提高薄膜太陽能電池效率

1、提高薄膜太陽能電池地效率 降低硅太陽能電池成本地方法之一是盡量減少高質(zhì)量硅材料地使用量 , 如薄 膜太陽能電池 . 不過這種太陽能電池地效率只達(dá)到了約 11-12%.研究人員們 正在尋求提升其效率地方法 . 最近取得突破地技術(shù)有通過干法絨面優(yōu)化上表 面地結(jié)構(gòu)和在外延層 / 襯底界面處插入一個(gè)中間多孔硅反射鏡 . 采用這兩種 方式可將太陽能電池地效率提升到約 14%.兩種提升效率地技術(shù)與基于體硅地太陽能電池相比 , 外延薄膜太陽能電池比較便宜 . 但現(xiàn)在 外延薄膜太陽能電池地主要缺點(diǎn)是它們地效率相對較低 . 已有兩種技術(shù)表明 能提高薄膜太陽能電池地效率 . 一是利用鹵素原子等離子加工 , 優(yōu)化上

2、表面 結(jié)構(gòu), 另一種技術(shù)是在外延層 / 襯底界面處引入中間反射鏡 . 優(yōu)化地上表面結(jié) 構(gòu)兼有滿足均勻光散射 朗伯折射 ,Lambertian refraction ）地要求和通過 微量減除硅來降低反射 因?yàn)橥庋庸鑼右严喈?dāng)?。﹥蓚€(gè)優(yōu)點(diǎn) . 引入中間反射 鏡多重布拉格反射鏡）將低能光子地路徑長度至少延長了 7 倍, 最終大大 提高了太陽能電池地效率 . 低成本太陽能電池基于單晶或多晶體硅基底地硅太陽能電池是光伏市場地主體 . 但若全部 用高純硅制作 , 生產(chǎn)這種太陽能電池非常耗能 , 并且比較昂貴 . 為進(jìn)一步 推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)地發(fā)展 , 應(yīng)通過降低材料成本來大力減少太陽能電池地生產(chǎn) 成本.外延薄膜硅

3、太陽能電池具有成為體硅太陽能電池地低成本替代方案地 潛力.與當(dāng)前地體硅太陽能電池200卩m相比，這種絲網(wǎng)印刷太陽能電池采 用地襯底較便宜和有源硅層較薄20卩m .這種低成本襯底包括高摻雜地晶 體硅晶圓 用冶金級硅或廢料加工地純凈硅）用化學(xué)氣相沉積法VCVD在 這種襯底上沉積一層外延有源硅薄層 .產(chǎn)業(yè)競爭力外延薄膜硅太陽能電池地生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)地體硅太陽能電池非常相似 . 因此, 與其它薄膜技術(shù)相比 , 在現(xiàn)有地生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)外延薄膜硅太陽能生產(chǎn) 相對容易 . 不過, 外延薄膜硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)競爭力地主要不足之處在于, 比起傳統(tǒng)地體硅太陽能電池 , 薄膜硅太陽能電池地效率較低：這些電池地開路 電壓和

4、填充因數(shù)可以達(dá)到與體硅太陽能電池相近地水平 , 但因?yàn)榇嬖诠鈱W(xué)活 性薄層 與體硅厚度200卩m相比,薄膜硅地活性層厚度僅20卩m ,光從外 延層傳輸?shù)揭r底時(shí) , 襯底質(zhì)量較差引起光損失 , 短路電流損失 , 最多可高達(dá) 7mA/cm2.挑戰(zhàn)在于如何在效率和成本之間獲得完美地平衡 , 還須考慮大規(guī)模工業(yè) 生產(chǎn). 本文介紹兩種可延長光學(xué)路徑長度并因此提高外延薄膜硅太陽能電池 效率地技術(shù)：等離子絨面和在低成本硅襯底與活性層地界面處插入多孔硅 反射鏡 . 結(jié)果表明 , 這些措施可將外延薄膜硅太陽能電池地效率提高至 14% 左右.上表面等離子絨面通過處理太陽能電池活性層地上表面，表面光散射發(fā)生變化，從而

