高效HIT太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r

1、第 2卷 第 1期微電子期刊 V ol.2 No.1 2012年 3月 Scientific Journal of Microelectronics(SJM Mar. 2012 PP.21-31 © 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD高效 HIT 太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r 喬秀梅 1,2,賈銳 1,侯登錄 2,丁武昌 1,崔冬萌 1,陳晨 1,孟彥龍 1,張代生 1,劉新宇 The New Development Status of the High Efficiency HIT Solar Ce

2、ll11 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 微波器件與集成電路研究室,北京 1000292 河北師范大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,河北 石家莊 050024 摘 要:帶有本征薄層的異質(zhì)結(jié)(Heterojunction with Intrinsic Thin film(HIT 太陽(yáng)能電池起源于 Hamakawa et al.設(shè)計(jì)的 a-Si/c-Si堆疊太陽(yáng)能電池,與單晶、非晶硅太陽(yáng)能電池相比,其具有低溫工藝,高的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展前景。 本文介紹了 HIT 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和能帶并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析, 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)從清洗, 透明導(dǎo)電氧化層 (TCO 的制備,非晶硅層的制備,背表面場(chǎng)的

3、制備等方面深入分析了 HIT 太陽(yáng)能電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r,并以三洋公司為引線(xiàn),簡(jiǎn) 單介紹了 HIT 太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞:HIT ;太陽(yáng)能電池;結(jié)構(gòu);特點(diǎn);技術(shù)發(fā)展;產(chǎn)業(yè)發(fā)展Xiumei Qiao1,2 , Rui Jia1, Denglu Hou 2 , Wuchang Ding 1 Dongmeng Cui 1, Chen Chen1, Yanlong Meng1,Daisheng Zhang1, Xinyu Liu1 Laboratory of Microwave Devices and Integrated Circuits, Institute of Microelectr

4、onics of Chinese Academy of Sciences, Beijing,China, 1000292 College of Physies Science and Information Engineering, Hebei Normal University, Shijiazhuang, Hebei,China, 050024qiaomei.hi1Abstract: Heterojunction with Intrinsic Thin film(HIT solar cells originate from a-Si/c-Si stack solar cell design

5、ed by Hamakawa et al. Compared with conventional silicon solar cells, HIT solar cells have the advantages of low-temperature fabrication process and high stability, with broad prospects for the future application. The paper first introduces the structure of HIT solar cells and the heterojunction ban

6、d structure, and deeply analyzes their characteristics. Then based on relevant literature, the situation of technology development of the HIT solar cells is illustrated from the following aspects: wafer cleaning, preparation of transparent conducting oxides (TCO, deposition method of amorphous silic

7、on layer, and investigation of the back surface field. Finally, we take a view at the industrialization status of the HIT solar cells with the case study of Sanyo Company. Key words: HIT; Solar Cell; structure; character; technology development; industry development引 言隨著能源的緊缺以及人們對(duì)友好型環(huán)境的要求,太陽(yáng)能作為一種清潔能

8、源及其可再生性成為人類(lèi)的首選能 源。隨著 1954年第一塊 c-Si 太陽(yáng)能電池問(wèn)世 1以來(lái),光伏產(chǎn)業(yè)越來(lái)越受到人們的矚目。太陽(yáng)能行業(yè)迅速發(fā)展,于 1974年在美國(guó) RCA 實(shí)驗(yàn)室誕生了第一塊非晶硅太陽(yáng)能電池 2資金資助:國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(11104319 ;國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51172268 ;中國(guó)科學(xué)院院方向性項(xiàng)目 (Y2YF014001 。 目前, 硅太陽(yáng)能電池仍占據(jù)著光伏市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。 晶體硅太陽(yáng)能電池效率較高,穩(wěn)定性好、資源豐富,但其制備工藝復(fù)雜,材料價(jià)格昂貴,且其制作溫度較高。而 非晶硅太陽(yáng)能電池成本較低,可以大面積生產(chǎn),但非晶硅材料本身缺陷較多,太陽(yáng)能電池效

