天津電源研究所杜永超1

1、空間用雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池杜永超，劉春明，劉漢英，韓志剛，王景霄（天津電源研究所，天津 300381）摘 要：在近地球軌道的空間環(huán)境中，太陽(yáng)電池除了可以利用直射的太陽(yáng)光將光能轉(zhuǎn)換為電能，也可以利用地球表面反射的太陽(yáng)光進(jìn)行發(fā)電。本文介紹了能夠同時(shí)利用直射太陽(yáng)光和反射太陽(yáng)光進(jìn)行發(fā)電的硅太陽(yáng)電池的發(fā)展及應(yīng)用概況。天津電源研究所研制的空間用雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池正表面AM0光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16.64%，背表面的AM0光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了12.1%。關(guān)鍵詞：雙面發(fā)電，太陽(yáng)電池，光電轉(zhuǎn)換效率，空間Abstract: In the aerospace environment near the Earth, th

2、e solar cells can convert both solar radiation energy and the reflectance energy from the Earth into electric energy at the same time. The development and progress of bifacial solar cells are reviewed in this paper. The development of bifacial solar cells in TianJin Institute of Power Sources is int

3、roduced. Keywords：Bifacial solar cells，efficiency，space application1 前 言在近地球軌道的空間環(huán)境中,太陽(yáng)電池可利用的能量除了來(lái)自于太陽(yáng)的直射光外,還可以利用地球表面上云層、海洋和沙漠等反射的太陽(yáng)光?？臻g用雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池就是根據(jù)空間環(huán)境的實(shí)際需要而開發(fā)的新型太陽(yáng)電池，它的兩個(gè)表面都能將光能轉(zhuǎn)換為電能。雙面發(fā)電電池通過(guò)利用地球表面的反射光，可以使太陽(yáng)電池陣的整體輸出功率提高30%左右。所以與單面發(fā)電的太陽(yáng)電池相比，雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池有著更高的面積比功率，重量比功率，這對(duì)降低發(fā)射成本尤其重要。此外，空間用雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池有著

4、優(yōu)良的抗輻照性能和良好的紅外透過(guò)能力，可以降低太陽(yáng)電池的在軌工作溫度，從而提高太陽(yáng)電池陣的輸出功率。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)水平的提高，越來(lái)越多的新手段應(yīng)用于太陽(yáng)電池的研究過(guò)程，表面鈍化技術(shù)、織化結(jié)構(gòu)制備、多層減反射膜匹配、新膜系的應(yīng)用、太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)水平的提高以及新材料的應(yīng)用， 都對(duì)太陽(yáng)電池的性能提高起到了事關(guān)重要的作用1-3。目前，國(guó)際上航天領(lǐng)域居領(lǐng)先地位的國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家，均有雙面發(fā)電的硅太陽(yáng)電池應(yīng)用于航天飛行器能源系統(tǒng)的太陽(yáng)陣。美國(guó)的“國(guó)際號(hào)”空間站采用的就是典型效率為14.2%的8cm×8cm的卷包發(fā)射結(jié)電極的雙面發(fā)電太陽(yáng)電池；日本SHARP公司研制的雙面結(jié)太陽(yáng)電池也

5、可以進(jìn)行雙面發(fā)電，其上表面的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.4%，而且具有優(yōu)良的抗輻照性能，據(jù)報(bào)導(dǎo)已經(jīng)裝備了十幾顆衛(wèi)星；俄羅斯雙面發(fā)電太陽(yáng)電池也早已廣泛應(yīng)用于空間飛行器，并取得了很大的成功據(jù)悉其太陽(yáng)電池的上表面光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，下表面的光電轉(zhuǎn)換效率為12%左右。 在繼光電轉(zhuǎn)換效率15%的8cmX8cm卷包發(fā)射結(jié)電極硅太陽(yáng)電池研制成功之后，天津電源研究所在雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池研究方面又取得了突破性的進(jìn)展，通過(guò)應(yīng)用表面織化、鈍化發(fā)射結(jié)、雙表面鈍化、應(yīng)用多層減反射膜等技術(shù)手段，研制出了新型的雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池，上表面的AM0效率達(dá)到了16.64%，背表面的效率達(dá)到了12.1%。2 雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池制備

