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太阳能光伏技术培训资料太阳能光伏技术培训资料晶硅电他的技术发展晶硅电他的技术发展1 11 1 地面应用推动各种新型电池的出现和发展地面应用推动各种新型电池的出现和发展晶硅电池在70 年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。例如：（1）背表面电场（BSF）电池在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。（2）紫光电他一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（01一 02µm）密栅（30cm）、 减 反射（Ta2O5短波透过好）而获得高效率。 在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。（3）表面织构化电池也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率 15，AMI时18。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。（4）异质结太阳电池即不同半导体材料在一起形成的太阳电池 J瞩 SnOSi，In20Si，（1n203十SnO2Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2O3SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。 目前因效率不高等问题研究者已不多，但 SnO2、In2O3、（1n2O3SnO2）是许多薄膜电他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。（5）M1S电池是肖特基（MS）电他的改型，即在金属和半导体之间加入15 一 30nm绝缘层，使 MS电池中多子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn 结类似。其中i 层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有 20一 40µm 的 SiO2膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积 SiN薄膜。SiN 薄膜的作用是：保护电池，增加耐候性；作为减反射层（ARC）；降低薄膜复合速度：在p-型半导体一侧产生一个 n型导电反型层。 对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。（6）MINP电池可以把这种电池看作是 M1S电池和p 一n 结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。 这种电池对后来的高效电池起到过渡作用。（7）聚光电池聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。 比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用 200 cm 高阻 n 型材料并使电池厚度降低到 100一 160tLm，使体内复合进一步降低。这种电池在140 个太阳下转换效率达到265。1 12 2 晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅电池在过去20 年里有了很大发展，许多新技术的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。 在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，如背表面场，浅结，绒面，氧化膜钝化，TiPd金属化电极和减反射膜等。后来的高效电池是在这些早期实验和理论基础上的发展起来的。1 12 21 1单晶硅高效电池单晶硅高效电池单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池（PCC），新南威尔士大学（UNSW）的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL以及德国 Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。我国在“八五”和“九五”期间也进行了高效电池研究，并取得了可喜结果。 近年来硅电他的一个重要进展来自于表面钝化技术的提高。从钝化发射区太阳电池（PESC）的薄氧化层（10nm）发展到PCCPERCPER1。电池的厚氧化层（110nm）。热氧化钝化表面技术已使表面态密度降到10 卜cm2 以下，表面复合速度降到100cms 以下。此外，表面V 型槽和倒金字塔技术，双层减反射膜技术的提高和陷光理论的完善也进一步减小了电池表面的反射和对红外光的吸收。 低成本高效硅电池也得到了飞速发展。（1）新南威尔士大学高效电池（A）钝化发射区电池（PESC）：PESC电池 1985年问世，1986 年 V 型槽技术又被应用到该电池上，效率突破20。 V型槽对电他的贡献是：减少电池表面反射；垂直光线在V 型槽表面折射后以41”角进入硅片，使光生载流子更接近发射结，提高了收集效率，对低寿命衬底尤为重要；V型槽可使发射极横向电阻降低 3倍。由于PESC 电他的最佳发射极方块电阻在 150 口以上，降低发射极电阻可提高电池填充因子。在发射结磷扩散后，m厚的 Al层沉积在电他背面，再热生长10nm 表面钝化氧化层，并使背面 Al和硅形成合金，正面氧化层可大大降低表面复合速度，背面Al 合金可吸除体内杂质和缺陷，因此开路电压得到提高。早期PESC 电池采用浅结，然而后来的研究证明，浅结只是对没有表面钝化的电他有效，对有良好表面钝化的电池是不必要的，而氧化层钝化的性能和铝吸除的作用能在较高温度下增强，因此最佳PEsC 电他的发射结深增加到1µm左右。值得注意的是，目前所有效率超过20的电池都采用深结而不是浅结。浅结电池已成为历史。PEsC电池的金属化由剥离方法形成 Ti-pd接触，然后电镀Ag构成。 这种金属化有相当大的厚宽比和很小的接触面积，因此这种电池可以做到大子83的填充因子和 208（AM15）的效率。（B）钝化发射区和背表面电池（PERC）：铝背面吸杂是PEsC 电池的一个关键技术。