硅太阳能电池关键技术研究_16_20

9我国对太阳能电池的研究起步于 1958 年， 1959 年第一次研制成功了有实用价值的太阳能电池， 20 世纪 80 年代末期，先后引进了国外多条太阳能电池生产线、使我国太阳能电池生产能力由原来的 3 个小厂的几百 KW 提升到 4 个厂的 4.5MW并一直持续到 2002 年。从 2003 起我国太阳能电池行业以超常速度发展，年增长率达到 100%-300%。2005 年我国共有 12 家公司生产太阳能电池，生产太阳能电池 145.7MW 。欧洲市场特别是德国市场的极具放大和无锡尚德太阳能电池有限公司的迅猛发展给我国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。无锡尚德太阳能电池有限公司是我国最大的太阳能电池生产厂家， 2005 年生产 82MW ，占全国总产量的 56.3%,占晶体硅太阳能电池的 61.7%，在短短的 3 年时间，我国太阳能电池生产产量从2002 年占世界产量 1.07%到 2005 年的 8%[31] 。 2005 年底，国内太阳能电池产能已超过 300MW， 2006 年已经超过 800MW ，但由于硅材料短缺，生产能力有限，实际产量远低于设计产能，其中无锡尚德太阳能电池有限公司的产能 2005 年末已达 120MW ， 成功步入世界前八强， 拥有 6％的市场份额， 同年 12 月在纽约证交所上市以及 2006 年签订 60 亿美元的材料供货合同， 现已并购日本 MSK 公司成为我国光伏产业走向国际化的标志 [31] 。 2007 年，尚德太阳能电池有限公司已成为全球第六大生产商。 南京中电太阳能公司的产能也由 2004 年的 30MW 增加到 100MW ，国内总产能占全球的 16.7%， 我国已经称为世界光伏产业中的重要力量。 在制造技术方面，硅片厚度已经从最初的 370um 减薄到 180um，仍能保持较高的成品率，效率也有所提高，多晶硅太阳能电池产业化转换效率已达到 14－ 15％，有的已经能达到 16％的产品，单晶硅太阳能电池产业化转换效率已普遍达到 16－ 17％，有的已经能达到 18％的产品。1.3 利用异质结制备太阳能电池的研究现状和发展趋势 自从 1839 年发现光生伏特效应以来， 对太阳光的利用逐渐走进了人们的生活，人们利用太阳能的光生伏特效应，将太阳能转化为电能，既节省了成本又保护了环境。早期对太阳能电池的研究主要是基于对硅材料和各种薄膜材料的研究。如10单晶硅、多晶硅、 ZnO、 TiO2、非晶硅薄膜等。随着异质结结构优异的光电特性的发现， 人们开始研究利用异质结的结构取代同质 P-N 结的结构来制作太阳能电池，取得了良好的成果。20 世纪 80 年代，双异质结结构太阳能电池被提出， 1992 年，据报道 [32] 具有p-type nc-SiC/n-type poly-Si/n +-type nc-Si 双异质结结构太阳能电池转换效率达到17.2%。1992 年， 日本的 W. Ma， H. Okamoto 及 Hamakawa 制作了光电转换率为 17.2%的双异质结结构（ p-type nc-SiC/n-type poly-Si/n+-type nc-Si）太阳能电池 ,其以这种概念为基础，自 1997 年以来， HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer 本征薄膜异质结 )太阳能电池被广泛研究。这种 HIT 结构型太阳能电池 2006 年光电转换效率已经达到 21.6%（ 100cm2） ，这一产品已在 2005 年达到批量生产 [33-34] 。1994 年 SANYO 等研制了一种转换效率大于 20％的高转换效率的异质结太阳能电池 [36] 。 这种太阳能电池是在一种 N 型的卓克拉尔斯基质地粗糙的 Si 吸收体上制备的。该太阳能电池结构中具有一个本征掩埋层，当掩埋层反型时，由于晶片表面钝化将导致接片特性提高，因此该异质结太阳能电池具有较高的转换效率。