HIT太阳能电池的发展概况.pdf

H IT 太阳能电池的发展概况 *史少飞 1, 2 , 吴爱民 1, 2, 3, 张学宇 1, 2 , 姜 辛 1, 4( 1 大连理工大学 材料科学与工程学院 , 大连 116024; 2 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室 , 大连 116024;3 辽宁省太阳能光伏系统重点实验室 , 大连 116024; 4 德国锡根大学材料工程学院 , 德国 锡根 57056)摘要 阐述了异质结 ( HIT )太阳能电池的结构与特征 , 并从异质结能带结构的优 化 、 非 晶硅层的制 备方法 、 背面场 (BSF) 的研究 、 衬底材料的选取以及发射极材料的革新等方 面综述了 H IT 太阳能电池的技术发展状况 。 概 述了HI T 电池的产业化应用研究现状 , 并展望了 H IT 太阳能电池的未来发展趋势 。关键词 H IT 太阳能电池 异质结结构中图分类号 : TM 615 文献标识码 : AOverview of the Development of HIT Solar CellsSHI Shaofei1, 2, WU Aimin 1, 2, 3 , ZHA NG Xueyu 1, 2, JIANG Xin 1, 4( 1 School of M aterials Scienceand Engineering, Dalian Univer sity of T echnology, Dalian 116024; 2 K ey Laborat ory ofM aterials M odification, Dalian Univer sity of T echnology, Dalian 116024; 3 K ey L aboratory of Solar Photovoltaic Systems,L iaoning Province, Dalian 116024; 4 Institut eof M aterials Engineering, Siegen Universit y, Siegen 57076, G ermany)Abstract T he structur e and characteristics of HIT solar cells are intro duced and summarized the status oftechnology development f rom the aspects below: the opt imization of hetero junction band str ucture, the preparat ionmethod of amorphous silicon layer, the study of the back surface field, t he selection of subst rate mat erial and the inno-vations of emitter mater ial. A t last the status of their indust rializatio n and prospects of the H IT solar cells have beenreviewed.Key words H IT , solar cells, hetero junctio n str uctur e* 表面工程技术国家级重点实验室基金 ( 9140C540105080C5402) ; 中央高校基本科研业务费专项资金 资助 ( DU T 10JN08)史少飞 : 男 , 1986 年生 , 硕士生 , 主要从事异质结太阳能电池研究 E- mail: shaofeishi@ 126. com 吴爱民 : 通讯作者 , 1973 年 生 ,博士 , 副教授 , 主要从事薄膜太阳能电池研究 E- mail: aimin@ dlut. edu.cn0 引言能源危机和环境污染问题促进了清洁能源的广泛研究与应用开发。太阳能光伏发电是一种利用光伏效应将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术 , 因具 有资源充足、 清洁、 安全、 寿命长等优点 , 被认为是最有前途的可再生能源技术之一 , 已成为可再生能源技术中发展最快、 最具活力的研究领域。目前国际光伏市场上的太阳能电池主要有晶体硅 (包括单晶硅、 多晶硅 ) 、 非晶 /单晶异质结 ( H IT ) 、 非晶硅薄膜、 碲化镉 ( CdTe)薄膜及铜铟硒 ( CIS) 薄膜太阳电池等。其中商品化的晶体硅太阳能电池仍占主流 , 其光电转化效率已达 25%, 但受到材料纯度和制备工艺限制 , 很难再提高其转化效率或降低成本 ; 而非晶硅太阳能电池虽然能大面积生产 , 造价又低廉 , 但其转换效率仍比较低 , 并且稳定性差。为了降低成本同时保持高转换效率 , 近年来 H IT 电池得到了迅速的发展。这种异质结结构的电池是综合两者优点充分发挥各自长处的最佳设计。