然而由于背表面的高复合和低反射，它成了限制PESC 电池技术进一步提高的主要因素。 PERC和 PERL电池成功地解决了这个问题。它用背面点接触来代替PEsC 电他的整个背面铝合金接触，并用TCA（氯乙烷）生长的 110nm厚的氧化层来钝化电他的正表面和背表面。TCA氧化产生极低的界面态密度，同时还能排除金属杂质和减少表面层错，从而能保持衬底原有的少子寿命。 由于衬底的高少子寿命和背面金属接触点处的高复合，背面接触点设计成 2mm的大间距和 2001Lm 的接触孔径。接触点间距需大于少子扩散长度以减小复合。这种电池达到了大约700mV 的开路电压和223的效率。 然而，由于接触点间距太大，串联电阻高，因此填充因子较低。（C）钝化发射区和背面局部扩散电池（PERL）：在背面接触点下增加一个浓硼扩散层，以减小金属接触电阻。 由于硼扩散层减小了有效表面复合，接触点问距可以减小到250µm、接触孔径减小到10µm 而不增加背表面的复合，从而大大减小了电他的串联电阻 。PERL 电池达到了 702mV 的开路电压和235的效率。 PERC和 PER1。电池的另一个特点是其极好的陷光效应。 由于硅是间接带隙半导体，对红外的吸收系数很低，一部分红外光可以穿透电池而不被吸收。 理想情况下入射光可以在衬底材料内往返穿过4n2次，n为硅的折射率。PER1。 电池的背面，由铝在 SiO2上形成一个很好反射面，入射光在背表面上反射回正表面，由于正表面的倒金字塔结构，这些反射光的一大部分又被反射回衬底，如此往返多次。Sandia国家实验室的P。Basore博士发明了一种红外分析的方法来测量陷光性能，测得PERL 电池背面的反射率大于 95，陷光系数大于往返25次。因此PREL 电他的红外响应极高，也特别适应于对单色红外光的吸收。在102µm波长的单色光下，PER1。 电他的转换效率达到 451。 这种电池 AM0 下效率也达到了 208。（D）埋栅电池：UNSW开发的激光刻槽埋栅电池，在发射结扩散后，用激光在前面刻出20µm 宽、40µm深的沟槽，将槽清洗后进行浓磷扩散。然后在槽内镀出金属电极。电极位于电池内部，减少了栅线的遮蔽面积。电池背面与PESC 相同，由于刻槽会引进损伤，其性能略低于PESC 电池。电他效率达到196。（2 2）斯但福大学的背面点接触电池（）斯但福大学的背面点接触电池（PCCPCC） ） 点接触电他的结构与PER1。 电池一样，用 TCA生长氧化层钝化电池正反面。 为了减少金属条的遮光效应，金属电极设计在电池的背面。电池正面采用由光刻制成的金字塔（绒面）结构。 位于背面的发射区被设计成点状，50µm间距，10µm 扩散区，5µm接触孔径，基区也作成同样的形状，这样可减小背面复合。 衬底采用 n型低阻材料（取其表面及体内复合均低的优势），衬底减薄到约100µm，以进一步减小体内复合。这种电他的转换效率在AM15 下为223。（3 3）德国）德国 FraunhoferFraunhofer 太阳能研究所的深结局部背场电池太阳能研究所的深结局部背场电池（LBSFLBSF）LBSF的结构与 PERL 电池类似，也采用TCA 氧化层钝化和倒金字塔正面结构。 由于背面硼扩散一般造成高表面复合，局部铝扩散被用来制作电池的表面接触，2cmX2cm电池电池效率达到 233（Voc=700mV，Isc413mA，FF 一0806）。（4 4）日本）日本 sHARPsHARP 的的 C C一一 SiSiµc-Siµc-Si 异质异质pppp+ +结高效电池结高效电池SHARP公司能源转换实验室的高效电池，前面采用绒面织构化，在 SiO2钝化层上沉积SiN 为A只乙后面用 RF-PECVD掺硼的 µc一Si薄膜作为背场，用SiN 薄膜作为后表面的钝化层，Al层通过SiN 上的孔与µcSi 薄膜接触。5cmX5cm电他在AM15 条件下效率达到214（Voc669mV，Isc40.5mA，FF=079）。（5 5）我国单晶硅高效电池）我国单晶硅高效电池天津电源研究所在国家科委“八五”计划支持下开展高效电池研究，其电池结构类似UNSw 的V型槽 PEsC电池，电池效率达到204。北京市太阳能研究所“九五”期间在北京市政府支持下开展了高效电池研究，电池前面有倒金字塔织构化结构，2cmX2cm电池效率达到了198，大面（5cmX5cm）激光刻槽埋栅电池效率达到了 186。1 13 3 多晶硅高效电池多晶硅高效电池多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、 省电、 节约硅材料，对材质要求也较低。 晶界及杂质影响可通过电他工艺改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。 电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。近年来吸杂工艺再度受到重视，包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。 吸杂工艺也在微电子器件工艺中得到应用，可见其对纯度达到一定水平的单晶硅硅片也有作用，但其所用的条件未必适用于太阳电他，因而要研究适合太阳电池专用的吸杂工艺。 研究证明，在多晶硅太阳电池上，不同材料的吸杂作用是不同的，特别是对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。 有学者提出了磷吸杂模型，即吸杂的速率受控干两个步骤：金属杂质的释放扩散决定了吸杂温度的下限；分凝模型控制了吸杂的最佳温度。 另有学者提出，在磷扩散时硅的自间隙电流的产生是吸杂机制的基本因素。常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电他的背场。 近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。钝化是提高多晶硅质量的有效方法。 一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷。 在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。 氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。 在多晶硅太阳电池表面采用 pECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率，近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。 