硅基太陽電池技術

硅基太陽電池是目前商業化最成熟的太陽電池。根據硅的晶體結構,硅基太陽電池可以分為晶體硅和非晶硅電池。其中晶體硅又可以分為單晶硅和多晶硅兩種,單晶硅電池轉換效率高,穩定性好,但成本較高;多晶硅電池效率略低于單晶硅電池,但具有高性價比,已經取代單晶硅成為最主要的光伏材料。原料硅片的成本約占晶硅電池組件總成本的50%以上,減少硅材料的用量有望有效降低生產成本,因此除了高效化,薄膜化也是晶硅太陽電池發展的方向,區別于傳統硅太陽電池的薄膜硅太陽電池得到了大家的關注。目前多晶硅薄膜電池效率達到10%,非晶硅薄膜電池制作的能耗低、工序簡單、成本低、適合工業化大面積生產。
1晶體硅太陽電池
晶體硅電池的結構設計和工藝技術的發展都是圍繞著提高電子的收集率和增大入射光的利用率來展開的,并表現在晶體硅電池制備過程中的各種技術的利用上。
(1)去除損傷層
硅片在切割過程中會產生大量的表面缺陷,導致表面的質量較差和電池制造過程碎片增多,還會導致電池工作時表面復合幾率增大,因此在電池制備前必須將切割損傷層去除,一般采用酸或堿腐蝕,腐蝕的厚度一般約10μm。
(2)制絨
制絨就是把相對光滑的硅片表面通過酸或堿腐蝕,使硅片表面變得凹凸不平增加受光面積并對光產生漫反射,這樣可以減少直射損失提高太陽光的利用效率。計算表明金字塔形角錐體的受光面積可比光滑平板增加1.732倍。單晶硅具有各向異性的堿腐蝕特性,可以采用氫氧化鈉和乙醇的混合堿溶液腐蝕單晶硅表面,形成無數的金字塔結構,利用制絨工藝通常能夠將單晶硅表面的反射率降到10%以下。對于多晶硅來說,由于材料缺乏各向異性,因此表面制絨比較復雜,目前有機械刻槽法、反應離子刻蝕、酸法腐蝕等,多晶硅的制絨工藝仍是國內外研究的熱點。
(3)擴散制結
擴散的目的在于形成PN結。由于硅基太陽電池的原料硅片采用P型硅,擴散制結一般采取三氯氧磷氣體攜帶源方式用磷做N型摻雜,采用磷擴散可以實現高濃度摻雜,有利于降低電池的串聯電阻從而提高其填充因子,這個工藝的特點是生產效率高,有利于降低成本。大型的生產廠家一般用20.32cm(8英吋)擴散爐進行硅片的擴散、采用大口徑石英管恒溫區長,可以提高擴散薄層電阻均勻性。目前擴散爐的石英管口徑達270mm。除了均勻擴散制結工藝外,選擇性擴散制結工藝也是一種重要的產業化生產技術,這種技術采用在柵線下進行擴散的方式,不僅能保證低的接觸電阻和好的填充因子,而且能夠減小接觸造成的前表面復合損失。
(4)邊緣刻蝕
在擴散制結過程中硅片的周邊表面也會形成了擴散層,這種擴散層將導致上下電極短路,由于任何微小的局部短路都會使電池并聯電阻下降,因此必須干凈地除去硅片周邊表面的擴散層,目前工業化生產常用等離子刻蝕去除硅片周邊表面的擴散層。
(5)沉積減反射膜
為了使硅基太陽電池更有效地獲得太陽光輻射,表面都要制備一層減反射膜,減少表面的反射損失。目前常用的減反射膜有TiO2,SiO2和SiN及其組合,在商業化生產中SiN減反射膜一般都采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術制作,這種方法利用SiH4與NH3反應在硅片表面沉積一層厚約75nm的SiN,反射率可以降低到3%以下。由于沉積中生成的原子氫,可以很好的鈍化硅表面懸掛鍵,因此PECVD還能起到很好的鈍化效果從而可以提高載流子遷移率,而且SiN層具有良好的絕緣性和致密性,可以阻止雜質原子,特別是Na原子滲透進入電池基體。PECVD沉積減反射膜技術的采用大大提高了多晶硅電池的光電轉換效率,是多晶硅電池商業化生產的關鍵性技術,目前多晶硅電池的產量已經超過單晶硅電池。
(6)制備電極
電極的制備不僅決定了發射區的結構,而且也決定了電池的串聯電阻和電池表面被金屬覆蓋的面積,因此是硅基太陽電池生產過程中的一個重要步驟。目前,硅基太陽電池的電極制備普遍采用絲網印刷法,所用的絲網細柵線為110~150μm,主柵為1.5~2.0mm,由于電極的存在有遮光的效果導致太陽電池效率降低的損失在8%左右,因此如何進一步減小電極寬度是當前研究的熱點。