本文介绍了 H IT 电池的结构与特点 ,综述了 HIT 电池的发展现状 , 并对 H IT 电池的未来进行了展望。1 H IT 太阳能电池的结构与特点1. 1 H IT 太阳能电池的结构图 1 为 H IT 太阳能电池的基本构造 , 其特征是以光照射侧的 p-i 型 a-Si H 膜 ( 膜厚 5~ 10nm) 和背面侧的 -i n 型 a-Si H 膜 ( 膜厚 5~ 10nm) 夹住晶体硅片 ,在两侧的顶层形成透明的电极和集电极 , 构成具有对称结构的 H IT 太阳能电池 [1, 2] 。图 1 HIT 太阳能电池结构示意图Fig. 1 The structure schematic of HIT solar cell130 材料导报 A: 综述篇 2011 年 7 月 ( 上 ) 第 25 卷第 7 期1. 2 H IT 太阳能电池的特点( 1) 低温工艺HIT 电池结合了薄膜太阳能电池低温 ( 900 ) 扩散工艺来获得p- n 结。这种技术不 仅节约了 能源 , 而且 低温环 境使得 a-Si H 基薄膜掺杂、 禁带宽度和厚度等可以较精确控制 , 工艺上也易于优化器件特性 ; 低温沉积过程中 , 单晶硅片弯曲变形小 ,因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值( 约 80 m) ; 同时低温过程消除了硅衬底在高温处理中的性能退化 ,从而允许采用 低品质 的晶体硅甚至多晶硅来作衬底。( 2) 高效率HIT 电池独有的带本征薄层的异质结结构 , 在 p- n 结成结的同时完成了单晶硅的表面钝化 , 大大降低了表面、 界面漏电流 ,提高了电池效率。目前 H IT 电池的实验室效率已达到 23%[ 3] , 市售 200W 组件的电池效率达到 19. 5% [ 2] 。( 3) 高稳定性HIT 电池的光照稳定性好 , 理论研究表明非晶硅薄膜 /晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现 Staebler-Wronski 效应 , 从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照而衰退的现 象 ; HIT 电 池 的温 度 稳 定性 好 , 与 单 晶硅 电 池- 0. 5%/ 的温度 系数相比 , H IT 电池的温度系 数可达到- 0. 25%/ , 使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出 [ 4] 。( 4) 低成本HIT 电池的厚度薄 , 可以节省硅材料 ; 低温工艺可以减少能量的消耗 , 并且允许采用廉价衬底 ; 高效率使得在相同输出功率的条件下可以减少电池的面积 , 从而有效降低了电池的成本。2 HIT 太阳能电池的发展现状2. 1 H IT 太阳能电池的技术发展状况1990年 ,日本 Sanyo公司最早开始研究异质结太阳能电池 [ 5] 。 1992 年 , T anaka 等就创下 p-a-S i H / -i a-S i H / n-c-Si结构太阳能电池光电转换效率 18. 1%的纪录 , 并将这种带有本征薄层的结构称之为 H IT 结构 [6] 。此后 , 中国、 美国、 德国、 法国、 意大利、 荷兰等国家也相继投入到 H IT 太阳能电池的研究中 (表 1[ 3, 4, 7- 9] 为各国研究的 H IT 电池的种类、 制备工艺以及电池所能达到的转换效率情况 ) 。为进一步提高电池的效率 ,其研究主要侧重于以下几个方面。( 1) 异质结能带结构的优化HIT 电池与传统电池最大的区别就是非晶硅与晶体硅构成的异质结结构。通过设计异质结界面的势垒高度获得合适的能带结构 , 以提高电池的转换 效率。以 Sanyo 公司H IT 电池为例 [10] , 在 ( p ) a-Si/ ( i) a- Si/ ( n) c-Si 的异质结结构中 , 非晶硅与单晶硅界面价带位错要小 , 以便收集空穴 , 同时导带的位错要尽可能大 , 以阻止 电子的通过。异质结 势垒高度的设计主要是通过控制非晶硅薄膜的沉积参数来实现的。表 1 世界 HIT 太阳能电池的研究现状Table 1 Research stat us of HIT solar cells in the world国家 /单位晶体硅类型是否绒面 背面场 工艺 效率 / % 文献日本 / Sanyo CZn 是 i/ n-a-Si PECVD 23 [ 3]德国 / H M I FZn 是 n-a-Si PECVD 19. 8 [ 7]德国 / H M I FZp 是 p-a-Si PECVD 18. 5 [ 8]美国 / NREL FZp 是 n-a-Si H WCVD 19. 1 [ 9]美国 / NREL CZp 是 n-a-Si H WCVD 18. 7 [ 9]中国 / 中科院 CZp 否 A l H WCVD 17. 36 [ 4]( 2) 非晶硅层的制备方法H IT 电池的非晶硅层通常用等离子增强化学气相沉积( PECVD) 技术进行制备 [ 7, 8, 11, 12] 。