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《新材料產業雜志》2014年第八期

1.HIT高效電池

（1）常規HIT電池HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）電池是一種帶本征薄層的異質結太陽能電池，于1992年由日本Sanyo公司首次制備成功[2],轉換效率達到18.1%。之后，HIT電池轉換效率不斷提升。2014年4月，松下公司消息稱，其最新研發的住宅用“HIT太陽能電池”的轉換效率達到25.6%，為目前世界最高紀錄。HIT電池是異質結薄膜和晶體硅的重要結合，是太陽能電池的重要研究方向之一。常規HIT電池的結構如圖2所示，其特點是在晶體硅片的正反兩面分別沉積p型非晶硅薄膜和n型非晶硅薄膜,在兩面的頂層形成電極,由此構成的HIT太陽能電池具有對稱結構。該結構具有如下特點：①構成異質結的非晶硅薄膜和晶體硅具有不同的禁帶寬度，提高了內建電場，增大了開路電壓；②非晶硅薄膜作為光吸收層，增加了對太陽光譜中短波的吸收，提高了轉換效率。因此，異質結質量的好壞決定了HIT太陽能電池的性能。因此，為了獲得高質量的非晶硅薄膜層，采用pecvd技術生長非晶硅薄膜，具有如下優勢：①工藝溫度可小于200℃，減小制備過程中的熱損傷；②可降低等離子體損傷，獲得的非晶硅薄膜質量較好[3]。（2）非晶硅鍺混合型異質結HIT電池非晶硅鍺混合型異質結HIT電池是通過在HIT電池背面制備氫化非晶硅鍺層（見圖3），來改進能帶帶隙曲線，提高電池的開路電壓和填充因子。北京太陽能研究所的李成虎等人發表了“一種新型鍺硅混晶異質結構太陽電池的設計與理論分析”[5]。為減少通常鍺硅混晶太陽電池的異質界面復合及窄能隙引入的體內復合增強，提出了一種新型結構鍺硅混晶太陽電池模型，如圖4所示，對反映電池內光生少子運動的參數及物理過程分析后得出該模型少子連續方程。計算結果表明，該電池模型，在優化條件下既能減少高濃度鍺導致的復合增強，又能拓寬長波光譜響應。計算預測的最佳轉換效率為17.2%。中科院電工研究所的趙雷和王文靜發表了一篇發明專利“一種用于太陽電池的薄膜硅/晶體硅異質pn結結構”，其特征在于，在由摻雜類型相反的薄膜硅層和晶體硅層構成的異質pn結的薄膜硅層和晶體硅層之間插入一層本征非晶硅鍺層做異質結界面的鈍化層。所述的本征非晶硅鍺層是單一組分的或組分漸變的。與現有的薄膜硅/晶體硅異質結太陽電池采用的含有本征非晶硅層做異質結界面鈍化層的薄膜硅/晶體硅異質pn結相比，該發明可以減小薄膜硅/晶體硅異質pn結界面處的能帶失配，改善載流子輸運特性，從而改善太陽電池性能，特別是填充因子。蚌埠玻璃工業設計研究院的彭壽等人發表了一篇發明專利“一種硅基異質結雙面太陽能電池及其制備方法”，其中用非晶硅鍺合金代替常規異質結電池中的非晶硅薄膜作為發射極，用本征微晶硅鍺薄膜作為電池的界面緩沖層，有效降低了異質結能帶失配導致的價帶帶階，有效收集光生載流子，從而提高太陽能電池的性能。利用RF-PECVD技術在雙面拋光的n型單晶硅片的兩面分別沉積制備本征微晶硅鍺薄膜、p型摻雜的非晶硅鍺薄膜、本征非晶硅薄膜及n+型摻雜的非晶硅薄膜，制備了光電轉換效率為14.62%的異質結雙面太陽能電池。（3）HIT-IBC電池HIT-IBC電池是將HIT異質結電池高開路電壓和背接觸電池高短路電流結合，實現優勢互補，從而大幅提高晶體硅電池的效率。HIT-IBC太陽能電池同時吸取了背部接觸與硅異質結連接這2種不同的光伏技術的優點。收集電荷的金屬帶移到電池背面后，就可以不用再考慮它對入射光的遮蔽作用，從而采用較寬的低阻抗金屬帶。將2個能量帶寬不同的半導體組合到同一個太陽能電池中，在多晶硅或者單晶硅中都可以獲得較高轉換效率。FraunhoferISE在電阻率為1Ω的區熔硅片上獲得了效率為21.3%的背接觸電池[6]，電池結構如圖5所示。之后，通過結構優化，得到圖6所示結構電池，效率有一定提升，達到了21.7%，開路電壓為676mV。2012年，德國的亥姆霍茲柏林中心（HZB）硅光伏研究所和哈默爾恩太陽能研究所（ISFH）合作研究的一種新型的“背部接觸異質結太陽能電池（見圖7）”轉換效率達到20.2%。2012年12月，夏普公司在太陽能電池展會“PVJapan2012”上展示了采用新構造的電池。這種電池結構將sunpower的背接觸和松下的HIT結合起來，表面沒有電極，同時在表面和背面形成非晶硅層的單元。這種新構造可以通過背接觸方式增加電流量，同時通過異質結方式實現高電壓（圖8）。LG電子公司等過去也曾在學會上過關于組合使用背接觸方式和異質結方式的研究。在2011年年底的歐洲太陽能光伏大會上，他們開發部門公布該結構電池達到了22%的效率。中國科學院微電子研究所賈銳研究員帶領的高效太陽能電池研究團隊于2012年11月研制出國內首款異質結背接觸原型太陽能電池（2cm×2cm）。新型電池開路電壓達到了658mV。

