10001505_薄硅太阳能电池的性能研究

薄硅太阳能电池的电性能研究 何仁 1* 黄志平 1 韦德远 1 延小鹏 1 许颖 1 1 河北大学 物理科学与技术学院 光伏技术协同创新中心 摘要：本文研究了 P 型单晶硅（p-c-Si）在不同厚度状况下光吸收和扩散后的电学性能。 以 PC1D 软件对不同厚度硅片进行模拟，分析不同衬底厚度对电池性能的影响。利用酸湿法腐 蚀将 190 μm 原始单晶硅片进行减薄，测试不同厚度硅片的透射反射谱。经辊式陶瓷扩散炉扩 散后，通过 KOH 溶液去除富磷层。采用 Implied-Voc 对不同厚度扩散片进行少子寿命与开路电 压测试，分析表明薄硅片具有更高的开路电压。 关键词：晶体硅；PC1D；少子寿命；Implied-V oc 研究背景：晶体硅太阳能电池由于其性能稳定、原料储量丰富，至今仍在市场上占据主导 地位[1]，为了实现 “十三五规划 ”平价上网的目标，进一步降低电池制造成本与提升性能依然是 一重要课题。近年来，随着电池制造技术与手段的提升，晶体硅太阳能电池的衬底厚度可以降 低到了几百微米甚至几微米[2]。因此，薄硅电池凭借其轻型化、低成本、以及产品应用范围广 等特点，成为新的研究热点，电池厚度减薄至大约 100 μm 具有柔性，能应用于汽车，窗户玻 璃，军用帐篷，便携式移动电源等方面。Wolf 曾预言晶硅电池最优的厚度应该为 50-150 μm， 最高效率可达到为 25 %[3]，理论计算电池最优的厚度应该为 50-150 μm。当前 50μm 厚的晶硅 电池效率已经达到 19.1 %[4, 5]，与晶硅电池和 IBC 电池的最高效率 24.7 %和 26.6 %还有一定 的差距[6, 7]，但其拥有成本优势，柔性特点在使用中也相对灵活，所以薄硅电池仍值得去研究 [5, 8]。 实验核心内容：晶硅材料对光谱的吸收截止波长约 1100 nm，当波长小于 800 nm 时，光波 在极短的时间内被快速吸收，且吸收深度小于 10.0 μm。当波长在 800-1000 nm 范围内，吸收深 度为 10-100 μm，吸收程度适中[9]。针对波长 1000 nm 以上的长波，基本透过电池难以被吸收， 通常采用背面反射结构[10]来帮助吸收。传统的晶硅太阳电池正面采用陷光的金字塔或倒金字 塔结构[11]，最高可使电池片体内的光程增加到 4 n2[12]（ Lambert 极限，其中 n 为折射率，对 于晶硅材料而言，4 n2 ≈ 50)，进而使其吸光效果显著增强。薄硅电池尽管在理论上降低了长波 响应，但通过改变背面结构，长波响应可以得到改善。因而，对薄硅电池的研究以及逐步推向 产业化具有一定的价值。 实验过程：选用 CZ 生长、电阻率为 1-3 Ω cm，厚度为 190 μm，晶向（100）和面积为 44cm2 的 P 型金刚线切割的硅片。首先将硅片置于硝酸和氢氟酸的混合溶液中减薄至厚度为 60-180 μm，整个过程反应液水浴温度维持在 10 °C；随后将硅片用 10 %的 HF 溶液漂洗至表面 疏水，再进行小股 DI 水清洗以及氮气吹干。将预先所配置浓度为 3%的磷酸溶液，通过超声雾 化装置涂敷至硅片表面，时间为 3 min。雾化涂敷后在 100 ℃条件下烘干，之后立即放入辊式 扩散炉进行扩散，条件为 850 °C、20 min。扩散后采用 10 %的 HF 去除表面磷硅玻璃（PSG） ， 并测量其导电类型，最后将硅片置于 7.3 wt% KOH 溶液中调整腐蚀时间，直至方块电阻上升至 100 Ω/左右。 结果与讨论： 图 1 为柔性太阳能电池与减薄硅片图。图 2 为 PC1D 软件模拟下的不同衬底厚度电池的性 能参数，模拟条件为：P 型单晶衬底，电阻率 2 Ωcm，面积 236.8 cm2，发射极为 N 型掺杂浓度 为 21020 cm-3，结深 0.35 μm，方阻 100 Ω/。随着厚度的降低，开路电压（V oc）先升高后略微 下降，且在 100 μm 达到最大值，但电池的转换效率（PCE） 、短路电流（I sc）却一直下降，这 是由于当硅片厚度减小过程中，去除了表面损伤层的同时，少数载流子更容易在表面进行复合， 更薄的池其表面复合相对于体内复合而言具有更为显著的影响，有效少子寿命公式[13]如下 （1）1efbs 其中 ， ， 分别是是硅片的有效少数载流子寿命，体复合寿命，表面复合寿命。又efbs 1/ 正比于 2S/W，其中 S 为晶硅电池表面少数载流子的复合速率，W 为硅片的厚度。