即背交叉单次蒸发 ( RISE) 工艺。辅以激光加工技术 , 用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率达到 22%。激光加工技术是RISE 加工程序中最关键的技术。 目前 , 很多厂家都利用激光加工技术生产硅太阳能电池。 如采用激光刻槽埋栅极技术 , 也就是说利用激光技术在硅表面上刻槽 , 然后填入金属 , 以起到前表面电接触栅极的作用。与标准的前表面镀敷金属层相比 ,这种技术的优点能减少屏蔽损耗。另外一种被称之为发射区围壁导通 ( emitter wrapthrough) 2 技术。用激光在硅晶片上钻通孔 , 高掺杂壁将发射区前表面的电流传导到背表面的金属接触层 , 因而能进一步降低屏蔽损耗 , 提高光电转换效率。据美国“技术评论”网站报道，麻省理工学院（ MIT ）科学家萨克斯等，发明了一项技术，可以制备很细的银丝——其直径只有太阳能电池通常使用的银丝的五分之一，而且提高了导电率。银丝越细，制造成本就越低。同普通银丝相比，细银丝可以更紧密地排列，彼此的间隔更小，这使得银丝采集电流的效率更高。再通过一套宽平的金属条来汇集细银丝传来的电流。通常，这些金属条会阻碍光线进入太阳能电池，从而使电池效率下降。但萨克斯通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了与在硅板表面增加纹理一样的效果。虽然这道工艺步骤会使生产成本增加，但银的用量减少了，两者可以抵消。同时发明这项技术的萨克斯还发明了另外还发明了两项技术：首先，在太阳能电池表面增加纹理，使硅板能吸收更多的光。当光线进入电池时，粗糙的表面使得光线发生弯曲，当光线到达电池的背面时，它不会被直接反射出去，而是被小角度反弹回，从而驻留在硅太阳能板里。光线在硅板里停留的时间越长，它被吸收而转换成电能的几率就越大。这项技术曾在单晶硅太阳能电池上使用，但此前在多晶硅电池上还很难实现。其次另一项发明是使用一套宽平的金属条来汇集通过细银丝传来的电流。通常，这些金属条会阻碍光线进入太阳能电池，从而使电池效率下降。但萨克斯通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了与在硅板表面增加纹理一样的效果。3.2 聚光技术使用聚光光学元件形成聚光光伏电池，极大提高光电转换效率、减小电池使用面积，同时由于小尺寸电池可以利用现有集成电路制作工艺来加工，从而使太阳能光伏发电总体成本大幅度降低。聚光是降低光伏电池利用总成本的一种措施。通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内形成“焦斑”或“焦带”，并将光伏电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能密度低的缺陷，获得更多的电能输出。 未来的发电模式应该是 “价廉物美的聚光光学元件 +高转化效率光伏电池” 。 进入 90 年代后， 聚光光伏发电系统开始慢慢被商业应用， 并形成了一些有影响力的公司。美国某公司研发的集成高效率聚光硅光伏电池发电系统3 (IHCPV)，已经应用到很多场所。该系统的核心技术是： 10 mm点接触绒面硅光伏电池的光电转换效率高达 25％ ~27％； 所使用的聚光式菲涅耳透镜由普通丙烯酸塑料模压制成，制造简单，价格便宜。因此，集成高聚光光伏技术是现有实用的各种光伏技术中发电成本最低的一种。德国某公司于 2008 年进行聚光光伏系统模型试验，其聚光系统采用的是FLATCON 聚光模块， 实质上就是由玻璃注塑成型的菲涅尔透镜， 聚光比为 500， 采用了电路板工艺和绝缘玻璃技术，使成本效益相对合算并且多年内系统仍可保持性能稳定可靠，示范模型的效率高于 27％。3.3 新型激光器提高硅太阳能电池的效率与生产能力3.3.1 背面接触以典型的太阳能电池为例，正面前接触布线占去多达 10％的总面积，在光活性区形成阴影，导致电池输出降低。