光伏產業之高效太陽能電池技術深解（三）

　　1.硅太陽能電池的轉換效率損失機理

　　太陽能電池轉換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。對于單晶硅硅太陽能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉換效率的理論最高值是28%。只有盡量減少損失才能開發出效率足夠高的太陽能電池。

　　影響晶體硅太陽能電池轉換效率的原因主要來自兩個方面，如圖1所示：

　　(1)光學損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。

　　(2)電學損失，它包括半導體表面及體內的光生載流子復合、半導體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導體的接觸電阻等的損失。這其中最關鍵的是降低光生載流子的復合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復合主要是由于高濃度的擴散層在前表面引入大量的復合中心。此外，當少數載流子的擴散長度與硅片的厚度相當或超過硅片厚度時，背表面的復合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。

　　圖1： 普通太陽能電池多種損失機制

　　2.提高晶硅太陽能電池轉換效率的方法

　　(1) 光陷阱結構。一般高效單晶硅電池采用化學腐蝕制絨技術，制得絨面的反射率可達到10%以下。目前較為先進的制絨技術是反應等離子蝕刻技術(RIE)，該技術的優點是和晶硅的晶向無關，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過程中，F自由基對硅進行化學蝕刻形成可揮發的SiF4，O自由基形成SixOyFz對側墻進行鈍化處理，形成絨面結構。目前韓國周星公司應用該技術的設備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。

　　(2) 減反射膜。它的基本原理是位于介質和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產生的各級反射相互間進行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2%左右。

　　(3) 鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區域的復合。一般高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴散進行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復合。原子氫鈍化是因為硅的表面有大量的懸掛鍵，這些懸掛鍵是載流子的有效復合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復合。

　　(4) 增加背場：如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結構，在P+/P的界面就產生了一個由P區指向P+的內建電場。由于內建電場所分離出的光生載流子的積累，形成一個以P+端為正，P端為負的光生電壓，這個光生電壓與電池結構本身的PN結兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高。

　　(5) 改善襯底材料：選用優質硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結后硼氧反應小、電導率好、飽和電流低等。

　　3.高效晶體硅太陽能電池-PERL電池

　　PESC、PERC、PERL電池是新南威爾士大學研究了近20年的先進電池系列，前兩個子母PE(Passivated Emitter)代表前表面的鈍化(選擇性擴散)，后兩個子母代表后表面的擴散和接觸情況。其中PERL衍生了南京中電的SE電池與尚德的PLUTO電池。

　　PESC(鈍化發射極背接觸)電池1985年問世，可以做到大于83%的填充因子和20.8%(AM1.5)的效率。

　　PERC(鈍化發射極背場點接觸)電池，用背面點接觸來代替 PESC電池的整個背面鋁合金接觸，這種電池達到了大約700mV的開路電壓和22.3%的效率。

　　PERL(鈍化發射極背部局域擴散)(Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)電池是鈍化發射極、背面定域擴散太陽能電池的簡稱。1990年，新南威爾士大學的J.ZHAO在PERC電池結構和工藝的基礎上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴散制備出PERL電池，如圖所示。2001年，PERL電池效率達到24.7%，接近理論值，是迄今為止的最高記錄。

　　圖2：新南威爾士大學PERL電池 h=24.7%

　　HIT 電池是異質結( hetero-junction with intrinsic thin-layer ， HIT) 太陽能電池的簡稱。1997年，日本三洋公司推出了一種商業化的高效電池設計和制造方法，電池制作過程大致如下：利用PECVD在表面織構化后的N型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H層，然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層;利用濺射技術在電池的兩面沉積透明氧化物導電薄膜(TCO)，用絲網印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過程都是在低于200 ℃的條件下進行，這對保證電池的優異性能和節省能耗具有重要的意義。

　　HIT電池具有高效的原理是：

　　(1)全部制作工藝都是在低溫下完成，有效地保護載流子壽命;

　　(2)雙面制結，可以充分利用背面光線;

　　(3)表面的非晶硅層對光線有非常好的吸收特性;

　　(4)采用的n型硅片其載流子壽命很大，遠大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴散穿過襯底被電極收集;

　　(5)織構化的硅片對太陽光的反射降低;

　　(6)利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過程中產生的原子氫對其界面進行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。

　　2009年5月，這種電池的量產效率達到了19.5%，單元轉化效率達到23%。

　　HIT電池的工藝流程是：

　　硅片-》清洗-》制絨-》正面沉積-》背面沉積-》TCO濺射沉積-》絲網印刷Ag電極-》測試

　　這種電池具有結特性優秀、溫度系數低、生產成本低廉和轉換效率高等優點，所以在光伏市場上受到青睞，商業化生產速度發展很快，僅僅兩三年時間，產品已占整個光伏市場的5%

　　圖 3：三洋公司 HIT電池 h=23%

　　5.高效晶體硅太陽能電池-IBC電池

　　IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽能電池的簡稱。由Sunpower公司開發的高效電池，其特點是正面無柵狀電極，正負極交叉排列在背后。利用點接觸(Point-contact cell，PCC)及絲網印刷技術。

　　這種把正面金屬柵極去掉的電池結構有很多優點：

　　(1)減少正面遮光損失，相當于增加了有效半導體面積;

　　(2)組件裝配成本降低;

　　(3)外觀好。

　　由于光生載流子需要穿透整個電池，被電池背表面的PN節所收集，故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片，一般采用N型FZ單晶硅作為襯底;正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復合膜與N+層結合作為前表面電場，并制成絨面結構以抗反射。背面利用擴散法做成P+和N+交錯間隔的交叉式接面，并通過氧化硅上開金屬接觸孔，實現電極與發射區或基區的接觸。交叉排布的發射區與基區電極幾乎覆蓋了背表面的大部分，十分有利于電流的引出， 結構見圖。

　　圖 4：Sunpower公司 IBC 電池 h=22.3%

　　這種背電極的設計實現了電池正面“零遮擋”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復雜，工藝中的難點包括P+擴散、金屬電極下重擴散以及激光燒結等。2009年7月SunPower公司上市了轉換效率為19.3%的太陽能電池模塊。

　　IBC電池的工藝流程大致如下：

　　清洗-》制絨-》擴散N+-》絲印刻蝕光阻-》刻蝕P擴散區-》擴散P+-》減反射鍍膜-》熱氧化-》絲印電極-》燒結-》激光燒結。