如何提高晶体硅太阳电池效率

如何提高晶体硅太阳电池的光电转换效率?晶体硅太阳电池的理论效率上限:29%已实现的最高效率:24.7%(UNSW)低成本(丝网印刷工艺)大规模生产水平:﹤17%为什么?晶体硅太阳电池已有五十多年的历史1970年代:BSF(71);浅结/密栅(72);“绒面”(74)1980/90年代:发射区表面钝化;基区表面钝化技术进步是基于对硅太阳电池光电转换损失机理的逐步深入理解是那些因素限制了晶体硅太阳电池的转换效率？PN结光伏效应的基本概念光被半导体（硅）吸收→光激发产生电子-空穴对→光生载流子向PN结结区扩散→PN结内建电场将电子、空穴分别“扫入”N区和P区，构成光生电流→光生电流经正负电极流向外电路负载这个光电转换过程的每一步都会产生一定的损失，影响到转换效率光学损失☆光子能量低于半导体带隙宽度Eg的长波光不能被吸收，将透射穿过电池。如被金属下电极所吸收，则将变成热能。☆晶体硅是带隙宽度为1.12eV的间接带隙半导体，对于波长接近1.1μm的红外光吸收系数很低。硅片厚度大于300μm时才能把有用的阳光充分吸收。措施：采用背反射器（BSR),把弱吸收光反射回硅片内。（对Al背场结构意义不大）☆光子能量高于Eg时，多出的能量将传给晶格，转换为热能（这也是电学损失）。☆电池表面的光反射损失任何两种折射率不同的介质间的界面上都会发生光反射。反射系数为：R=对于硅，600nm处n≈3.8外界介质为大气时，n0=1R≈34%措施1：减反射膜薄膜干涉原理：当n2n1n0时，膜层材料与基体（硅）和外界媒质间的两个界面上的反射光将互相干涉，从而抑制基体表面的光反射。反射系数R(λ)为膜层折射率及厚度的函数。当时，反射最小。n1d1=λ0/4时，R为极小值:R1(λ0)=R2(λ0),R(λ0)=0对于硅，最佳的减反射膜折射率应为：外界介质为大气时，n0=1:≈1.95外界介质为EVA时，n0≈1.5:≈2.39供选择的减反射膜(ARC):SiOx,TiOx,Si3N4,Ta2O5等ARC厚度的选择需综合考虑太阳电池的光谱响应和太阳光的光谱分布两个因素，“零反射”点λ0应选在600nm左右。对于SiNx:取n1=2.0,n1d1=λ0/4=600/4=150(nm)---光学厚度d1=150/n1=75(nm)---几何厚度单层ARC仍有约12%的残余反射，其中蓝光成分多，因此干涉色为深蓝。对于短波响应好的高效电池，λ0应“蓝移”。问题:＊SiNx的厚度、折射率范围？＊SiNx/SiNy,SiOx/SiNx双层膜？措施2:表面织理结构(随机正金字塔，“V”形槽，倒金字塔…)在弱碱性溶液中晶体硅表现出各向异性的腐蚀特性，原子排列密度最大的（111）面腐蚀速度最慢，在（100）晶向的硅片表面形成由（111）面构成的微结构。（1）减少反射：裸硅---(34%)2≈12%单层ARC---(12%)21.5%（2）光进入硅后，因折射偏离与硅片垂直的方向，使：＊光被吸收的位置更靠近pn结结区—改进短波响应；＊在硅片内的光程延长—改进长波响应—对薄片意义更大。问题:＊如何使“绒面”均匀、细密？（硅片表面洁净、无损伤，腐蚀液配方和温度控制）＊晶面偏离(100)一定角度?＊能否保护背面不腐蚀？＊多晶硅片的理想绒面制备方法？☆上电极“阴影”损失主栅宽2mm，细栅宽0.12mm:“阴影”率7%细栅宽0.15mm:“阴影”率8%细栅宽0.20mm:“阴影”率10%（1%意味着560万元/年/线）问题:＊如何制备细(!)栅，提高细栅的高/宽比？＊栅线镀银加厚?＊背接触（如sunpower的产品）没有栅线阴影损失，能用丝网印刷工艺实现吗？电学损失电池的最大输出功率：Pm=Isc·Voc·FF☆电流损失：光生载流子在被pn结收集前复合（1）体复合：少数载流子（光生载流子）的寿命是有限的。高质量的硅单晶可达ms级，但通常只有几十μs。晶体中存在各种复合中心，会俘获少数载流子，使之复合。＊晶体材料中原有的缺陷＊高温工序引起的缺陷＊深能级杂质（重金属杂质，工艺过程中的环境或人为污染…）＊重掺杂层（发射区）内的晶格收缩、俄歇复合等重掺效应使少子寿命大大率降。措施：吸杂技术?低掺杂发射区?（2）表面复合：硅片表面的悬挂键构成表面态。不同的表面状态，表面复合速度不同。金属-半导体接触处复合速度无穷大。当晶体厚度足够薄时，少子寿命将受限于表面复合。