硅基異質(zhì)結(jié)太陽能電池光電特性研究

學(xué)科分類號(hào).本科畢業(yè)論文學(xué)號(hào)院(系)指導(dǎo)教師職稱二○一六年三月貴州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本科畢業(yè)論文作者簽名：(親筆簽名)摘要在當(dāng)今能源匱乏的情況下，人們對(duì)太陽能的利用顯得尤為的重要。太陽能電池的發(fā)展關(guān)系著人類未來的生存和發(fā)展，國(guó)際上各國(guó)都在積極地利用和開發(fā)太陽能，太陽能利用技術(shù)也在日益提高。傳統(tǒng)的第一代晶硅電池雖然工藝很成熟，但其成本高制約著其利用率，高成本的太陽能電池價(jià)格昂貴。目前制約太陽電池大面積使用的原因在于其成本偏高。降低光伏發(fā)電成本主要依據(jù)兩種途徑：一是追求盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率，從而降低產(chǎn)生相同電力時(shí)所需昂貴半導(dǎo)體材料。二是選擇新材料及工藝體系降低電池制造成本。近年來，基于硅襯底的異質(zhì)結(jié)太陽電池因其結(jié)合了高純單晶硅材料少子壽命長(zhǎng)、異質(zhì)結(jié)易于控制生長(zhǎng)及能帶匹配的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注及研究。本文從太陽光和太陽能一步步深入，明確太陽能電池的重要參數(shù):開路電壓、短路電流、輸出功率和填充因子。理解太陽能電池的工作原理，從中發(fā)現(xiàn)影響太陽能電池效率的因素以及改進(jìn)方法。硅基異質(zhì)結(jié)太陽能是太陽能發(fā)展的前沿，隨著研究的進(jìn)步，人們不斷的追求更高效率的硅基異質(zhì)結(jié)太陽能的研究。關(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié)；太陽能電池；光生伏特效應(yīng)；界面態(tài)AbstractInthecaseoftoday'senergy-starved,fortheuseofsolarenergyisparticularlyimportant.Solarcelldevelopmentrelatedtothefutureofmankind'sexistenceanddevelopment,countriesallovertheworldactivelyuseandexploitationofsolarenergy,solartechnologyisalsoincreasing.Althoughtraditionalfirstgenerationcrystallinesiliconsolarcelltechnologyisverymature,butitshighcostrestrictsitsusage,highcostofsolarcellsareexpensive.Restrictingthebroaduseofsolarcellsbecauseofitshighcost.Reducethecostofphotovoltaicpowergenerationbasedontwoapproaches:oneisthepursuitofphotoelectricconversionefficiencyashighaspossible,thusreducingtheexpensivesemiconductormaterialrequiredtoproducethesamepower.Second,theselectionofnewmaterialsandprocesssystemsreducemanufacturingcosts.Inrecentyears,basedonsiliconsubstrateheterojunctionsolarcellsbecauseoftheircombinationofminoritycarrierlifetimeofhigh-puritysiliconmateriallong,easilycontrolledheterostructuresongrowthandcantakeadvantageofmatching,andhasgainedwideattentionandresearch.In-depthstepbystepbasedontheSunandsolarenergy,clearlyimportantparametersofsolarcells:opencircuitvoltageandshortcircuitcurrent,outputpower,andfillfactor.Understandhowsolarcellswork,findthefactorsinfluencingtheefficiencyofsolarcellsaswellasimprovedmethods.Silicon-basedheterojunctionsolaristhesolarenergydevelopmentfront,withtheprogressofresearch,peoplecontinuetopursuemoreefficientsilicon-basedheterojunctionsolarresearch.Keywords:Theheterojunction;solarcellsTeruovoltseffect;interfacestate1緒論進(jìn)入21世紀(jì)，能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為人類最關(guān)注的問題，光伏發(fā)電具有最理想的可持續(xù)發(fā)展特征，是可再生能源發(fā)展的最大亮點(diǎn)。