近年来 , 中科院研究生院张群芳等 [13, 14] 以及美国国家可再生能源实验室 ( NERL) T.H. Wang 等 [ 15] 采用热丝增强化学气相沉积 ( H WCV D) 技术制备了 p 型衬底的 HIT 电池。与 PECVD 相比 , H WCVD 产生的等离子能量较低 , 能有效避免离子的轰击 , 同时可产生用于预处理硅片表面的低能原子氢 , 制备过程中的粉尘 较少 , 不易使 a-Si H 薄层短路。此外 , 美国纽约州立大学的B. Jagannathan 等 [ 16] 还用 直流 磁 控溅 射技 术制 备 了 p 型H IT 电池 , 在 0. 3cm2 的面积上得到了 550mV 的开路电压和30mA/ cm2 的短路电流。( 3) 背面场 ( BSF) 的研究背面场能改善背面复合速率和背表面反射 , 从而提高开路电压、 增大短路电流。制备 背面场的传统方法有铝合 金法、 硼扩散法、 磷扩散法等 , 但这些工艺都需要高温过程 , 只能先制备背面场再沉积非晶硅薄膜。与 H IT 电池低温工艺兼容的制备工艺主要有在单晶硅背面沉积重掺杂非晶硅薄膜形成背面场。 T oru Sawada等 [ 17] 用 PECVD 法在 n 型衬底上制备出 H IT 结构 ( i/ n a-S i) 的背面场。该背面场利用了异质结的特性 , 不需要重掺杂就能形成。结果显示 , H IT 结构背面场达到了比热 氧钝化更好 的表面钝化 效果。 Y. Ves-chetti 等 [18] 还用光刻、 硼离子注入实现了局部背面场 ( L ocalBSF) , 与全面积 ( Full) 铝合金背面场相比 , 开路电压大大提高 , 达到了 676mV, 为 p 型 H IT 电 池开路电 压的最 高值。H. D. Goldbach 等 [19] 用 p+ + c- Si制作了 p 型 H IT 电池的背面场。因为 c- Si 比 a-S i 有更高的掺杂效率 , 所以能实现高浓度的掺杂 , 从而降低激活能 ,形成性能优良的背面场 , 提高电池转换效率。 数值模拟结果表明 , 在 n 型衬底 H IT 电池的背面增加一层重掺杂的 n+ 层可以起到背面场的作用 , 使电池的效率提高到 24. 35% [ 20] 。( 4) 衬底材料的选取衬底 的类 型不同 , 电池的 转换 效率也 不同。 T ucci M等 [21] 研究发现 , n 型衬底的 HIT 电池由于异质结能带结构方面的优势 , 其转换效率略高于 p 型衬底的太阳能电池 , 但 p型衬底太阳能电池对界面的要求较低 , 因此易于制备。 T.H. Wang 等 [ 15] 分别用 p 型区熔 ( FZ) 硅和直拉 ( CZ) 硅作衬底制成了 H IT 电池 , 结果发现衬底为 FZ 硅太阳电池的效率高131H IT 太阳能电池的发展概况 / 史少飞等于 CZ 硅。美国国家可再生能源实验室的 Wang Qi 等 [ 9] 用H WCV D 法在 FZ 衬底上制备的 H IT 太阳能电池的效率已达到 19. 1% 。但是 FZ 硅的价格高于 CZ 硅 , 因此应从效率和成本两方面综合考虑 , 选择合适的衬底。另外 , 为了减小电池对入射光的反射率 ,绒面衬底也被应用到 H IT 电池中 ,并且取得了很好的减反射效果 [10, 22] 。( 5) 发射极材料的革新为了减少非晶硅层对入射光的吸收 , 可采用宽带隙材料如微晶硅 ( c-Si) 、 纳晶硅 ( nc-Si) 等作为发射极 , 提高光的透过率。 C. Summonte 等 [ 23] 用 RF-PECVD 技术 , 通过高氢气稀释的气源 ,在 p 型衬底上制备了 n 型 c-Si 发射极 , 结果显示 , 与 a- Si 发射极相比 , H IT 电池的短路电流和转换效率有明显提高。中科院半导体所许颖等 [ 24] 也用 RF-PECVD 在 p型衬底上制备出了 n 型 nc-S i 发射极。除 PECVD 法以外 , 中科院研究生院的张群芳等 [25] 还用 H WCV D 法制备了 c- Si发射极。另外 , J. Danmon-Lacoste 等 [ 26] 用 PECVD 法在形成多态硅 ( pm-S i) 的条件下制备了 H IT 电池的本征层 , 测试结果显示 pm- Si的载流子有效寿命比 a-Si 高出 1 个数量级。2. 2 H IT 太阳能电池的产业化状况HIT 电池模块自 1997 年投入市场以来发展极为迅速。图 2 为 2004 年各类太阳能电池所占市场份额 [4] , 由图 2 可知 , 短短数年间 H IT 电池已占据世界光伏市场 5% 的市场份额。在研究及其大规模产业化的过程中 , Sanyo 做出了重要贡献。自 1994年 HIT 电池的研究工作取得突破性进展 , 在1cm 2 面积上制备出转换效率为 20. 0% 的 H IT 电池 [ 17] 以来 ,Sanyo公司在工业化生产中推出了名为 HIT Power21 的电池组件 ,转换效率高达 17. 39% , 它由 96 片 H IT 电池组成 ,输出功率为 180W。同时 , Sanyo 公司还推出了能替代屋顶瓦片的高性价比太阳电池模块 ( H IT power roof) 。