s 图 1 柔性太阳能电池与减薄硅片图 4080120160632.5.063.54.063.5 Voc (m) Thicknes (m) 4080120160767.8.08.2.4 Isc(A)Thicknes (m) 408012016079.6.80.8.20.48.6 F (%) Thicknes (m) 408012016020.521.021.52.0 Ef (%) Thicknes (m) (a) (b)(d)(c) 图 2 PC1D 模拟薄硅太阳能电池的性能参数： (a) Voc，(b) I sc，(c) FF，(d) PCE 图 3 为不同厚度的 p-c-Si 的光学性能。其中（a）为反射光谱， （b）为透射光谱以及（c） 为吸收光谱。由图 3（a）可知，光波长在 300-400 nm 时，不同厚度的硅片都有较大的反射率 偏差；在 600-800 nm 时各厚度梯度的反射率差异较小；当波长大于 900 nm 时随着衬底厚度降 低，反射率逐渐增大，这是由于硅片去重的增加表面更趋于平整，反射率增大。如图所示，透 射率在 800-1000 nm 光波范围逐渐增大，厚度越薄，透射率越严重，这与前文所描述的吸收深 度理论相符合。图 3（c）为吸收光谱曲线，在波长为 360 nm 左右有一个波动，证明了晶体硅 对紫外光和可见光吸收有界线。在波长大于 800 nm 情况下，p-c-Si 的吸收率逐渐减小，在光波 长在 1100 nm 达到最小值。实验结果表明硅片在短波和中长波均具有较高的吸收率，长波吸收 较弱，薄硅片在光波长 800 nm 以后才出现明显的吸收劣势，因此综合图 3（a）和 3（b） ，利用 反射结构增加长波的吸收是改善电池光学吸收的重要手段。 40608010253054050 Reflction (%)Wavelngth (m) 60 m8 1 20 4 m16 80 4060801010230450 Transmitance (%)Wavelngth (m) 60m8 1 20 4m16 80  4060801020406080 Absorptin (%)Wavelngth (m) 60m8 1 20 4 m16 80  (a (b(c) 图 3 未扩散前的（a）反射谱，(b) 透射谱， （c）吸收谱 图 4 为经辊式陶瓷扩散炉扩散后电池片的电学性能。如图 4（a）所示少子寿命随硅片变厚 而逐渐增大，但普遍较低。推测原因是原始扩散片，表面复合较大导致少数载流子寿命短，针 对这一现象采取了双面钝化，少子寿命得到了大幅度的提升，如图 4（b）所示，但厚度较薄的 硅片少子寿命相对较低。如图 4（d）所示，钝化后的 Implied-Voc 也得到明显的提升，薄硅片具 有更高的理想开路电压。这是由于不同厚度的硅片扩散后，具有相近的结区复合，非结区的体 复合会随着厚度的增加而增大，表现为饱和电流密度 J0随之减小，因此薄硅片具有更高的开路 电压。如公式（2）所示： （2）0lnscOCkTVq 其中 Voc为开路电压，n 为二极管理想因子，k 为玻尔兹曼常数，T 为温度，q 为电子电量， Jsc短路电流密度， J0暗态饱和电流密度。 (a) (b)60810214061804812620 Thicknes(m)Lifetm ( s) 60810214061804485256with pasivtonThicknes (m) Lifetm ( s)(c) (d) 60810214061805780590560 Thicknes(m)ImpliedVoc(m 608102140618026304650with pasivtonThicknes (m) Implied-Voc (m 图 4 扩散后电池片的少子寿命：（a）未钝化， （b）钝化后 扩散后电池片的 Implied-Voc：（ c）未钝化， （d）钝化后 结论： 本文将原始 190 μm 单晶 P 型片进行减薄，其不同厚度表现为不同的光吸收率，厚度越薄， 长波响应越差。扩散后的硅片少子寿命随厚度的增加呈现增大的趋势，但变化范围较小。经双 面钝化后，表面复合降低，少子寿命明显提升，有效少子寿命主要由体寿命决定。厚度的增加 体饱和电流也随之增大，因而薄硅片 Implied-Voc 更大。相信经背表面反射结构的设计后，长波 响应可明显增加，电池性能将进一步提高，结合其本身柔性、轻巧等特点，薄硅电池在市场上 有更为广泛的应用价值。 参考文献： [1] Andrew Blakers, Ngwe Zin, Keith R,et al. 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