9、率偏低,且因材料本 Scientific Journal of Microelectronics (SJM PP.21-31© 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD -22-身的光致衰退效應(yīng)使得電池性能不穩(wěn)定,這就迫使人們尋求新型的光伏材料或一種結(jié)構(gòu)。近幾年來(lái), HIT 太陽(yáng)能 電池得到迅速發(fā)展, 這種簡(jiǎn)單而新穎的結(jié)構(gòu)吸引著人們的注意力, 因其利用薄膜制造工藝優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又發(fā)揮了晶 體硅和非晶硅材料性能的特點(diǎn), 在形成 pn 結(jié)的同時(shí)鈍化了晶體硅表面, 減少表面復(fù)合實(shí)現(xiàn)高的效率, 具有較好的 溫度系

10、數(shù),可以獲得更高的 V oc ,具有實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、低成本太陽(yáng)電池的發(fā)展前景。1 HIT 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)1.1 HIT太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)1.1.1基本結(jié)構(gòu)HIT 電池的本質(zhì)是異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池, A.I.Gubanov 3,4于 1951年就已經(jīng)提出了異質(zhì)結(jié)的概念,并且進(jìn)行了理 論分析,但是由于當(dāng)時(shí)制備異質(zhì)結(jié)的工藝技術(shù)十分復(fù)雜和困難,所以異質(zhì)結(jié)的樣品遲遲沒(méi)有制備成功。 1960年 Anderson 成功的制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)樣品,還提出了十分詳細(xì)的理論模型和能帶結(jié)構(gòu)圖 5。帶本征薄層異質(zhì)結(jié) (HIT 太陽(yáng)能電池是由 Makoto Tanaka 和 Mikio Taguchi 等人于 19

11、92年在三洋公司第一次制備成功 6。圖 1為 常見(jiàn)的雙面異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)構(gòu)示意圖,其特征是三明治結(jié)構(gòu),中間為襯底 p(n型晶體 Si ,光照側(cè)是 n(p-i型 a-Si 膜, 背面?zhèn)仁?i-p +(n+ 型 a-Si 膜,在兩側(cè)的頂層濺射 TCO 膜,電極絲印在 TCO 膜上,構(gòu)成具有對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu)的 HIT 太陽(yáng)電 池。本征 a-Si:H起到鈍化晶體硅表面的缺陷的作用。最常見(jiàn)的是 p 型硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,其廣泛應(yīng)用于光伏 產(chǎn)業(yè),因?yàn)?p 型硅片是常見(jiàn)的光伏材料且以 p 型單晶硅為襯底的電池接觸電阻較低 7,但是由于硼和間隙氧的存 在,使得以 p 型單晶硅為襯底的太陽(yáng)電池有較嚴(yán)重的光照衰減問(wèn)題

12、8。且由于 c-Si(p/a-Si(i/p界面氫化非晶硅價(jià)帶 帶階(0.45ev 要比導(dǎo)帶帶階大(0.15ev 9, n 型硅基比 p 型硅基更適合雙面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。圖 2是異質(zhì)結(jié) 的能帶圖 9。對(duì) n 型 Si 襯底 HIT 電池,前表面處較大的價(jià)帶帶階形成少子空穴勢(shì)阱,因勢(shì)阱中空穴勢(shì)壘較高,熱 發(fā)射概率小,從而有效地阻止了光生空穴的傳輸。在背面處,薄本征 a-Si:H層以及 n 型 a-Si:H層與 n 型 c-Si 形成有效 的背表面場(chǎng)(BSF ,其價(jià)帶處較大的帶階及較厚的本征層形成了空穴反射鏡,而導(dǎo)帶處較小的帶階差對(duì)電子的 傳輸不構(gòu)成阻礙。即 a-Si:H(i/n提供了完美的多子輸