使用 PECVD法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果。多晶硅太阳电他的表面由于存在多种晶向，不如（100）晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结、 构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cmX10cm 面积硅片的工序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。多孔硅作为多晶硅太阳电他的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所得多晶硅电他的效率也能达到 13。4。我国北京有色金属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅cZ 材料，因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力，因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重视。近10 年来多晶硅高效电他的发展很快，其中比较有代表性的工作是Geogia Tech电池，UNSW 电池，Kysera电池等。（1）Geogia Tech电池Geogia工业大学光伏中心使用电阻率 0.65 cm、厚度 280µm的HEM（热交换法）多晶硅片制作电池，n+发射区的形成和磷吸杂结合，采用快速热过程制备铝背场，用lift 一off法制备 TiPdAg前电极，并加双层减反射膜。1cm2电他的效率 AM1.5下达到 186。（2）UNSw电池uNsw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与 PER1。电池类似，只是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利的Eurosolare 提供，lcm2电他的效率AMI·5下,达到 19.8，这是目前水平最高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程的传统观念。（3）Kysera电池日本ky0cera 公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术，PECVDSiN膜既作为减反射膜，又作为体钝化措施，表面织构化采用反应性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。15cmX15cm大面积多晶硅电池效率达171。目前日本正计划实现这种电池的产业化。（4）我国多晶硅电他北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作，目前 10cmX10cm 电池效率达到118。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究，1cm2电池效率达到 14·5。我国中试生产的10cmX10cm 多晶硅太阳电他的效率为10一 11，最高效率为 12。1 14 4 多晶硅薄膜电池多晶硅薄膜电池自70 年代以来，为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电他，硫化镐（CdTe）电他，铜钢硒（C1S）电池等。特别是非晶硅电池，80年代初一问世，很快实现了商业化生产。1987年非晶硅电他的市场份额超过 40。 但非晶硅电池由于效率低、 不稳定（光衰减），市场份额逐年降低，1998年市场份额降为 13。cdTe电池性能稳定，但由于资源有限和Cd 毒性大，近 10年来市场份额一直维持在：13左右；c1S 电他的实验室效率不断攀升：最近达到 18，但由于中试产品的重复性和一致性没有根本解决，产业化进程一再推后，至今仍停留在实验室和中试阶段；与此同时，晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电他的高效、稳定、 无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、 节省材料、 大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。 另一方面，采用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低成本的目的。 严格说，后者不属于薄膜电他技术，只能算作薄片化硅电池技术。（1）CVD多晶硅薄膜电池各种cvD（PECVD，RTCVD，cat 一CVD，Hot一 wire CVD等）技术被用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要的结果。 例如日本 kaneka 公司采用PECVD 技术在550以下和玻璃衬底上制备出具有pin 结构的多晶硅薄膜电池，电池总厚度约2尸 m，效率达到 10；德国 Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2 和siN 包覆陶瓷或 sic 包履石墨为衬底，用快速热化学气相沉积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分别达到93和 11。北京市太阳能研究所自1996 年开始开展多晶硅薄膜电他的研究工作。 该所采用 RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池，1cm2电池效率在 AM15条件下达到 13.6，目前正在向非硅质衬底转移。（2）多层多晶硅薄膜电池uNSW1994年提出一种多层多晶硅薄膜电他的概念和技术，1994年与 Pacific Power 公司合作成立kcifiC sO1ar公司开发这种电池。最近报道，该公司已经生产出30cmX40cm 的中试电池组件。薄膜采用 CVD 工艺沉积，衬底为玻璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。 据称，电池组件的主要成本是封装玻璃，商业化后的发电成本可与煤电相比。