双面模块( H IT pow er double) 也随后面世 , 特别适合安装在地面以及围墙等设施上 [ 27] 。图 2 2004 年各类太阳能电池所占市场份额Fig. 2 The market share of various types ofsolar cells in 20042003年 4 月 , Sanyo 公 司推出了 输出功率 为 200W 的H IT 电池模块 ,模块的电池转换效率达到 19. 5%, 模块效率为 17%, 并且温度特性有了大幅提高 , 年发电量比传统太阳电池多出 43% [ 28] 。 2006 年 , H IT 电池的最高转换效率达到21. 8% [29] , 270W 的 H IT 电池模块首先在欧洲上市 , 工程中阳能电池模块的用量可再减少约 25%。2009年 5 月 , Sanyo公司又将 H IT 电池的转化效率提高到 23% 的世界纪录。同年 9 月 , 该公司又以厚度仅为此前1/ 2 左右的 98 m 的 H IT 太阳能电池实现了 22. 8% 的电池单元转化效 率 ( 开路 电压 ( V oc ) 为 0. 743, 短 路电流 ( I sc ) 为38. 8mA/ cm2 , 填充 因子 ( FF) 为 79. 1%, 电池 单元 面积 为100. 3cm2) 。虽然厚度减半 , 但电池单元转换效率却只降低了 0. 2% 。由于减少了 占成本 1/ 2 的 硅的使 用量 , 从而 为H IT 电池的低成本化开辟了道路。同时 Sanyo 计划近期将此技术应用于量产 , 并在 FY2013 赢得日本光伏市场的最大份额 , 从而显示出 H IT 电池具有极大的发展潜力。图 3 Sanyo研制的世界最高效率 HIT 电池 (左 )和超薄型的 HIT 电池 ( 右 )Fig. 3 HIT solar cell( left)with the highest efficiencyin the world and the ultra-thin HIT solar cell(right)developedby Sanyo德国在软件模拟计算中取得了较大的进步 , 使转化效率提高到了 19. 8%; 美国 研 究 的 H IT 电 池 效率 也 达 到 了19. 1%。但是由于核心工艺技术和关键设备技术产业化生产工艺还不是很成熟 , 产业化电池效率不是很高 , 他们将在今后的研究中大力改进工艺 , 实现大规模产业化生产。3 结束语H IT 电池虽然发展很迅速 , 但是仍然存在许多问题。由于生产过程中的每一步工艺要求都很严格 , 所以在保证高效的情况下 , 大规模的量产还需要进一步的研究。 H IT 电池虽然效率已达 23%, 成本也在逐渐降低 , 但发电成本仍然远高于传统方法的发电成本。目前 , H IT 电池研究最多的是非晶硅 /单晶硅异质结电池 , 其中廉价非晶硅的用量很少 , 而价格昂贵的单晶硅仍占多数。因此 , 为了满足国民生产对太阳能电池组件的需求 ,在以后的研究中 , 一方面应大力开发新技术在保证电池转换效率的前提下降低 H IT 电池的厚度 ; 另一方面用廉价材料代替价格昂贵的单晶硅材料来降低成本 , 如多晶硅。同时也可以通过开发新技术来降低单晶硅的生产成本。参考文献1 中岛武 , 丸山英治 , 田 中诚 . 高性能 H IT 太阳电 池的 特性及其应用前景 [ J]. 上海电力 , 2006, 4: 3722 Tanaka M akoto, Okamoto Shingo, Tsuge Sadaji, et al. De-velopment of H IT solar cells with mo re than 21% conver-132 材料导报 A: 综述篇 2011 年 7 月 ( 上 ) 第 25 卷第 7 期sion efficiency and commercializat ion of highest perfo rmanceH IT modules[ C] / / WCPEC- 3 Organizing Commit tee. Osa-ka, Japan,2003: 9553 SANY O Electric Co. L td. SAN Y O develops H IT solar cellsw ith world s highest energy conversion efficiency of 23. 0%[ EB/ O L ]. ( 2009- 5- 21) [ 2009- 7- 15] . http: us. sanyo.com/ New s/ SA NYO- Develops- H IT- Solar- Cells- with- World-s- H ighest Energy- Conversio n- Efficiency- of- 23- 04 张群芳 , 朱美芳 , 刘丰珍 , 等 . 高效薄膜硅 / 晶体硅异质结电池的研究 [ J] . 