太陽能作為一種清潔能源，在全球環(huán)境日益惡化的情況下受到了越來越多的重視，太陽能的轉(zhuǎn)換利用成為人們熱衷于研究的領(lǐng)域。太陽能電池是一種可直接將太陽發(fā)射出的電磁輻射(如，可見光，紅外線，紫外線)轉(zhuǎn)換成電能的器件，利用太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)變成電能的整個(gè)過程對(duì)環(huán)境是無污染的，所以太陽能的利用是環(huán)境友好型的，并且太陽能是一種可再生的綠色能源，取之不盡用之不竭。任何地區(qū)只要有陽光都可以利用太陽能與太陽能電池為人類的發(fā)展提供能源，目前制約太陽電池大面積使用的原因在于其成本偏高。降低光伏發(fā)電成本主要依據(jù)兩種途徑：一是追求盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率，從而降低產(chǎn)生相同電力時(shí)所需昂貴半導(dǎo)體材料。二是選擇新材料及工藝體系降低電池制造成本。未來的能源危機(jī)是我們不得不面對(duì)的課題，所以對(duì)太陽能的利用與研究具有重要的意義。1.1太陽光輻射太陽能輻射是由太陽發(fā)射光子實(shí)現(xiàn)的，太陽能輻射強(qiáng)度受所處地理位置(經(jīng)度、緯度)與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的影響，具體體現(xiàn)為不同的波長(zhǎng)能量值。為了定量描述太陽能的輻射，美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)將大氣對(duì)地球表面接受太陽光的程度定義為大氣質(zhì)量[1]，太陽與天頂夾角的正割值定義為大氣質(zhì)量數(shù)(AM)，如圖(1.1)所示出了不同AM狀態(tài)下的太陽光譜，曲線AM0,它表示地球大氣層以外的太陽光譜，AM1代表太陽位于天頂時(shí)地表的太陽光譜，其入射功率約為925W/m2，曲線AM1.5為地表應(yīng)用的加權(quán)平均值(太陽與地平線成45度角)，通常衛(wèi)星和宇宙飛船采用AM0光譜，而地面光譜我們采用標(biāo)準(zhǔn)AM1.5標(biāo)定。圖1.1太陽能光譜分布曲線[2]1.2太陽能的特點(diǎn)太陽能是在許多代人的努力下一步步為人類所利用的，由于它具有可再生與資源豐富而且是綠色能源等特點(diǎn)所以它的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，具體有如下：1、輻射范圍廣，太陽光譜照耀著大地，不管是在陸地上還是在海洋，無論在高山或是島嶼處處皆有太陽的照射，所以我們可直接開發(fā)和利用太陽能并且勿須去開采或者運(yùn)輸它。2、清潔無污染，太陽光的輻射本身對(duì)我們地球就是一種恩賜，沒有陽光我們是無法生存的，進(jìn)一步利用太陽能的方法就是太陽能發(fā)電，而利用太陽能電池的發(fā)電過程相比其它發(fā)電方式(火力發(fā)電，核發(fā)電)是完全綠色清潔無污染的。3、能量值巨大，太陽每年照射到地球面上的輻射能量等同于130萬億噸煤燃燒能，所以它的能量值是我們所能知的最大能量體，并且它的能量開發(fā)是無限的[3]。4、取之不盡用之不竭，據(jù)計(jì)算，太陽里的氫儲(chǔ)存量可燃燒百億年，然而我們生活的地球壽值只有不過幾十億年，從時(shí)間對(duì)比上來考慮太陽能是取之不盡用之不竭的。從以上四種優(yōu)點(diǎn)考慮我們可知太陽能的利用對(duì)人類生存是至關(guān)重要的，太陽能的利用很廣泛的，如太陽能熱水器，太陽能汽車，太陽能電子表，太陽能供電系統(tǒng)等等，其中大部分都是利用太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換對(duì)太陽能加以利用的。能源危機(jī)和環(huán)境的污染都促使我們尋找新能源，開發(fā)清潔綠色可再生能源，太陽能做為一種清潔綠色可再生能源毫無疑問是最理想的研究對(duì)象，對(duì)太陽能電池的研究具有十分重要的意義。1.3太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)今商業(yè)化的太陽能電池中根據(jù)不同吸收層半導(dǎo)體材料發(fā)展出了各種類型的的電池，全球超過80%的太陽能電池被晶硅電池占據(jù)，如多晶硅電池，微晶硅電池，單晶硅電池等等所稱的第一代太陽能電池。