6、實(shí)驗(yàn)中制備雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池的基體材料采用空間太陽(yáng)電池常用的10-cm的P型直拉單晶硅片，經(jīng)過(guò)機(jī)械化學(xué)的方法減薄至所需厚度，再制備隨機(jī)金字塔陷光表面結(jié)構(gòu)、選擇性發(fā)射結(jié)、全背場(chǎng)和雙面電極，工藝過(guò)程中每完成一道工序都在進(jìn)行少子壽命的測(cè)試工作，以保證各步的工藝質(zhì)量。該太陽(yáng)電池的上下電極均為柵線形式，上電極為鈦-鈀-銀結(jié)構(gòu)，下電極為鋁-鈦-鈀-銀結(jié)構(gòu)，表面蒸鍍了多層減反射膜，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖1 雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖3 測(cè)試結(jié)果透過(guò)率%試驗(yàn)研制的雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池在AM0光譜，光照強(qiáng)度為135.3mW/cm2，溫度為25條件下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)太陽(yáng)電池的另一面沒有加背面光照。表1為編號(hào)1#

7、的太陽(yáng)電池兩個(gè)表面電性能的測(cè)試結(jié)果。利用光譜響應(yīng)測(cè)試儀對(duì)太陽(yáng)電池樣品兩個(gè)表面的外部量子效率和表面反射情況進(jìn)行了測(cè)試，圖2為雙面發(fā)電太陽(yáng)電池的外部量子效率曲線。圖2 雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池上表面和下表面外部量子效率曲線雙面發(fā)電太陽(yáng)電池的兩個(gè)表面的反射情況采用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，圖3為表面反射曲線。雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池由于背表面為柵線結(jié)構(gòu)，大部分面積沒有金屬覆蓋，所以一定波長(zhǎng)的光可以透過(guò)太陽(yáng)電池基體，用分光光度計(jì)對(duì)雙面太陽(yáng)電池的透射進(jìn)行了測(cè)量，圖4為太陽(yáng)電池的透射曲線。反射率%波長(zhǎng)（nm）圖3 雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池上表面和下表面反射率曲線波長(zhǎng)（nm）圖4 雙面發(fā)電太陽(yáng)電池透過(guò)率測(cè)試曲線4 分析討論從表1的

8、數(shù)據(jù)我們知道雙面發(fā)電太陽(yáng)電池上表面的開路電壓達(dá)到了639mV，在試驗(yàn)中更是達(dá)到了645mV，背表面的開路電壓也達(dá)到了631 mV，較之常規(guī)的BSFR型太陽(yáng)電池的開路電壓605mV有較大程度的提高，這是因?yàn)樵陔p面太陽(yáng)電池的兩個(gè)表面都進(jìn)行了表面鈍化，使少數(shù)載流子在兩個(gè)表面的復(fù)合都降低。一方面在太陽(yáng)電池的上表面采用了選擇性發(fā)射結(jié)擴(kuò)散，利用高濃度的局部發(fā)射結(jié)與上電極接觸手段降低金屬/半導(dǎo)體界面復(fù)合，同時(shí)采用鈍化表面的方法，飽和上表面的懸掛鍵，降低少數(shù)載流子在上表面的復(fù)合；另一方面，在電池的背面，硼背面場(chǎng)在電池的背表面產(chǎn)生指向電池內(nèi)部的電場(chǎng)，阻止少數(shù)載流子向表面的運(yùn)動(dòng)，而且背表面鈍化層飽和了表面大部分的

9、懸掛鍵；電極接觸采取在鈍化層上開孔接觸的方法，使得背表面的少子復(fù)合降低，從而大幅提高開路電壓。雙面發(fā)電太陽(yáng)電池兩個(gè)表面結(jié)構(gòu)不同是造成其效率不同的主要原因，從圖2的外部量子效率情況可知，下表面在整個(gè)光譜內(nèi)的響應(yīng)都低于上表面。這是因?yàn)樯媳砻娌捎昧穗S機(jī)金字塔的織化陷光結(jié)構(gòu)，然后制備了相應(yīng)的減反射膜，使上表面的光反射降低，提高了入射光的利用率，從而提高了光生電流密度，短路電流面密度達(dá)到了47.1mA/cm2。而下表面為化學(xué)拋光的表面，兼作減反射膜的鈍化膜的相關(guān)參數(shù)達(dá)不到將反射盡量降低的目的，所以該表面反射率較高，因?yàn)楣馍娏髅芏容^低，僅為34.5mA/cm2，圖3所示的兩個(gè)太陽(yáng)電池表面反射曲線也很好的