1995 年， Yu 等人 [35] 报道了聚合物本体异质结太阳能电池，该太阳能电池以C60 作为电子受体，转换效率大 2.9%。2002 年德里大学的 Krishna 等人研制出了 n-C/P-Si 异质结太阳能电池 [36] ，该太阳能电池是利用樟脑碳作为基底。在入射光波长为 600nm 时，该异质结太阳电池的理论计算最大转换效率为 34%；同样的入射波长时，在实验室条件下，该异质结太阳能电池的最大转换效率为 25%。该异质结太阳能电池结构示意图和 I-V特性曲线如图 1-1 和 1-2 所示。112006 年北京半导体研究所的许莹，胡志华等人在 P 型硅片上淀积氢化纳米 N型晶体硅薄膜制备出了一种异质结太阳能电池 [37] 。 该异质结太阳能电池结构如下，Ag(100nm)/ITO(80nm)/n-nc-Si:H(15nm)/a-Si:H/p-c-Si(300um)/Al(200nm) ，其中只用了一个非常薄的本征 a－ Si:H 掩埋层来钝化 p 型的单晶硅表面，然后采用 PECVD技术来淀积纳米硅薄膜，这样的结构使得该异质结太阳能电池具有较高的转换效率，面积 2.43cm2 的转换效率就已经达到 14.1％。该异质结太阳能电池的 J-V 特性曲线如图 1-3 所示。图 1-2 n-C/P-Si 异质结的 I－V 特性曲线 [36]Fig.1-2. The I-Vcharacteristic of n-C/p-Si heterojunction 图 1-1 n-C/P-Si 异质结太阳能电池的结构示意图 [36]Fig.1-1.Schematic cross-sectional viewof the n-C/p-Si photovoltaic solar cell 122007 年日本的 Hamakawa Yasumusa等人使用本征薄层异质结结构制备的 HIT异质结太阳能电池 [38] ，其转换效率已经达到 22.3%，为目前 HIT 太阳能电池中的世界最高转换效率。这种电池的高转换效率主要是由于 a-Si:H/c-Si 异质结界面特性和光电限制的提高。 这种优异的 HIT 结构使 VOC 超过 0.720V,并使该异质结太阳能电池具有更好的温度特性 ,其 I-V 特性曲线如图 1-4 所示。图 1-3 具有表面本征 a－ Si:H 掩埋层的 n-nc-Si/p-c-Si 异质结太阳能电池的J-V 特性曲线，其面积为 2.34cm2[37]Fig.1-3. Light J-V curve of a n-nc-Si/p-c-Si solar cell solar cell with an a-Si:Hbuffer layer at the heterojunction interface, on an area of 2.34cm 213综上所述，异质结太阳能电池的研究从很早就已经起步了，而且近年来研究成果也比较显著，而且它可以大面积制造、转换效率高、价格低、稳定性好，在太阳能电池中具有巨大的潜力。1.4 太阳能电池的应用 近年来，光伏发电产业成为全球飞速发展的朝阳产业，光伏效应带来的经济效应也是显著的。太阳能电池最早的应用领域是作为人造卫星的电源，多采用高效的单晶硅电池， 1958 年在人造卫星上首次被使用， 1971 年我国成功地将其应用于东方红 2 号卫星上，前不久发射的神州 7 号载人飞船也是由太阳能电池供电的。现在太阳能电池为越来越多的民用发挥了巨大的作用，在长三角地区和广东等沿海试点示范区，实现大规模的并网发电，取得了理想效果，既缓解了当地电力供应的紧张局面又保护了环境，随着大量住宅小区以及居住城市的建设，集中并网型太阳能光伏系统将会得到应用和普及；西部边远地区，太阳能有望解决长期生活供电难的图 1-4 具有世界最高的稳定的转换效率为 22.3%的 HIT 太阳能电池的 I-V 特性曲线 [38]Fig.1-4. Illuminated I-V characteristics of the HIT solar cell with the world ’ s highestconfirmed conversion efficiency of 22.3%