13、運(yùn)的背接觸及少子反射的反射鏡。對(duì) p 型襯底 HIT 電池,前表 面處導(dǎo)帶帶階小,電子受到較小的阻礙,比在 n 型襯底結(jié)構(gòu)中更容易被收集,所以?xún)?nèi)建電壓比 n 型襯底的低很多。 在背面處, 導(dǎo)帶帶階小, 形成的反射鏡作用弱得多。 另外, 價(jià)帶處大的帶階, 在很大程度上阻礙了多子的收集 9。 可見(jiàn),理論上從帶階的比較中可以看出 n 型襯底比 p 型襯底更適合雙面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。同時(shí), n 型襯底電池克 服了 p 型 Si 襯底上電池的光致衰退現(xiàn)象,而且 n 型 Si 材料中高效復(fù)合中心的密度遠(yuǎn)低于 p 型材料。盡管如此,目前 許多研究者還著重研究 p 型硅襯底異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,因?yàn)?p 型硅襯底

14、的少子是電子,而在 p 型材料中電子具有更 高的體擴(kuò)散長(zhǎng)度。美國(guó)的 NREL 長(zhǎng)期致力于 p 型硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的研究 10,且中國(guó)科學(xué)院的 zhao 等人通過(guò) AFORS-HET 模擬得到 TCO 的功函數(shù)是影響 p 型硅基雙面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵因素 11。圖 1 HIT太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu) 電極 喬秀梅,等 高效 HIT 太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r PP .21-31©2011 American V-King Scientific Publishing, LTD-23-圖 2(a n 型晶硅基雙面 HIT 能帶圖 圖 2(b p 型晶硅基雙面

15、HIT 能帶圖1.1.2衍生結(jié)構(gòu)HIT 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要通過(guò)復(fù)雜的工藝就可以獲得高效率,通常一種工藝可實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能,在 a-Si/c-Si之間插入 i-a-Si 形成 pn 結(jié)的同時(shí)低溫鈍化硅表面,很大程度上減少了 c-Si 的表面復(fù)合。在電池背面用 HIT 結(jié)構(gòu)鈍化表面的同時(shí)可以形成背表面場(chǎng),使得 HIT 電池有著對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),在一定程度上減少了電池的熱應(yīng)力和機(jī)械 應(yīng)力,允許薄硅片的使用,同時(shí)電池的背面可以利用地面的反射光產(chǎn)生電能。為了避免一般 HIT 電池的前 TCO 和 a-Si:H發(fā)射層對(duì)光的吸收,一些科研人員于 2007年提出 IBC-SJ 電池 12,這種電池的發(fā)射極和背接觸

16、以異質(zhì)結(jié)的 形式放在電池背面 (圖 313 ,其效率到目前還很低(T. Desrues等人獲得 15.7%的效率 14 , 但是理論研究得到這 種電池的效率可超過(guò) 26%15。法國(guó)的 T. Desrues等人在研究 IBC Si-HJ電池時(shí)為了優(yōu)化 a-SI:H層材料提高表面鈍化 以減少阻抗損失制作了 “ 倒置 ” Si-HJ 電池(圖 413 。事實(shí)上,早在 2006年 Wünsch16等人為了克服寄生吸收, 第一次將異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)在電池背面。目前,德國(guó)的 Martin 等人設(shè)計(jì)的具有 SHJ 背發(fā)射極和擴(kuò)散前表面場(chǎng)(FSF 的小 面積 n +np + n型硅太陽(yáng)能電池(圖 5已經(jīng)獲得

17、 20.6 %的效率17。圖 3 IBC Si-HJ電池的示意圖 圖 4倒置 Si-HJ 電池的示意圖圖 5帶有 SHJ 背發(fā)射極和擴(kuò)散前表面場(chǎng)的 n+np+太陽(yáng)能電池的橫截面圖Scientific Journal of Microelectronics (SJM PP.21-31© 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD -24-1.2 HIT太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)1.2.1低溫工藝在 HIT 太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中,所有的加工溫度都低于 250 ºC,避免了生產(chǎn)效率低而成本高的高溫?cái)U(kuò)散制結(jié) 的

