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1.12 eV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，600 nm处 n ≈ 3.8 外界介质为大气时，n0= 1 R ≈ 34%

措施1:减反射膜 薄膜干涉原理：当n2>n1>n0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600 nm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%)2 <1.5% (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2 mm,细栅宽0.12 mm: “阴影”率7% 细栅宽0.15 mm: “阴影”率8% 细栅宽0.20 mm: “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μ s。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。