如果在太阳能电池背面布线，就可以减小这种阴影 效应，而“金属穿孔卷绕”（ MWT）技术和“发射极穿透”（ EWT）技术能够实现这一点。这两种技术都需要在 160～ 200μ m 厚的硅片上钻出 50 ～ 100μ m 大小的通孔。背接触可从背面和正面双面集电（见图 1）。这不但有利于电池的电气连接，而且由于背面接触不再受阴影效应的限制，从而降低了 电阻（欧姆）损耗。图 1： MWT（金属穿孔卷绕）电池将发射极从正面“卷绕”至背面。完全背面布线是一个技术优点，卷绕的正面接触能占用更大面积。MWT 技术通常需要在 1 ～ 2 秒钟内钻出约 100 个孔；而对于 EWT 技术，孔的尺寸要小些，但是要以同样的速度钻出约 1 万个孔。目前的激光技术能够满足这两种4 技术的要求，但是市面上能够看到的 MWT 太阳能电池的数量还很少。商用 MWT 电池的效率比传统电池的效率大约高 1％。 要获得较高的生产能力， 一个关键因素是要在全部激光参数和聚焦条件，以及激光触发与光束偏转的同步之间确定最佳组合。众所周知，脉宽约 100ns 时，激光在硅中能够达到最佳烧蚀速度（从而具有最快的钻孔速度） 。 [1] 应用工程师强烈渴望在工艺中有这样一个激光源， 能够独立于重复频率和脉冲能量之外来调节脉宽。面对这种需求， Jenoptik 公司推出了一款名为JenLas disk IR50 的激光器。 Jenoptik 公司系统地研究了 IR50 激光器在 MWT 钻孔方面的性能。在大约 1500ns 的最佳脉宽下，只需要 5～ 7 发激光脉冲就可以完全钻通厚度为 180μ m 的硅片（见图 2）。如果进一步提高激光功率，所需的激光脉冲可以减少到 3～ 4 发。图 2： IR50 激光器的硅片钻孔性能，图中显示了钻通厚度为 160～ 300μ m 的硅片时所需要的激光脉冲数钻孔后， 接下来的步骤是受损刻蚀和镀氮化硅 （ SiN） 膜层， SiN 膜被广泛用作增透膜和钝化层。由于 SiN 是电绝缘的，因此在必须再次将其去除，才能对电接触进行丝网印刷。 [2],[3] 切 割过程中的热效应将会在块状硅（ bulk silicon ）中产生复合中心，而这是必须要避免的。避免其产生的最佳方式是使用飞秒激光脉冲，在这种情况下即使在激光切割之后，也能保持微观棱锥结构 （见图 3）。研究人员也使用皮秒激光器进行了实验，但结果显现出了一些熔化效应。5 图 3：显微照片所示的是氢氧化钾刻蚀后的 c-Si 表面结构。单点飞秒激光加工（圆点）没有产生熔化效应，保持了原有结构。3.3.2 选择性掺杂除了采用背面接触方法外，还有其他方法提高电池效率。在正面和背面接触的传统电池结构框架下， 激光扩散或激光掺杂在晶硅太阳能电池制造中是一个 “热门”话题。 所谓的硅 “选择性掺杂” ， 能够降低接触指下块状硅材料的电阻 （欧姆损耗） 。这种方法能将电池的绝对效率提高 0.3 ％～ 0.5 ％。 在该加工过程中， 在硅材 料被激光熔化的位置，磷涂层从表面扩散到块状硅中。这个位置与随后接触指所在的位置是一致的。例如，与未经处理区域 120～ 150ohm/sq 的损耗相 比，激光处理区域的表面电阻能大幅降低到 20ohm/sq 四、结论从电池本身和外界两方面提出集中提高光电转化效率的方法，其中的有些方法可行性较高，例如新型激光加工技术方法，但还有一些方法只适用于实验室阶段，无法得到大规模应用，总之要提高太阳能电池转化效率，还有很多问题要考虑和解决。五、参考文献[1] 期刊论文 提高太阳能电池效率的主要措施 - 电器工业 - 2009(12)[2] 会议论文 提高光伏太阳能电池效率的几种途径 中国兵工学会 2009 年光学与光电技术交流会 - 2009 [3] 期刊论文 太阳能电池效率的上限或被突破 - 技术与市场 - 2010, 17(12) [4] 期刊论文 提高太阳能电池效率的主要措施 - 光源与照明 - 2009(4) [5] 期刊论文 “ 光导管 “ 提高有机太阳能电池效率 - 科技创业 - 2010(7)