提高电池性能，降低电学损失的根本就在于最大限度地减少电池结构各部分的复合或减小复合对光生载流子收集的影响。措施1：表面钝化最有效的表面钝化是热生长SiO2钝化层，用O原子将硅表面的悬挂键“封”接起来。优良的SiNx也有相近的钝化作用，且沉积过程中产生的H离子对硅片体内的缺陷（包括多晶的晶界）也有钝化作用。问题：在沉积SiNx前先热生长一层SiO2？措施2：用漂移场屏蔽表面复合的影响Al背场：Si与Al的共熔体在降温时，Si和Al重新结晶析出。析出的Si形成高掺Al（～3x1018)的P+层，与P型基区构成P+-P“高低结”，形成内建漂移场。“阻挡”少子向高复合的表面扩散。在发射区内同样有浓度梯度，存在类似的漂移场，可屏蔽表面复合，特别是金属接触区的极高的复合。但高搀杂的表层本身构成“死层”，严重的复合大大降低了电池的蓝光响应。问题：如何调整烧结炉的温度控制，在不影响上电极烧结质量的同时形成优良的Al背场（Al膜厚度、升温速度）？P基区P+再结晶Si(BSF)Al6μmBSF13.5μmBSF措施3：浅结设计（1972：“紫光电池”）波长越短，吸收系数越大，在硅片中被吸收的位置越靠近光照表面。浅结设计可显著改进短波响应。“紫光电池”结深为150nm左右（扩散R□控制在100Ω/□以上）。与丝网印刷工艺的矛盾是：表面浓度过低将使上电极与硅之间的接触电阻增大，也不能再屏蔽金属-硅接触区的严重复合，且结深过浅容易被烧穿。问题：如何使丝网印刷工艺与浅结设计相容?选择性发射区结构设计是唯一出路！四种途径：＊选择性地印刷磷扩散源膏，形成与栅线图形一致的重扩区，在金属栅线印刷时图形对准。---麻烦，且极易带来污染。＊仍扩散至40～45Ω/□，在制备好电极后再以金属栅线为掩膜，通过等离子刻蚀把栅线间的光照区表层腐蚀掉，直至R□≈100Ω/□。---工艺复杂，难于控制。＊尚德的激光刻槽、二次扩散法。高成本、低产率。＊银浆内加入N型杂质，在烧结时自搀杂，在栅线下形成重掺杂区。---最佳途径！尚未成功应用于大规模生产。☆电压损失理论上无法避免的电压损失：VmpVocpn结势垒高度/eEg/e光子能量/e例：600nm黄光光子能量为2eV→Eg(Si)=1.12eV→Voc=630mV→Vmp=530mV，“电压损失”为1.47V。要提高Voc并减小Vmp与Voc的差值，以降低电压损失，除改进结特性、提高FF值外，最根本的仍然在于最大限度地减少电池结构各部分的复合或减小复合对光生载流子收集的影响。Voc=q/KTLn(Jsc/J0)二级管反向饱和电流J0由电池各部分的复合电流构成措施1：选用电阻率较低的硅材料，降低基区J0分量。措施2：用BSF减小背表面复合的影响。措施3：降低发射区掺杂浓度并钝化发射区表面。在目前的电池结构中，发射区对J0的贡献占主导地位，是限制Voc主要因素。UNSW通过表面钝化技术，不断突破硅太阳电池的Voc记录：650mV（1984）→670mV（1988）→700mV以上（1990），使电池效率从19%（1984）提高到24.7%（1999）。但如何将这些技术与低成本工艺相结合，一直是提高大规模生产电池效率水平的关键课题。UNSW推出的激光刻槽、深埋电极“低成本”工艺在成本上仍远高于丝网印刷工艺☆串连、并联电阻引起的损失实际表现为电压损失，使Voc下降或使Vpm与Voc的差增大。对于优良的结特性，避免工艺操作过程中对pn结造成的损伤，Rsh的影响将很小。但由Rs引起的焦耳损失是无法完全避免的。在构成Rs的各项因素中，硅片体电阻和下电极的影响可忽略，主要由发射区薄层电阻、上电极与硅之间的接触电阻和栅线电阻决定。低成本丝网印刷工艺的代价之一是高Rs，低FF。电极工艺细栅间距栅线高宽比接触电阻金属电阻率FF光刻蒸镀≤2mm≥1/20.01Ωcm21.7μΩcm20.81-0.82丝网印刷3mm≤1/50.3-3Ωcm23μΩcm20.74-0.77丝网印刷工艺对电池效率绝对值的影响(相对于光刻工艺)结论在基于丝网印刷工艺的低成本晶体硅太阳电池现行生产技术中，电池性能主要受到发射区参数的限制，严重的发射区体内及表面复合降低了电池的短波响应，从而影响到短路电流密度Jsc，也使Voc被限制在630mV以下，电池效率很难超过17%。在已成熟发展的现行生产设备条件下，如何引入已被深入认识的高效电池设计，特别是选择性发射区设计，是这一领域取得进一步技术突破的关键课题。Na2CO3(纯碱）