10、說(shuō)明了這一點(diǎn)。另外，下表面在短波范圍內(nèi)的收集效率更低，主要是因?yàn)楫?dāng)下表面為入射面時(shí)，P/N結(jié)在太陽(yáng)電池的另一面，短波長(zhǎng)光線產(chǎn)生的少數(shù)載流子要經(jīng)過(guò)整個(gè)電池基體才能被P/N結(jié)收集。少數(shù)載流子在經(jīng)過(guò)基體時(shí)，有很大一部分被與缺陷、雜質(zhì)相關(guān)的俘獲中心復(fù)合，不能被P/N結(jié)收集，因而其短波響應(yīng)與上表面相差很多。 根據(jù)圖4雙面發(fā)電太陽(yáng)電池的透射曲線，太陽(yáng)電池對(duì)紅外區(qū)的光線有透過(guò)現(xiàn)象，從1000nm開始，至1200nm有最大透射。該部分紅外光能量不足以產(chǎn)生光生載流子，即對(duì)太陽(yáng)電池的效率沒有貢獻(xiàn)，而留在太陽(yáng)電池基體上只會(huì)產(chǎn)生熱量，提高太陽(yáng)電池的工作溫度，降低太陽(yáng)電池的輸出功率。因此太陽(yáng)電池對(duì)紅外光部分的透射有著重

11、要的意義，它可以使太陽(yáng)電池的工作溫度降低，從而間接提高太陽(yáng)電池的輸出功率值得注意的是雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池的填充因子比常規(guī)BSFR型太陽(yáng)電池典型值0.78低，這主要是因?yàn)橛捎诒砻驸g化的需要，電極接觸均采用在鈍化層上開孔的方法實(shí)現(xiàn)，減少了電極與硅襯底的接觸面積，增加了串聯(lián)電阻，從面使填充因子有所降低。5 結(jié) 論根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，雙面發(fā)電太陽(yáng)電池具備了以下的特點(diǎn)：上表面采用織化陷光結(jié)構(gòu)和多層減反射膜降低表面反射。上下表面均為柵線結(jié)構(gòu)。能夠雙面同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，上表面光電轉(zhuǎn)換效率較高，下表面稍低?？梢酝干浼t外光，這對(duì)空間應(yīng)用意義尤為重大。通過(guò)采用隨機(jī)金字塔陷光表面制備、鈍化發(fā)射結(jié)和多層減反射膜的方法，我們研究的

12、雙面發(fā)電太陽(yáng)電池的效率已達(dá)到了16.64%，下表面的效率也達(dá)到了12.1%，而且該電池的研制過(guò)程中，采用的材料和制作工藝全部符合空間太陽(yáng)電池的要求，所以雙面發(fā)電硅太陽(yáng)電池非常有希望在航天飛行器上得到廣泛應(yīng)用。表1 空間用雙面發(fā)電高效硅太陽(yáng)電池性能測(cè)試結(jié)果樣品編號(hào)開路電壓 mV短路電流 mA 最佳功率mW光電轉(zhuǎn)換效率%填充因子%1#上表面639.247.1429.816.6475.391#下表面631.834.5312.512.175.97參考文獻(xiàn)1 Akio Suzuki, Minoru Kaneiwa, etl. ,“Progress and Future view of Silicon Space Solar cells in Japan”, IEEE Transactions on Electron Devices, 1999,46:2127-21322J. Zhao, A. Wang and M.A. Green, "24.5% Efficiency Silicon PERT Cells on MCZ Substrates and 24.7% Efficiency PERL Cells on FZ Substrates", Progr. Photovol. 7, pp. 471-47