5、影響 太陽能電池地性能.目地是形成最理想地上表面，100%漫反射 朗伯折射,表 現(xiàn)出全散射）.此時(shí)光子平均以60°地角度穿過活性層，使得傳播路徑長度 增大兩倍.也就是說,僅20卩m厚地活性層地光學(xué)表現(xiàn)為40卩m厚.圖1.多孔硅反肘饒°說明中間反射境欄念的先逬外太陽能電池的布局國（左人 重組的多孔硅疊層的選射電子顯微箍HEM）照片（右人利用基于氟地等離子處理,僅會(huì)去除極少量地硅 僅1,75卩m ,就可獲 得表現(xiàn)出朗伯折射地理想上表面.這對于外延薄膜硅太陽能電池極為重要， 因?yàn)檫@種類型地太陽能電池地活性層相當(dāng)薄 20卩m .除優(yōu)化散射、提高電 池效率外，等離子處理還能降低反射，

6、實(shí)現(xiàn)傾斜光耦合和降低接觸電阻.這就 將短路電流減少1.0到1.5mA/cm2,進(jìn)一步將電池效率提高 0.5到1.0%.硅反射鏡提高外延薄膜硅太陽能電池效率地另一種方式是在活性層與低成本襯 底地界面處插入一層多孔硅反射鏡.該反射鏡可降低長波長地光往襯底中地 傳播量.實(shí)際上,利用電化學(xué)交替生長多孔和少孔薄層 一種多重布拉格反射 鏡,Bragg reflector）形成多孔硅疊層，制作反射鏡，由四分之一波長定律定義交替層地厚度.外延生長活性層時(shí)，疊層中地多孔硅具有大大小小地空 洞,重組為薄層，但仍保持最初布局.這種結(jié)構(gòu)已被證明是有效地反射結(jié)構(gòu). 這種反射鏡通過布拉格效應(yīng) 常規(guī)入射反射鏡）或全內(nèi)反射

7、光以大于臨界 角地入射角傾斜入射到反射鏡）反射到達(dá)界面處地光子.結(jié)果這些光子再次 通過活性層.逃逸角 大部分反射光子，因?yàn)楣庖驯簧⑸洌┮酝獾胤瓷涔庾拥?達(dá)活性層地上表面，將被再次反射.因此延長了光學(xué)路徑長度，提高了太陽能 電池地效率.結(jié)果表明，在上表面實(shí)現(xiàn)完美地朗伯表面時(shí)，一個(gè)15層地多孔 硅反射鏡可以將光地傳播路徑長度提高14倍,意味著一個(gè)擁有15卩m活性層地外延薄膜硅太陽能電池將與 210卩m厚地體硅太陽能電池具有相同性 能.-事孔&wji齋馳反*m1 ""tIi、40060080010001200140016001800«nE2. 15層多孔布拉格反射鏡與多孔單層之間的反射性能比校a圖3.用電化學(xué)法將多層多孔硅疊層刻燭到標(biāo)準(zhǔn)的 200z硅晶圓上（中心的方塊）.很明顯此疊層起著光 學(xué)布拉格反射鏡的作用.在方塊上方可以用CVD外延 Si法生長太陽能電池.引入多孔硅反射鏡可使內(nèi)部反射率達(dá)到 8084%其中25%是因?yàn)榇嬖诓?拉格效應(yīng)本身 圖2).采用優(yōu)化地反射鏡設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改進(jìn)布拉格效應(yīng)，優(yōu)化反射鏡使少孔層及多孔層地厚度隨深度而變化 靈活地多孔硅疊層)， 讓反射鏡地帶寬增得足夠大利用這種靈活地特殊結(jié)構(gòu)，低能光子地路徑長 度可以在現(xiàn)在地基礎(chǔ)上提高7倍之多.在低成本硅襯底上利用此反射層和絲 網(wǎng)印制