18、過(guò)程,而且低溫環(huán)境使得 a-Si 薄膜的光學(xué)帶隙、沉積速率、吸收系數(shù)以及氫含量得到較精確的控制。 HIT 太陽(yáng) 能電池要求本征非晶硅層有寬的光學(xué)帶隙,而本征非晶硅薄膜的光學(xué)帶隙隨襯底的溫度升高而降低(圖 618 , 同時(shí)當(dāng)襯底溫度較高時(shí), 將降低生長(zhǎng)粒子 SiH 3的擴(kuò)散能力, 此時(shí), 非晶硅薄膜以 SiH 為 主(SiH 2+SiH4=SiH3+SiH3, SiH+SiH4=SiH2+SiH3, Si+SiH4=SiH+SiH3 ,同時(shí)留下大量的懸掛鍵,形成大量懸掛鍵缺陷態(tài)密度(圖 7 19, 當(dāng)溫度較低時(shí)生長(zhǎng)粒子 SiH 3具有較低的表面活性能,不容易找到能量最低的位置成鍵而結(jié)晶 20,此

19、時(shí),表面氫 以穩(wěn)定的速率析出,而懸掛鍵的復(fù)合速率很小,從而導(dǎo)致懸掛鍵缺陷態(tài)密度的增加(圖 7 。同時(shí)過(guò)低的襯底溫 度會(huì)使非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)疏松, 影響薄膜的質(zhì)量, 因此選擇適合的溫度有利于生長(zhǎng)出高質(zhì)量的薄膜, 實(shí)驗(yàn)分析證明 250時(shí)制備的薄膜質(zhì)量最好 21。同時(shí)對(duì)于 TCO 膜(以 ITO 膜為例 ,薄膜的電阻率隨著沉積溫度的升高而下降直 到 200 ,然后隨著沉積溫度的升高又開(kāi)始增加(圖 822 ,同時(shí),基片溫度對(duì)薄膜透射率有著明顯的影響(圖 923 。因此,由圖 8、 9可見(jiàn), 200 為其優(yōu)化的沉積溫度,非常適合 HIT 太陽(yáng)電池的低溫制備工藝。圖 6光學(xué)帶隙與襯底溫度的關(guān)系曲線(xiàn) 圖 7懸掛

20、鍵密度和基底溫度的關(guān)系圖 8 ITO薄膜電阻率隨沉積溫度的變化關(guān)系 圖 9基片溫度和透光率的關(guān)系曲線(xiàn)低的加工溫度預(yù)防了晶體硅基底整體性質(zhì)的衰減, 減輕了硅片的熱應(yīng)力和損壞, 保持了硅片的原有質(zhì)量, 有 利于實(shí)現(xiàn)硅片的輕薄化(當(dāng)晶硅薄至 160nm 時(shí),經(jīng)過(guò)高溫會(huì)因熱應(yīng)力而導(dǎo)致硅片彎曲 24 ,可以使硅片的厚度降 低到光吸收所需的最小值,進(jìn)一步降低了 HIT 電池的生產(chǎn)成本。 喬秀梅,等 高效 HIT 太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r PP .21-31©2011 American V-King Scientific Publishing, LTD-25-圖 10

21、 效率為 20%的 HIT 電池的光照輻射效應(yīng) 圖 11HIT 太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓和溫度系數(shù)的關(guān)系1.2.2高的穩(wěn)定性在 HIT 太陽(yáng)能電池中不會(huì)出現(xiàn)非晶硅太陽(yáng)能電池中常見(jiàn)的 Staebler-Wronski 效應(yīng) 25,文獻(xiàn) 26報(bào)道了對(duì)轉(zhuǎn)換效 率為 20%的 HIT 太陽(yáng)能電池樣品在 5 個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度下進(jìn)行 5 h 光輻射試驗(yàn), 結(jié)果是電池沒(méi)有發(fā)生光照衰退現(xiàn)象 (圖10 。這表明 a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池具有較高的光照穩(wěn)定性,因此 HIT 太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率不會(huì)隨著光 照時(shí)間的增長(zhǎng)而衰減。一般情況下,溫度是決定太陽(yáng)電池輸出特性的關(guān)鍵因素之一,和傳統(tǒng)的擴(kuò)散 pn 結(jié)相比, HI

