晶硅太阳能电池及前沿技术

1.1.1 晶 硅太阳能电池特点晶硅电池包括单晶硅和多晶硅， 在硅系列太阳能电池中， 单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的， 技术也最成熟， 在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位。 虽然晶体硅太阳能电池被广泛应用， 但晶体硅的禁带宽度 Eg=1.12eV，太阳能光电转换理论效率相对较低；硅材料是间接能带材料，在可见光范围内，硅的光吸收系数远远低于其它太阳能光电材料， 如同样吸收 95％以上的太阳光，GaAS太阳电池只需要 5～ 10μ m，而硅太阳电池在 150～ 200μ m以上，才能有效地吸收太阳能； 高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。 提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。 由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响， 致使单晶硅成本据高不下； 硅太阳电池尺寸相对较小， 若组成光伏系统， 要用数十个相同的硅太阳电池连接起来，造成系统成本较高。这些因素严重影响了其广泛应用。为解决单晶硅太阳能电池的制造过程复杂、 能耗大的缺点， 用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。 但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。但多晶硅太阳能电池经过不断的努力， 目前其能量转换效率与单晶硅太阳能电池已基本上在同一个数量级。 特别是多晶硅电池可以制成方形， 在制作太阳能电池组件时面积利用率高。 今后， 在如何开发新技术以得到低价格的多晶硅材料， 如何得到高效率、大面积多晶硅太阳能电池等方面还有许多工作可做。1.1.2 晶 硅太阳能的发展趋势高效电池是光伏的突围之匙， 近年来晶硅太阳能电池的转换效率取得重大进展， 浆料及丝网印刷技术进步最快； 但随之而来的是银的消耗日益突出， 其成本已占到电池成本的 17%左右，如 图 2－ 1 为量产太阳能电池的转换效率。图 2－ 1 量产太阳能电池的转换效率晶体硅电池发展的趋势是低成本、 高效率， 这是光伏技术的发展方向。 低成本的实现途径包括效率提高、 成本下降及组件寿命提升三方面。 效率的提高依赖工艺的改进、 材料的改进及电池结构的改进。 成本的下降依赖于现有材料成本的下降、 工艺的简化及新材料的开发。 组件寿命的提升依赖于组件封装材料及封装工艺的改善。 因而， 晶体硅电池发电的平价上网时间表除了与产业规模的扩大有关外，最重要的依赖于产业技术（包括设备和原材料）的改进。仅靠工艺水平的改进对电池效率的提升空间已经越来越有限， 电池效率的进一步提升将依赖新结构、 新工艺的建立。 具有产业化前景的新结构电池包括选择性发射极电池、 异质结电池、 背面主栅电池及 N型电池等。 这些电池结构采用不同的技术途径解决了电池的栅线细化、 选择性扩散、 表面钝化等问题， 可以将电池产业化效率提升 2～3 个百分点。为了进一步降低成本、 提高效率， 各国光伏研究机构和生产商不断改善现有技术， 开发新技术。 如新南威尔士大学研究了近 20 年的先进电池系列 PESC、 PERC、PERL电池， 2001 年， PERL电池效率达到 24.7 ％，接近理论值，是迄今为止的最高记录。后来由此衍生了南京中电的 SE电池与尚德的 PLUTO电池， PLUTO电池的本质即是将实验室 PERL电池进行量产， SE电池可以算是尚德 PLUTO电池的一个简化版， 它们都是从 PE系列电池演变而来， 因为无论是 PESC、 PERC， 还是 PERL电池均含有 SE电池最典型的选择性发射极技术， SE技术只选取 PE系列收益最明显、同时产业化相对容易的前表面结构部分。相对于尚德 PLUTO是对 PERL技术的“高仿”电池，中电 SE电池可视为“低仿”，如 图 2－ 2 PERL 电池结构是 PERL电池结构图。图 2－ 2 PERL 电池结构PERL电池具有高效率的原因在于：(1) 电池正面采用“倒金字塔”，这种结构受光效果优于绒面结构，具有很低的反射率，从而提高了电池的短路电流 JSC. (2) 淡磷、浓磷的分区扩散。栅指电极下的浓磷扩散可以减少栅指电极接触电阻；而受光区域的淡磷扩散能满足横向电阻功耗小，且短波响应好的要求 ; (3) 背面进行定域、小面积的硼扩散 P+区。这会减少背电极的接触电阻，又增加了硼背面场， 蒸铝的背电极本身又是很好的背反射器， 从而进一步提高了电池的转化效率 ; (4) 双面钝化。发射极的表面钝化降低表面态，同时减少了前表面的少子复合。 而背面钝化使反向饱和电流密度下降， 同时光谱响应也得到改善； 但是这种电池的制造过程相当繁琐， 其中涉及到好几道光刻工艺， 所以不是一个低成本的生产工艺。其他如 SunPower公司开发出一种采用丝网印刷工艺的低成本背面点接触电池， 效率已达 22%； 三洋公司生产的 HIT 电池， 研发效率可达 23.7%； 德国 Konstanz ISEC采用 n 型 ZEBRA IBC 技术研发的双面电池得到了 21.1%效率， 背面的光照可得到 20%额外的输出功率。