近年來，基于硅襯底的異質(zhì)結(jié)太陽電池(SiliconHeterojuctionsolarcells，SHJ)，因其結(jié)合了高純單晶硅材料少子壽命長(zhǎng)、異質(zhì)結(jié)易于控制生長(zhǎng)及能帶匹配的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注及研究。目前，常規(guī)晶體硅太陽電池(包括單晶硅c-Si和多晶硅mc-Si電池)的市場(chǎng)份額占主要地位(＞80%)，但在高純硅材料短缺和價(jià)格制約的情況下，以及低碳經(jīng)濟(jì)型可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)背景下，薄膜太陽電池在硅薄膜太陽電池的帶領(lǐng)下，得到迅速發(fā)展。不久的將來，薄膜太陽電池可能與晶體硅太陽電池及其他新型太陽電池三分天下。1.4研究的目的與意義太陽能電池的發(fā)展關(guān)系著人類未來的生存和發(fā)展，國(guó)際上各國(guó)都在積極地利用和開發(fā)太陽能，太陽能利用技術(shù)也在日益提高。在一代代的科研工作者的努力下我們相信太陽能的利用技術(shù)會(huì)越來越好。中國(guó)是13億人口的耗能大國(guó)，當(dāng)我們的石油資源消耗完了的時(shí)候我們拿什么來支持現(xiàn)在大家的能源需要，能源問題是我們不得不面對(duì)的問題，太陽能的發(fā)展是不可遏止的。傳統(tǒng)的第一代晶硅電池雖然工藝很成熟，但其成本高制約著其利用率，高成本的太陽能電池價(jià)格昂貴，只有富裕的國(guó)家才能用的上太陽能電池，而其他國(guó)家仍然用落后的，普通的能源，這對(duì)我們提倡綠色無污染能源計(jì)劃還有不小的距離。只有研究出高利用率低價(jià)格的太陽能電池才能讓人們都過上安穩(wěn)的生活，不再為能源而發(fā)愁。2太陽電池的工作原理2.1太陽能電池的介紹如果光照在p-n結(jié)上，而且光能大于p-n結(jié)的禁帶寬度，則在p-n結(jié)附近將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，產(chǎn)生的非平衡載流子（電子和空穴）將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢(shì)（電壓），破壞了原來的平衡。如果將p-n結(jié)和外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏特效應(yīng)[4,5]。光生伏特效應(yīng)”是將太陽輻射能光子通過一種器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，而這種能產(chǎn)生“光生伏特效應(yīng)”的器件則被稱作“光伏器件”。太陽電池簡(jiǎn)單的說就是一種可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的基本結(jié)構(gòu)就是半導(dǎo)體P-N結(jié)。晶體硅太陽電池是指：?jiǎn)尉Ч杼栯姵?主要以單晶硅片作為基體)與多晶硅太陽電池(主要以多晶硅片作為基體)的總稱。2.2P-N結(jié)在一塊n型（或者p型）半導(dǎo)體晶體上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎㄈ绾辖鸢l(fā)、擴(kuò)散法、生長(zhǎng)法、離子注入法等）把p型（或者n型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊晶體的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，將兩者的交界面處稱為P-N結(jié)。單獨(dú)的n型或者p型半導(dǎo)體呈現(xiàn)出電中性，但在兩塊半導(dǎo)體形成P-N結(jié)的過程中，由于p區(qū)內(nèi)空穴占多數(shù)，電子占極少數(shù)；而n區(qū)內(nèi)則電子占多數(shù)，空穴占極少數(shù)，在交界面的兩側(cè)出現(xiàn)電子和空穴濃度不一樣，從而使得了空穴從p區(qū)到n區(qū)，電子從n區(qū)運(yùn)動(dòng)到p區(qū)，即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖2-1所示。由于載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在交界面的兩邊形成一層很薄的區(qū)域，靠近n區(qū)的一邊出現(xiàn)一個(gè)正電荷區(qū)，同理，靠近p區(qū)的一邊則出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電荷區(qū)，把這一區(qū)域稱作空間電荷區(qū)，如圖2-2所示。在空間電荷區(qū)，由于兩邊分別積聚了正、負(fù)電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從n區(qū)指向p區(qū)的反向電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。