22、T 電池有著好的溫度穩(wěn)定性, 傳統(tǒng)擴(kuò)散 pn 結(jié)太陽(yáng)能電池的溫度系數(shù)為 -0.45%/, 而異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的溫度系 數(shù)可到達(dá) -0.25%/ 27,這就使得電池在高溫工作條件下電池的退化效率較小。從圖 11282 HIT 太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn), V oc 越高, 輸出特性的溫度依存性越小。也就是說(shuō),開(kāi)路電壓高的 HIT 太陽(yáng)電池表現(xiàn)出更好的溫度特性。2.1 HIT太陽(yáng)能電池的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)2.1.1清洗技術(shù)在 HIT 太陽(yáng)能電池中,異質(zhì)結(jié)決定電池的最終特性,晶體硅襯底作為異質(zhì)結(jié)的一面,其表面的潔凈程度是決 定電池性能的關(guān)鍵因素之一, 因此硅片的清洗是至關(guān)重要的一環(huán), 其目的是預(yù)防因硅片

23、表面的不潔凈而引進(jìn)缺陷 和雜質(zhì)進(jìn)一步增大結(jié)的復(fù)合而降低表面鈍化。潔凈的硅片表面是指硅表面不存在雜質(zhì)顆粒、金屬、有機(jī)物、濕氣 分子以及自然氧化膜。 經(jīng)過(guò)科研人員的大量科學(xué)研究, 人們發(fā)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)潔凈的硅片表面, 清洗硅片的一般思路 是先去除有機(jī)物, 再去除顆粒和金屬, 然后去除氧化層。 目前最常用的硅片清洗方法是由 Werner Kern 等人于 1965 年在美國(guó)的 RCA 實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)的 RCA 濕化學(xué)清洗法,并在 1970年發(fā)表 29,30。 RCA 清洗法主要包括 SPM (H 2SO 4: H 2O 2 =3:1亦稱(chēng)三號(hào)液去除有機(jī)物, DHF (HF :H 2O=1:30去除氧化層, A

24、PM (NH 4OH: H2O 2: H2O=1:1:5 亦稱(chēng)一號(hào)液去除顆粒, HPM (HCL: H 2O 2: H 2O=1:1:6亦稱(chēng)二號(hào)液去除金屬雜質(zhì)。但是 RCA 清洗法使用大量的 高純度化學(xué)試劑, 增加成本的同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。 尤其是高濃度 H 2SO 4在高溫下, 對(duì)環(huán)境極為不利。 為了達(dá)到很好的清洗效果的同時(shí)降低成本, 減少對(duì)環(huán)境的污染, 人們對(duì)新的清洗劑和清洗工藝進(jìn)行了深入的研究。 據(jù)文獻(xiàn) 31-34報(bào)道的臭氧超純水清洗法與 RCA 清洗法相比具有較大的優(yōu)勢(shì), 因?yàn)槌粞醯难趸€原勢(shì)比濃硫酸和過(guò) 氧化氫都高, Jeon 和 Raghavan 35,36于 1997

25、年提出了利用兆聲波激發(fā)臭氧水對(duì)硅片進(jìn)行清洗,索尼公司的 H.Takeshi 37等人在室溫下交替用臭氧水和 DHF 清洗硅片數(shù)秒鐘,可有效去除金屬、顆粒、有機(jī)物,而不增加微 粗糙度。 1994 年山東大學(xué)光電材料與器件研究所發(fā)明了含表面活性劑和螫合劑的新型清洗劑及清洗技術(shù),發(fā)現(xiàn)Scientific Journal of Microelectronics (SJM PP.21-31© 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD -26-這種清洗技術(shù)的清洗效果和 RCA 清洗效果相當(dāng) (表一給出了經(jīng)清洗過(guò)的