太阳能 , 2006(4) : 405 T aguchi M , T anaka M , M at suyama T , et al. Improv ementof the conversion efficiency of polycry st alline silico n thinfilm solar cell [ C ] / / T echnical Digest of the Inter nationalPVSEC- 5. Ky oto. Japan, 1990: 6896 T akahama T, T aguchi M , K uro da S, et al. High efficiencysingle- and poly- crystalline silicon solar cells using A CJ- H ITstructure[ C] / / 11t h EC PV SEC. M ontr eux, 1992: 10577 Schmidt M , K orte L , Laades A , et al. Physical aspects ofa- Si H/ c- Si hetero- junctio n solar cells [ J ]. T hin SolidF ilms, 2007, 515: 74758 A ngermann H, K orte L, R appich J, et al. Optimisation ofelectr onic inter face pro perties of a- Si H/ c- Si hetero- junc-tio n solar cells by wet- chemical surface pre- t reatment [ J] .T hin Solid Films, 2008, 516:67759 W ang Q, Page M R, Iwaniczko E, et al. Cr ystal silicon he-ter ojunct ion solar cells by hot- wire CV D[ C] / / 33th IEEEPVSC. Califor nia, 2008: 110 T aguchi M , T erakaw a A , M aruyama E, et al. Obtaining ahigher Vo c in HI T cells [ J]. Prog Pho tovolt: Res A ppl,2005, 13: 48111 U lyashin A G, Job R, Scherff M , et al. T he influence of theamorphous silico n deposit ion temperatureon the efficiency ofthe I T O/ a- Si H / C- Si hetero junct ion ( HJ) solar cells andproperties of inter faces[ J] . Thin Solid F ilms, 2002, 403-404:35912 张心强 , 张维佳 , 武美伶 , 等 . 纳米硅薄膜制备及 HIT 太阳能电池 [ J] . 功能材料 , 2007, 38( 10) : 174113 张群 芳 , 朱 美芳 , 刘 丰珍 , 等 . 热丝 化学 气相 沉积 n 型 nc-Si H 薄膜及 nc- Si H / c- Si 异 质结 太 阳电 池 [ J] . 太 阳能学报 , 2006, 27(7) : 69114 张群芳 , 朱美芳 , 刘丰珍 . 高效率 n- nc- Si H / p- c- Si 异质结太阳能电池 [ J]. 半导体学报 , 2007, 28( 1) : 9615 Wang T H , Iwaniczko E, PageM R, et al. Effect of emitterdeposition temperature on surface passivation in hot- wirechemical vapor deposited silicon hetero junction solar cells[ J] . T hin Solid Films, 2006, 501(1- 2) : 28416 Jagannathan B, A nder son W A, Coleman J, et al. A mor-phous silicon/ p- type cr ystalline silicon heterojunct ion solarcells[ J] . Solar Energ y M at er Solar Cells, 1997, 46( 4) : 28917 Sawada T , T erada N, T suge S, et al. H ig h efficiency a- Si/c- Si heterojunction solar cell[ C] / / F ir st WCPEC. Haw aii,1994: 121918 Veschett i Y, M uller J, Damon- lacoste J, et al. Optimisationof amorphous and polymo