圖2-1載流子的擴(kuò)散過程圖2-2P-N結(jié)空間電荷區(qū)2.3pin結(jié)如pin結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度夠長(zhǎng)，光生少子就可以擴(kuò)散到空間電荷區(qū)．然后會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。再擴(kuò)散到pn結(jié)兩側(cè)，那么pn結(jié)的兩側(cè)出現(xiàn)光生電荷積累，產(chǎn)生了光電壓，形成了異質(zhì)結(jié)光生伏特效應(yīng)。當(dāng)上電極與下電極間接有負(fù)載時(shí)。那么在負(fù)載上將有光生電流與電壓，并輸出功率。可見，這種結(jié)構(gòu)太陽電池正是利用擴(kuò)散收集光生載流子。但是，對(duì)于非晶硅與微晶硅等薄膜材料，由于結(jié)構(gòu)無序和高缺陷態(tài)密度及高摻雜量，致使載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，摻雜層中擴(kuò)散長(zhǎng)度可能更短。于是載流子還沒有擴(kuò)散到結(jié)區(qū)就被復(fù)合了，無法被很有效地收集。所以采用pn結(jié)構(gòu)是不行的。硅基薄膜電池就采用了在pn層之間加入i層結(jié)構(gòu)，這樣的本征層存在既可以保證光在被吸收同時(shí)又保證必要的內(nèi)部的電場(chǎng)。本征層電場(chǎng)存在有助于其光生載流子收集．此時(shí)光生載流子收集依賴于電場(chǎng)作用下漂移運(yùn)動(dòng)[6]，從而就克服了硅基薄膜擴(kuò)散長(zhǎng)度小而帶來的限制。如圖(2-3)是pin薄膜太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。電池中的本征層作用主要包括兩個(gè)：首先作為吸收層，要求它能夠吸收盡可能多的光，產(chǎn)生更多電子、空穴對(duì)，這便要求i層必須具有良好光學(xué)吸收性能：其次就是作為光生載流子輸運(yùn)路徑．要求它具有盡量低缺陷態(tài)密度，即盡量長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度。圖2-3pin能帶示意圖2.4太陽能的重要參數(shù)太陽電池電特性的幾項(xiàng)重要參數(shù)是開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)、最大輸出功率(Pm)、填充因子(FF)和轉(zhuǎn)換效率(η)[7,8]。2.4.1開路電壓Voc當(dāng)受光照電池處于開路狀態(tài)時(shí)，RL則趨于無窮，I=0，所以可以得出開路電壓Voc表達(dá)式如下：VOC=Ln+(IL/L0+1)KBT/q(2.10)由于IL與入射光強(qiáng)成正比，因此VOC它也會(huì)隨入射增加而增大，與入射光強(qiáng)對(duì)數(shù)成正比，不過VOC并不會(huì)無限的增大，當(dāng)增大到pn結(jié)勢(shì)壘消失達(dá)到最大值，因此有如下式：VOC<VD<Eg/q(2.11)開路的電壓和飽和電流I0對(duì)數(shù)成反比，而I0和電池的基體材料的禁帶寬度與復(fù)合機(jī)制有關(guān)，禁帶愈寬，I0就越小，而Voc愈大且隨溫度升高而降低。2.4.2短路電流ISC當(dāng)太陽電池從外部短路測(cè)得的那個(gè)最大電流，稱為短路電流，我們用Isc表示。當(dāng)太陽電池處于短路狀態(tài)的時(shí)候，即RL=0、V=0，短路電流和光電流相等。如下式：ISC=I=IL（2.12）光電流密度JL即光電流IL除以光電池面積，可以表示為：JL=qη0N(Eg)（2.13）式中η0為收集效率；N（Eg）為能量超過Eg的光子流密度，Eg為禁帶寬度。2.4.3輸出功率由圖2-4看出，曲線上任意一點(diǎn)都是太陽電池的工作點(diǎn)。工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線是負(fù)載線，負(fù)載線的斜率的倒數(shù)即等于RL?？梢哉{(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一個(gè)數(shù)值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)W，W點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm之乘積為最大。即Pm=Im×Vm(2.14)稱W點(diǎn)為太陽電池的最佳工作點(diǎn)，Im為最佳工作電流，Vm為最佳工作電壓，Rm為最佳負(fù)載電阻，Pm為最大輸出功率。圖2-4太陽電池I-V特性曲線2.4.4填充因子定義填充因子FF為太陽能電池最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值。