太阳电池硅片技术发展趋势是薄片化， 降低硅片厚度是减少硅材料消耗、 降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施， 是光伏技术进步的重要方面。 30 多年来，太阳电池硅片厚度从 70 年的 450～ 500μ m 降低到目前的 150～ 180μ m，降低了一半以上， 硅材料用量大大减少， 对太阳电池成本降低起到了重要作用， 是技术进步促进成本降低的重要范例之一，如图 2－ 3 普通硅太阳能电池的多种损失机制显示了太阳电池硅片厚度的降低。表 2－ 1 太阳电池硅片厚度的降低1.1.3 晶 硅太阳能电池转换效率的损失机理太阳能电池转换效率受到光吸收、 载流子输运、 载流子收集的限制。 现有的影响太阳能电池效率的因素主要有电学损失和光学损失， 光学损失主要是表面反射、 遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性； 电量转换损失包括载流子损失和欧姆损失。 太阳光之所以仅有很少的百分比转换为电能， 原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流， 晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合， 在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子—空穴对， 余下的能量又被转换为未利用的热量， 光的反射引起阳光中的一部分不能进入电池中。如硅的带隙 Eg=1.12eV，对应波长大于1.1 μ m的光透过， 不能被吸收； 波长小于 1.1 μ m的光子能量如果大于 Eg， 一个光子只产生一个电子， 多余能量不能利用， 以热的形式损失； 硅表面反射率 35%，造成较大的反射损失； 其他如二极管非线性损失、 复合损失、 接触电阻损失都造成硅电池效率的下降。 对于单晶硅硅太阳能电池， 转换效率的理论最高值是 28%。只有尽量减少损失才能开发出效率足够高的太阳能电池。 影响晶体硅太阳能电池转换效率的原因主要来自两个方面，如图 2－ 3 所示： （ 1）光学损失，包括电池前表面反射损失、接触栅线的阴影损失以及长波段的非吸收损失。 （ 2）电学损失， 它包括半导体表面及体内的光生载流子复合、 半导体和金属栅线的接触电阻， 以及金属和半导体的接触电阻等的损失。 这其中最关键的是降低光生载流子的复合， 它直接影响太阳能电池的开路电压。 光生载流子的复合主要是由于高浓度的扩散层在前表面引入大量的复合中心。 此外， 当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时， 背表面的复合速度对太阳能电池特性的影响也很明显。图 2－ 3 普通硅太阳能电池的多种损失机制1.1.4 提 高晶硅太阳能电池转换效率的方法围绕提高晶硅太阳能电池的转换效率，目前正在采用的有效技术有：1、优化晶体硅材料：太阳电池的效率与硅材料的电阻率及少子寿命有着极其密切的联系，理论和实践都证明 0.5 － 3Ω · cm左右的工业生产直拉单晶硅片及铸锭多晶硅片都可以有很好的效果。 为了降低光致衰减， 目前单晶有向高电阻率发展的趋势。2 、高方阻技术：采用均匀高方阻技术，高方阻 PN结具有高表面活性磷浓度、低非活性磷浓度、深结的特点。3、先进的金属化技术：金属栅线由不透光的银颗粒及玻璃体组成。为了降低栅线遮挡造成的电池效率损失， 可以缩小细栅的宽度、 采用超细主栅或无主栅、 背面接触、栅线内反射、选择性扩散技术、激光刻槽埋栅电池。4 、 光陷阱结构： 一般高效单晶硅电池采用化学腐蚀制绒技术， 制得绒面的反射率可达到 10％以下。目前较为先进的制绒技术是反应等离子蚀刻技术（ RIE） ，该技术的优点是和晶硅的晶向无关，适用于较薄的硅片。5、减反射膜：它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。 单晶硅电池一般可以采用 TiO2、 SiO2、 SnO2、 ZnS、 MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至 2％左右。6、钝化层：钝化工艺可以有效地减弱光生载流子在某些区域的复合。一般高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。7、增加背场：如在 P 型材料的电池中，背面增加一层 P+浓掺杂层，形成 P+/P的结构，在 P+/P 的界面就产生了一个由 P区指向 P+的内建电场。由于内建电场所分离出的光生载流子的积累， 形成一个以 P+端为正， P 端为负的光生电压， 这个光生电压与电池结构本身的 PN结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压 Voc。同时由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流 Jsc也就得到提高。8、改善衬底材料：选用优质硅材料，如 N型硅具有载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。进一步提高硅电池效率的一些技术方法有 1. 电池背表面的钝化和 PERC技术2. 三氧化二铝膜对 P 型表面的钝化 3. 增加光谱的吸收范围 4. 用离子注入来改善发射结的性能等。