26、硅片表面的三種元素的濃度, 可以看出新 型清洗工藝碳污染的濃度小于 RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗技術(shù)。 表二給出了 X 射線(xiàn)光電子譜測(cè)量的結(jié)合能為 284.7eV 的 C1s 峰的 擬合結(jié)果,可見(jiàn)兩種清洗技術(shù)碳污染所占的比例不同 38 表 1 硅片表面的元素及其濃度。表 2 硅片表面的碳組分及所占比例 元素新型清洗技術(shù) RCA 清洗技術(shù) Si2p 濃度 %45.45 39.52 C1s 濃度 %16.16 20.85 O1s 濃度 % 38.39 透明導(dǎo)電氧化膜 (TCO膜的制備由于非晶硅的導(dǎo)電性較差,所以在 HIT 的制作過(guò)程中,在電極和非晶硅層之間加一層 TCO 膜可以有效地增加 載

27、流子的收集。 透明導(dǎo)電氧化薄膜具有光學(xué)透明和導(dǎo)電雙重功能, 對(duì)有效載流子的收集起著關(guān)鍵作用, 可以減少 光的反射, 起到很好的陷光作用, 是很好的窗口層材料, 其種類(lèi)較多, 目前研究和應(yīng)用最多的是摻錫氧化銦 (ITO薄膜 39和摻鋁氧化鋅 (AZO薄膜 40, 而摻鋁氧化鋅是最具有發(fā)展?jié)摿Φ?TCO 膜, 因?yàn)檠趸熷a的原料價(jià)格昂貴且 其在氫等離子體中不穩(wěn)定,而摻鋁氧化鋅原料豐富,成本較低,且摻鋁氧化鋅薄膜無(wú)毒,熱穩(wěn)定性好易于制造, 且其具有與 ITO 膜相比擬的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。 TCO 薄膜的制備方法較多,包括各種物理氣相沉積 (PVD41-45,化 學(xué)氣相沉積 (CVD46-48,噴射熱分

28、解法 49以及溶膠 -凝膠法 (Sol-Gel50512.1.3非晶硅層的制備,每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn),其中 應(yīng)用和研究最廣泛,技術(shù)最成熟的是磁控濺射。磁控濺射具有良好的可控性,容易獲得均勻性薄膜,薄膜性能良 好,薄膜基底結(jié)合性好,而且濺射技術(shù)成本低,適合沉積大面積薄膜。但是濺射過(guò)程中產(chǎn)生的高能濺射粒子轟擊 襯底和開(kāi)始生成的薄膜容易造成薄膜表面損傷。 脈沖激光沉積是 20世紀(jì) 80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種很有競(jìng)爭(zhēng)力 的物理真空沉積法,其生長(zhǎng)參數(shù)獨(dú)立可調(diào),工藝可重復(fù)性好,可精確控制化學(xué)計(jì)量、合成與沉積同時(shí)完成、對(duì)靶 的質(zhì)量與表面無(wú)要求等優(yōu)點(diǎn),薄膜平整度也較高。但是不宜獲得大面積均勻薄膜。溶膠

29、-凝膠法是 20世紀(jì) 60年 代發(fā)展起來(lái)的一種重要的薄膜制備方法,無(wú)需真空設(shè)備,工藝簡(jiǎn)單,薄膜高度均勻,可在任意形狀大面積襯底上 成膜,成膜溫度低,但是制備的 TCO 膜須經(jīng)過(guò)后續(xù)的退火處理,且制備過(guò)程中有大量的變量,會(huì)影響物化特性, 進(jìn)一步影響薄膜質(zhì)量。真空蒸鍍也是一種重要的制備 TCO 膜的方法,該方法設(shè)備簡(jiǎn)單,較易控制薄膜的厚度,但 是該方法工藝重復(fù)性差,且真空度的高低和薄膜的質(zhì)量緊密關(guān)聯(lián)。a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)充分結(jié)合了 a-Si 和 c-Si 的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處。 pn 結(jié)界面的質(zhì)量嚴(yán)重影響著 HIT 太陽(yáng)能電池的效率。 以晶體硅為襯底,非晶硅薄膜質(zhì)量是影響 HIT 太陽(yáng)電池性能的關(guān)