FF=Pm/(VOCISC)(2.15)填充因子是用來評(píng)價(jià)太陽能電池的輸出特性好壞重要參數(shù)，它值越高，表明太陽能電池的輸出功率就越接近極限功率，太陽能電池的性能就越好。2.4.5轉(zhuǎn)換效率電池輸出電功率和入射光功率的比我們稱之為光電轉(zhuǎn)換效率我們簡(jiǎn)稱效率，它是太陽電池性能的最重要參數(shù)之一，它的表達(dá)式如下：η=Pm/Pin=VOC×ISC×FF/Pin(2.16)于是，電池輸出功率Pm就可以表示為：Pm=VOC×ISC×FF(2.17)因此，當(dāng)在一定的光照下，我們?yōu)榱擞斜M量大的功率，就要獲得盡可能大的開路電壓Voc和短路電流Isc與填充因子FF。2.5太陽電池基本工作原理照到太陽電池上的太陽光線一部分會(huì)被電池吸收，其中光子能量如果大于半導(dǎo)體帶隙寬度(Eg)，則會(huì)激發(fā)半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子，在N區(qū)、P區(qū)以及空間電荷區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。這些在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)，會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速分離，最終使得空穴進(jìn)入P區(qū)，電子進(jìn)入N區(qū)。光生電子空穴對(duì)在N區(qū)產(chǎn)生后，光生空穴首先通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)P-N結(jié)邊界，再在內(nèi)電場(chǎng)的作用下通過漂移運(yùn)動(dòng)最終運(yùn)動(dòng)到P區(qū)；同理在P區(qū)，光生電子首先通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)P-N結(jié)邊界，再在內(nèi)電場(chǎng)的作用下通過漂移運(yùn)動(dòng)最終運(yùn)動(dòng)到N區(qū)。最終導(dǎo)致光生電子在N區(qū)累積，光生空穴在P區(qū)累積，形成光生電場(chǎng)，其方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反。由于方向相反，一部分光生電場(chǎng)會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)抵消，剩余的光生電場(chǎng)會(huì)使N層帶負(fù)電，P層帶正電，進(jìn)而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)；通常把這種現(xiàn)象稱作光生伏特效應(yīng)。2.3影響電池效率的因素及改進(jìn)方法目前來看，a-Si太陽電池經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)主要有ITO/N-I-P/金屬基板太陽電池和Al/N-I-P/TCO/玻璃基板太陽電池兩種。影響太陽電池效率的原因有太陽光和電池本身兩方面，因此可以從這兩方面來考慮改善電池效率。從太陽光方面考慮，可以通過聚光來提高太陽電池效率，光強(qiáng)是影響太陽電池的發(fā)電量的重要因素，一定區(qū)域里，光強(qiáng)與發(fā)電量成正比關(guān)系。因此產(chǎn)生了聚光太陽電池，主要利用較小的太陽電池面積，通過增加照射光強(qiáng)度的方法來提高電池的輸出功率。從電池本身考慮，限制太陽電池電池效率的原因主要包括以下幾方面：(1)溫度短路電流和開路電壓都受溫度的影響，隨溫度增加，電池效率下降，因此控制好溫度是提高電池效率必須考慮的因素。(2)前表面鈍化采用激光刻槽埋柵金屬化和絲網(wǎng)印刷工藝可以減少串聯(lián)電阻和遮擋帶來的損失。轉(zhuǎn)換效率較低以及穩(wěn)定性差是非晶硅太陽電池面臨的最大問題，通過不斷的研究對(duì)于解決這些問題有了很大突破主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)窗口層應(yīng)采用禁帶寬的材料，將原來的a-Si換成a-SiC，因?yàn)楹笳呔哂休^高光學(xué)帶隙。(2)本征層厚度的選取存在最優(yōu)值，與局部能級(jí)密度有關(guān)。(3)N層與P層的要求大致相同，選取μc-Si作為N層材料，可以有效減小串聯(lián)電阻。(4)將原先的平面ITO用絨面SnO2替代，采用多層背反射電極，可以有效減少反射和透射帶來的損失。(5)通過改變電池結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不同帶隙的疊層電池或者采用梯度界面層來提高電池效率和穩(wěn)定性。