2.背面鈍化

背面鈍化工藝是制造高效太陽能電池的一個非常重要的步驟，對于沒有進行鈍化的太陽能電池，光生載流子運動到一些高復合區域后，如表面和電極接觸處，很快就被復合掉，從而嚴重影響電池的性能。對這些區域進行背面鈍化可以有效地減弱這些復合，提高電池效率。目前，太陽能電池一般都要求盡量薄的厚度，來提高太陽能電池的質量功率比，降低生產成本。這樣，在保持電池效率不變的前提下，有效少數載流子的體壽命就會大大提高，上、下表面的有效壽命就變的遠遠小于體壽命，使得上、下表面成為調控有效少數載流子有效壽命的關鍵。上、下表面限制有效少數載流子壽命的主要原因在于表面光生少數載流子復合缺陷的存在。表面鈍化的目的就是降低硅片的表面活性，使表面的復合速度降低。表面鈍化的主要方式是飽和硅表面的懸掛鍵，降低表面斷鍵的活性；增加表面的清潔度，減少表面雜質的引入，防止少數載流子復合中心的形成，從而起到降低少數載流子在表面的復合速率。高效p型電池非受光面（背面）和N型電池受光面（正面）鈍化膜的鈍化膜多采用三氧化二鋁（Al2O3）薄膜。近期的相關報道顯示，相比背面使用二氧化硅（SiO2）膜或者SiO2/氮化硅（Si3N4）/SiO2多層復合膜的設計，Al2O3薄膜具有更好的鈍化效果和燒結穩定性。而且相對于前兩者，Al2O3薄膜更適用于現在比較受追捧的局部鋁背場技術。Al2O3薄膜在高效n型電池上上的應用也表現不俗，如英利等，把Al2O3薄膜作為其高效n型電池的正面鈍化膜，表現出的表面鈍化作用優于單純使用Si3N4膜的效果。目前，背鈍化膜Al2O3的制備技術主要有原子層沉積技術（ALD）、PECVD技術和物理氣相沉積（PVD）3種[8]，這3種技術中ALD的效果最好，但是由于ALD的生產成本較高，沉積速度又慢，使得這種特殊的沉積模式很難實現工業化。目前，物理氣相沉積技術的制備的Al2O3背鈍化膜的燒結穩定性較差，還不能滿足工業化的需求，所以，現在的工業化過程主要著眼于在PECVD工藝上做出新的改進。據太陽能設備公司roth&rau報道，他們采用微波法利用ALD同樣的反應物三甲基鋁（TMA）成功制備了Al2O3背鈍化膜。所以，對Al2O3背鈍化膜的制備，PECVD技術很有可能是最佳選擇。