30、鍵因素。因此,非晶硅薄膜的制備是 HIT 太陽(yáng)能 電池的核心技術(shù)。目前,常用的沉積 a-Si 薄膜的設(shè)備有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD和熱絲化學(xué)氣相沉積 (HWCVD。到目前為止,性能最好的 HIT 太陽(yáng)能電池的非晶硅薄膜是用 PECVD 制備的 52, PECVD 技術(shù)是一種 低溫、適合大規(guī)模生產(chǎn)的沉積技術(shù),有利于降低生產(chǎn)成本,但是 PECVD 存在著自身的不足,主要表現(xiàn)在等離子 的不穩(wěn)定性 53和等離子體的損傷 54。與 PECVD 相比, HWCVD 技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、氣體利用率高 等特點(diǎn) 55-58, 而且其沉積過(guò)程不需要等離子體, 可以減少高能等離子體對(duì)襯底的轟

31、擊效應(yīng), 同時(shí)能產(chǎn)生鈍化硅表 面的氫原子,而且其沉積速率和氣體分解都優(yōu)于 PECVD 。但是, HWCVD 容易導(dǎo)致 Si 的低溫外延 59,因此,利 用 HWCVD 制備 HIT 工藝時(shí),將硅基底溫度控制在 250以下或者更低,避免外延硅的形成 60。 喬秀梅,等 高效 HIT 太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展?fàn)顩r PP .21-31©2011 American V-King Scientific Publishing, LTD-27- 2.1.4背面場(chǎng)的制備當(dāng)今, 隨著電池薄膜化, 少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和硅基底的厚度相當(dāng)或更大, 背表面復(fù)合對(duì)少數(shù)載流子壽命 會(huì)產(chǎn)

32、生明顯影響。為了提高少數(shù)載流子壽命,可以采用背表面場(chǎng)或高低結(jié)。對(duì) p 型襯底的電池來(lái)說(shuō), Al 背場(chǎng)和 B 擴(kuò)散背場(chǎng)是最常用的背面鈍化工藝。許多研究人員對(duì) Al 背場(chǎng)和 B 擴(kuò)散背場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)的研究 61-64。但是 Al 背場(chǎng) 會(huì)導(dǎo)致背表面產(chǎn)生高的暗飽和電流,從而限制了開(kāi)路電壓,同時(shí) Al 背場(chǎng)和 B 擴(kuò)散背場(chǎng)都需要經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié),在 a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池, a-Si 經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié),將會(huì)在一定程度上晶化,進(jìn)而影響太陽(yáng)能電池的性能。只能先 制備背面場(chǎng)后沉積非晶硅薄膜,但是這會(huì)對(duì)沉積腔室造成一定的污染。同時(shí),當(dāng)硅片薄至 200µm時(shí)經(jīng)過(guò)高溫會(huì) 發(fā)生一定程度的彎曲, 從而影響

33、硅片的加工和模塊的組裝。 而雙面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池可以在低溫下在電池背面利 用 HIT 結(jié)構(gòu)形成背面場(chǎng)。背電場(chǎng)的方向和電池本身的 pn 結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向一致,可以提高 V oc ,同時(shí)背面場(chǎng)可以使 光生載流子加速,提高短路電流,使少數(shù)載流子遠(yuǎn)離背面,減少背表面復(fù)合。同時(shí),背面的 HIT 結(jié)構(gòu)利用周?chē)?射的光,也可產(chǎn)生能量輸出。根據(jù)模塊設(shè)計(jì)和地理位置的不同,這種結(jié)合有雙面 HIT 結(jié)構(gòu)的模塊在每平方英尺可 以多產(chǎn)生 30%的電能 652.2 HIT太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。隨著光伏行業(yè)向高效、低成本方向發(fā)展, HIT 太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生。三洋公司最初將 a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于 太陽(yáng)能電池中