通過攻關制備工藝流程中的某些環節,制備出許多高效的太陽電池。例如新南威爾士大學的鈍化發射區背局部擴散(PERL)電池[1],斯坦福大學的背面點接觸(PCC)電池以及弗朗霍夫研究所的局域化背表面場(LBSF)電池等都是單晶硅高效電池的典型代表。在鈍化發射區(PESC)電池和鈍化發射區背表面(PERC)電池基礎上研發出來的PERL電池(結構如圖1)目前保持著單晶硅電池效率的最高紀錄。PERL電池采用背面點接觸來代替PESC電池的整個背面鋁合金接觸,并在背面接觸點下增加了一個濃硼擴散層,可以減小金屬接觸電阻,與PERC電池相比由于硼擴散層減小了有效表面復合,接觸點間距可以從2mm減小到250μm,接觸孔徑從200μm減小到10μm而不增加背表面的復合,從而大大減小了電池的串聯電阻。4cm2大小的PERL電池在AM1.5光照條件下,轉換效率達到25%[1]。PERL電池的另一個特點是具有極好的陷光效應:PERL電池具有一種倒金字塔和背反射器(鋁層覆蓋的背SiO2層)組合而成的陷光結構,光在電池內部往返多次大大增加了傳輸路徑,尤其對于弱吸收光有利。2009年無錫尚德的PERL電池已經實現了量產,開發的PlutoTM(冥王星)太陽電池片效率突破性地提高到了19%,HiPerforma單晶組件轉換效率超過16%[16]。PCC電池和LBSF電池結構與PERL電池類似,也采用TCA氧化層鈍化和倒金字塔結構,不過5μm接觸孔徑的金屬電極成點狀設計在電池的背面,基區也做成同樣的形狀,這樣減小了背面復合,取得22.3%的轉換效率。LBSF電池采用局部鋁擴散來制作表面接觸,2cm×2cm電池效率達到23.3%。
在高效多晶硅太陽電池的研究中,一般認為材料中的各種缺陷,如晶界、位錯、微缺陷,和材料中的雜質碳和氧,以及工藝過程中玷污的過渡族金屬是電池轉換效率較低的關鍵原因,因此研究鑄造多晶硅中缺陷和雜質規律,以及采用合適的吸雜、鈍化工藝是進一步提高多晶硅電池效率的關鍵,另外尋找合適的鑄造多晶硅表面織構化方法也是目前低成本制備高效率電池的重要工藝。在這些方面,弗朗霍夫研究所、喬治亞理工學院、新南威爾士大學以及Kysera公司的工作具有一定的代表性。弗朗霍夫研究所實驗室制備的多晶硅太陽電池的轉換效率保持最高紀錄20.4%[3]。喬治亞理工學院使用電阻率0.65(Ωcm),厚度280μm多晶硅片制作電池,n+發射區的形成和磷吸雜結合,并加雙層減反射膜,1cm2電池的效率達到18.6%。新南威爾士大學采用類似PERL電池的工藝,但是前表面織構化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蝕工藝制備的蜂窩結構,在AM1.5條件下測試1cm2電池的效率達到了19.8%。日本Kysera公司采用體鈍化和表面鈍化技術,PECVD/SiN膜既作減反射膜,又作為體鈍化措施,表面織構化采用反應性粒子刻邊技術,15cm×15cm大面積多晶硅電池效率達17.7%,目前日本正計劃實現這種電池的產業化。
2薄膜硅太陽電池
薄膜硅太陽電池的特征是相對薄(厚度小于100μm)的活性層沉積或附在無活性的支持襯底上,與傳統的300μm厚硅片或硅帶構成的硅太陽電池相比,薄膜硅太陽電池制作的能耗低成本低,也是很有發展前景的太陽電池之一。多晶硅薄膜太陽電池的制備工藝可分為高溫技術路線和低溫技術路線。其中高溫技術路線以快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)為代表,制備過程中溫度高于600℃,襯底材料要求高,但制備工藝簡單;弗朗霍夫研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用RTCVD技術沉積多晶硅薄膜,硅膜經過區熔再結晶后制備電池,兩種襯底上制得的電池效率分別達到9.3%和11%。低溫技術路線以PECVD為代表,整個加工工藝溫度低于600℃,可用廉價玻璃作襯底因此適合大面積制作,但制備工藝較復雜;日本Kaneka公司采用PECVD技術在550℃以下和玻璃襯底上制備出具有PIN結構的多晶硅薄膜電池,效率達到10%。
非晶硅薄膜太陽電池在弱光照射條件下,如早晨、傍晚或者陽光受到一些遮擋,也能有一定的穩定電力輸出,而且溫度系數小,受溫度的影響比晶體硅太陽電池要小得多。典型的非晶硅電池采用PIN和NIP異質結結構,市場上的非晶硅電池大部分是轉換效率比較高的多結電池。在最近幾十年中,非晶硅太陽電池的技術進步主要表現在材料性能和新制備技術的改進上,例如為了提高非晶硅太陽電池的初始效率和光照條件下的穩定性,新工藝如化學退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等在材料性能的改進中發揮了很重要作用。非晶硅薄膜電池制備需要沉積的a-Si,早期都采用射頻PECVD,但是優質的a-Si合金可用甚高頻PECVD技術和微波PECVD技術沉積,在a-Si:H的最佳分解條件下大面積低溫沉積的商業生產技術研究受到了關注。目前,瑞士OerlikenSolar研制的非晶硅單結光伏電池穩定轉換效率已經突破10%[5],這個最新的紀錄可以說是非晶硅光伏技術發展的里程碑。
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