rphous t hin silicon layer s fo r thef ormation of the fro nt- side of hetero junction solar cells on p-t ype cr ystalline silicon substrates [ J] . Thin Solid Films,2006, 511- 512: 54319 Goldbach H D, Bink A , Schropp R E I, et al. T hin p+ + c-Si layers for use as back surface field in p- t ype silico n he-terojunctio n solar cells[ J] . J N on- Cryst Solids, 2006, 352( 9-20) : 187220 Ren Bingy an, Zhang Yan, Guo Bei, et al. Computer simula-tion of p- a- Si H/ n- c- Si heterojunctio n solar cells[ C] / / Be-ijing: T singhua University Press & Spring er, 2007: 123921 Tucci M , Noce M Della, Bobeico E, et al. Comparison of a-morphous/ crystalline hetero- junct ion solar cells based on n-and p- t ype crystalline silicon [ J] . T hin Solid Films, 2004,451- 452: 35522 M atthew Edwards, Stuart Bowden, Ujjwal Das, et al. Effectof textur ing and surface preparation on lifetime and cell per-formance in heterojunctio n silicon solar cells[ J] . Solar Ener-gy M ater Solar Cells, 2008, 92: 137323 Summonte C, Rizzoli R, Iencinella D, et al. Silicon hetero-junctio n solar cells with microcrystalline emitter[ J] . J Non-Cryst Solids, 2004, 338- 340: 70624 Xu Y , H u Z, Diao H , et al. Heter ojunctio n solar cells w ithn- ty pe nanocry stalline silicon emitter s on p- ty pe c- Si w afers[ J]. J N on- Cr yst Solids, 2006, 352( 9- 20) : 197225 朱 美芳 , 张群芳 , 刘丰珍 , 等 . 纳米晶硅 / 单晶硅异质结太阳能 电池及其制备方 法 : 中国 , 200510098526. 9[ P]. 2006- 02-1526 Damon- lacoste J, Cabarr ocas P R I, Chatter jee P, et al. A-bout the efficiency limits of hetero- junctio n solar cells[ J]. JNon- Cr yst Solids, 2006, 352( 9-20) : 192827 Taguchi M , Kawamoto K, T suge S, et al. HI T cells- high-effciency crystalline Si cells wit h novel structur e[ J]. ResAppl, 2000( 8): 50328 Tsunomura Y asufumi, Y oshimine Yukihir o, T aguchi M ikio ,et al. T w enty- tw o percent efficiency HIT solar cell[ J] . So-lar Energy M ater Solar Cells, 2008, 93( 6-7) : 67029 M aruyama Eiji, T erakawa A kira, aguchi M ikio , et al.Sanyo s challenges to the development of high- efficiencyHIT solar cells and the expansion of H IT business[ C] / /Haw aii: NA SA Glenn Research Center, 2006: 1455( 责任编辑 周媛媛 )133H IT 太阳能电池的发展概况 / 史少飞等