34、,并在 1997年大批量生產(chǎn) HIT 太陽(yáng)能電池,首次將其投入市場(chǎng),推出了名為 HIT Power 21TM 電池模 塊, 模塊效率為 15.2%, 輸出功率為 180W 。 隨后推出了安裝在屋頂?shù)碾p面太陽(yáng)能電池模塊 (HIT Power DoubleTM , 也可安裝在地面或像圍墻等垂直的設(shè)施上 66。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)電池板的大量需求,在 2003年,三洋在蒙特 雷、 墨西哥、 匈牙利建立了面對(duì)北美、 歐 洲 市場(chǎng)的 HIT 電池板的生產(chǎn)廠家 67。 在 2006年實(shí)現(xiàn)了最高轉(zhuǎn)換效率 21.8 %的 HIT 太陽(yáng)電池 28, 2009年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 98微米厚、 100.3 cm2實(shí)用尺寸的

35、, 擁有轉(zhuǎn)換效率 22.8%的 HIT 太陽(yáng)能電池68 ,到 2011年,三洋制備的 HIT 太陽(yáng)能電池獲得世界最高的效率,達(dá)到 23.7%(V oc :0.745 V, I sc :39.38 mA/cm2, FF: 80.9%, 100.7 cm2 (圖 1269 ,其轉(zhuǎn)化效率逐年上升(圖 1369 ,同時(shí),使用了少的晶體硅材料,卻獲得高 的效率,適應(yīng)太陽(yáng)能電池的低成本,高效率的要求。據(jù) 2011年 6月公布的數(shù)據(jù),三洋公司的 HIT-N240SE10模塊 的效率達(dá)到 19.00%,在不同制造商生產(chǎn)的模塊中排列第三。并于 2011年在意大利的托雷圣蘇珊娜建造了世界最 大的非晶硅鍺混合型異質(zhì)

36、結(jié) (HIT太陽(yáng)能電池模組的太陽(yáng)能發(fā)電廠70?？梢?jiàn), HIT 太陽(yáng)能電池市場(chǎng)有很大的潛力。圖 12 HIT太陽(yáng)能電池短波區(qū)域的外量子效率 圖 13 HIT太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的上升趨勢(shì)3 結(jié)束語(yǔ)Scientific Journal of Microelectronics (SJM PP.21-31© 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD -28-利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)解決能源和環(huán)境問(wèn)題,受到全世界的青睞,世界對(duì)太陽(yáng)能電池的需求也逐年增加, HIT 太 陽(yáng)能電池因其自身的優(yōu)點(diǎn)也迅速發(fā)展。盡管 HIT 太陽(yáng)能

37、電池的效率已達(dá)到 23.7%,但其仍不是世界轉(zhuǎn)換效率最高 的電池,為了實(shí)現(xiàn)高效率的 HIT 太陽(yáng)能電池,需要解決的問(wèn)題包括改進(jìn)硅片的清洗技術(shù),界面的鈍化,減少 ITO 和非晶硅對(duì)光的吸收以及對(duì)柵電極的優(yōu)化。 同時(shí), 硅襯底的類(lèi)型有多種, 選擇合適的襯底材料對(duì)提高電池的效率 也是至關(guān)重要的。而絨面襯底能起到很好的減反效果,可以提高電池的 I sc 到目前,只有 Sanyo 公司的 HIT 電池成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,但其對(duì) HIT 電池的相關(guān)參數(shù)以及制備過(guò)程無(wú)詳細(xì) 報(bào)道, 而世界各地的科研小組至今沒(méi)有能達(dá)到或重復(fù) sanyo 公司的實(shí)驗(yàn)效果。所以為了達(dá)到高的效率以及實(shí)現(xiàn)我 國(guó) HIT 電池的產(chǎn)業(yè)化,仍

38、需科研人員進(jìn)一步鉆研,提供相關(guān)的科研文獻(xiàn),需要企業(yè)界人士的重視,為 HIT 太陽(yáng) 能電池的進(jìn)一步發(fā)展及工業(yè)化提供技術(shù)支持。,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。參考文獻(xiàn)1 ANAKA M, OKAMOTO S, TSUGE S, et al. Development of HIT solar cells with more than 21% conversion efficiency andcommercialization of highest performance HIT modulesC. Proceedings of 3rd WCPEC, Osaka, Japan, 2003:955-958.2 ST

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