3.透明導電膜前電極晶體硅太陽能電池

現有的晶體硅太陽能電池是在p-n結的正面和反面分別加上電極構成。相對于后電極，前電極的結構設計十分重要。它既不能遮擋入射光影響p-n結對太陽光的吸收，又要保證光生載流子能夠順利穿過并被有效利用。為了減少太陽光在硅表面的反射，通常使用折射率在2.0～2.2之間的氧化硅、氮化硅等絕緣薄膜作為光學減反射層。傳統太陽能電池的前電極通常用含銀成分的細柵線排布，為了收集較多的光生電流，一般會將柵線排布的更密；但為了減少遮光面積，使更多的太陽光進入電池，通常會將銀柵線設計的足夠細來減少遮光區。但是，對柵狀前電極的使用不可避免地要遮蔽太陽能電池表面6%～10%的受光面積，大大減少太陽能電池表面的有效面積，降低單位面積電池本身的光電轉換效率。其存在的技術問題主要為以下幾個方面：一方面，在使用柵電極的太陽能電池中，在電池內部不同位置產生的光生載流子要想到達柵電極，必須先在表層橫向傳輸一段距離才能實現。而光生載流子在表面這一橫向傳輸過程產生的串聯電阻會導致太陽能電池短路電流和填充因子的降低。有計算顯示：表層方塊電阻245Ω•cm2對應的太陽電池有效面積是40%；表層方塊電阻4.6Ω•cm2對應的是有效面積60%；當表層方塊電阻降到1Ω•cm2時，太陽能電池的有效面積也只能達到80%左右。另一方面，如果要通過制作淺結改善太陽能電池的光譜響應，就需要增加太陽能電池表面的柵線數量，比如計算中得出的表層0.15μm厚時，其每厘米長度內需要制作30條柵線的要求已遠遠超出傳統絲網技術的極限，只有引入成本較高的光科技束才能滿足需求，這將十分不利于太陽能電池成本的控制。為了降低表層的電阻，表層就必須有一定的厚度。但表層對太陽光具有較強的吸收能力，比如當高摻雜的表層0.5μm厚時可以吸收9%的入射光，1μm左右時，表層就成了吸收不少入射光的“死層”，當表層厚2μm時，太陽光幾乎就完全被它吸收了。并且表層本身存在著大量能夠捕獲光生載流子的結構缺陷。因此，厚的表層會嚴重限制太陽能電池光電轉換效率的提高。基于以上因素的計算表明，即使將晶體硅太陽能電池的柵線密度和表層薄膜厚度作進一步的優化處理之后，硅基太陽能電池的光電轉換效率仍然會出現30%左右的損失，而非晶硅電池的輸出功率與照射面積成正比，因此，透明電極受到了人們的關注。通過對導電薄膜種類和工藝的控制，利用適當具有厚度的透明導電薄膜替代太陽能電池的柵狀前電極，可以在實現其優良的導電性能的同時，起到對入射太陽光的減反作用，提高硅太陽能電池的光吸收能力。ZnOx常被用于制作太陽能電池的透明電極[9]。但是ZnOx電極的關鍵性能（導電性和透光能力）很容易受到硅太陽能電池的后續高溫工藝的負面影響。因此選取合適的透明導電薄膜的種類、制備方法以及厚度是該技術的關鍵點。采用PECVD技術具有低溫工藝的優點，是制備透明導電薄膜的首要選擇。使采用的透明導電膜前電極起著前電極和減反射的雙重作用，從而提高了入射光的量，降低前電極的橫向電阻率，相當于增加了太陽能電池的受光面積有利于制作淺結太陽能電池，提高太陽能電池對短波光譜的吸收，提高輸出功率。

4.結語

隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題迫切需要解決，太陽能發電作為理想的可再生能源備受關注，提高電池效率和降低成本成為目前努力的方向。PECVD技術沉積溫度低、應用范圍廣，未來通過PECVD研究獲得優異特性和較高轉換效率的太陽能電池，具有很好的發展前景。

作者：龐宏杰柳琴郭群超張愿成單位：上海太陽能工程技術研究中心有限公司