3異質(zhì)結(jié)3.1異質(zhì)結(jié)的發(fā)展異質(zhì)結(jié)是由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料相接觸而形成的接觸過渡區(qū)[9].1992年,日本人MakotoTanaka和MikioTaguchi等[10]首次將異質(zhì)結(jié)技術(shù)應(yīng)用到硅基太陽能電池的制備過程中。自此,異質(zhì)結(jié)技術(shù)與太陽能電池的結(jié)合成為新型硅基太陽能電池發(fā)展的趨勢(shì)之一,得到了廣泛的研究和應(yīng)用當(dāng)今,世界對(duì)可再生能源的需求空前迫切作為重要的可再生能源之一,太陽能及其光伏產(chǎn)業(yè)受到我國(guó)政府[11]和企業(yè)的極大關(guān)注。自1954年第一塊單晶硅同質(zhì)PN結(jié)太陽能電池[12]的誕生至今,硅基太陽能電池經(jīng)歷了兩個(gè)階段:以晶體硅和多晶硅為代表的第一代太陽能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代太陽能電池[13]然而,傳統(tǒng)的基于同質(zhì)PN結(jié)技術(shù)的硅基太陽能電池突顯出成本高、效率低、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。各種新概念及其技術(shù)的引入成為解決上述問題的途徑,構(gòu)成了第三代太陽能電池的雛形。其中異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)就是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù),成為硅基太陽能電池最重要的發(fā)展方向之一,也是實(shí)現(xiàn)第三代太陽能電池構(gòu)想[14]的支撐技術(shù)之一。異質(zhì)結(jié)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)有利于寬譜帶吸收,從而提高效率.晶體硅同質(zhì)結(jié)太陽能電池只能吸收波長(zhǎng)范圍在0.3μm至1.1μm范圍內(nèi)的太陽光,該波長(zhǎng)范圍的能量占總太陽光能量的46%;而對(duì)于占5%的紫外區(qū)和占49%的紅外區(qū)太陽能無法吸收或轉(zhuǎn)化為熱[15]。然而,通過與晶體硅禁帶寬度不同的材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽能電池,可展寬對(duì)太陽光的吸收譜,從而實(shí)現(xiàn)寬譜帶吸收目的。(2)增加內(nèi)建電場(chǎng),提高注入效率[16]。與同質(zhì)結(jié)相比,異質(zhì)結(jié)具有更大的內(nèi)建電場(chǎng),使注入結(jié)兩側(cè)的非平衡少子電流增加,從而增加開路電壓和短路電流。(3)減小原料硅消耗,降低成本.異質(zhì)結(jié)的發(fā)展使薄膜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,從而能夠?qū)㈦姵厣L(zhǎng)在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性襯底上。3.2界面態(tài)異質(zhì)結(jié)是由兩種不同半導(dǎo)體材料組成的，其晶格常數(shù)不同，當(dāng)他們形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不匹配的鍵，稱為懸掛鍵，加上材料本身的雜質(zhì)缺陷最終會(huì)在界面產(chǎn)生界面態(tài)，界面態(tài)的存在會(huì)對(duì)電池的總體性能產(chǎn)生巨大影響，界面態(tài)是異質(zhì)結(jié)太陽能電池的核心問題，在異質(zhì)結(jié)太陽能電池中界面態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響著太陽能電池的各參數(shù)，目前對(duì)界面態(tài)的研究主要集中在各類非晶硅薄膜HIT異質(zhì)結(jié)太陽能電池中。對(duì)界面態(tài)的研究分析有助于實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)器件質(zhì)量的提高也是研究異質(zhì)結(jié)電池不得不面對(duì)的課題。將異質(zhì)結(jié)應(yīng)用在晶體硅太陽能電池中,能有效地增加對(duì)不能被晶體硅材料吸收波段的太陽光的吸收,從而提高晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率.然而,異質(zhì)結(jié)在晶體硅太陽能電池中的應(yīng)用依然存在著諸如界面缺陷、薄膜材料的穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)工藝的兼容性等方面的問題。4硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池常見的硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的異質(zhì)結(jié)，如a-Si/c-Si，a-SiC/c-Si，nc-Si/c-Si等，在單晶硅襯底基礎(chǔ)上，沿用非晶硅太陽電池業(yè)已成熟的制備技術(shù)(如等離子增加化學(xué)氣相沉積PECVD、熱絲氣相沉積HWCVD、甚高頻化學(xué)氣相沉積VHFCVD)等，通過在低溫沉積實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)，減少了通常硅太陽電池高溫?cái)U(kuò)散制結(jié)的能源消耗，從而降低成本[17,18]。更值得一提的是，SHJ太陽電池具有超過20%光電轉(zhuǎn)換效率的潛力，屬于高效低成本太陽電池。4.1HIT型異質(zhì)結(jié)太陽電池HIT太陽電池三洋Sanyo公司最新報(bào)道其申請(qǐng)專利的HIT型異質(zhì)結(jié)太陽電池[19,20]，在80nm硅基片上實(shí)現(xiàn)了23.4%的高轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)超過目前傳統(tǒng)硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率(16%～18%)。通過進(jìn)一步優(yōu)化絨面織構(gòu)等光陷阱技術(shù)以及優(yōu)化異質(zhì)結(jié)減少載流子復(fù)合，該種異質(zhì)結(jié)電池有望在近期接近PERL等高效晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率24.7%的世界紀(jì)錄。目前轉(zhuǎn)換效率為21%的HIT太陽電池已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。HIT電池采用高純n型單晶硅作為襯底，利用一個(gè)超薄的非晶硅層(＜10nm)作為緩沖層，對(duì)晶體硅上下表面的良好鈍化，并采用PECVD等薄膜低溫沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)p+Si/a-Si/n-Si/a-Si/n+Si式的HIT電池結(jié)構(gòu)。其具有以下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可得到較高的光電轉(zhuǎn)換效率；(2)較小的溫度效應(yīng)，即轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高下降的程度低于常規(guī)晶體硅太陽電池，因此實(shí)際發(fā)電量較高；(3)在低溫實(shí)現(xiàn)a-Si沉積，可節(jié)省能源；(4)可使用薄型硅襯底(＜100μm)，并實(shí)現(xiàn)表面和背面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，節(jié)省硅材料；(5)由于背面的入射光也可以發(fā)電，具有兩面發(fā)電的可能性。在日本研究人員的開創(chuàng)性工作以及HIT電池最高轉(zhuǎn)換效率不斷突破的鼓舞下，HIT型異質(zhì)結(jié)太陽電池，即基于a-Si:H插入緩沖及鈍化層技術(shù)的c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池，在世界范圍內(nèi)的研究、試驗(yàn)及理論模擬取得了大量成果[21,22]。較重要的研究方向有：一是利用更廉價(jià)的p型硅襯底替代原先的n型硅以及采用納米硅薄膜作為發(fā)射極。例如，最近美國(guó)可再生能源研究中心(NERL)的WangQ等[23]采用p型懸浮區(qū)熔煉(Fz)硅和直拉單晶(Cz)硅襯底，成功制備了異質(zhì)結(jié)太陽電池，其典型的電池結(jié)構(gòu)為(金屬格柵/ITO/n/i/c-Si(p)/i/p/ITO/金屬)，分別實(shí)現(xiàn)了19.3%和18.3%的轉(zhuǎn)換效率，且沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)n+/p型硅電池初期的光致衰減效應(yīng)，其開路電壓在700mV以上；WuBR等[24]采用熱絲化學(xué)氣相沉積結(jié)合激光退火晶化技術(shù)在p型單晶硅基底上制備nc-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池，實(shí)現(xiàn)了14.2%的轉(zhuǎn)換效率。分析上述電池結(jié)構(gòu)可以看出，實(shí)際均為改進(jìn)的HIT結(jié)構(gòu)太陽電池。4.2高效率的硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池世界各國(guó)的研究人員陸續(xù)研究了各種新型的硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池[25]，如利用非晶C膜的半導(dǎo)體特性開發(fā)a-C/c-Si、a-C/C60/c-Si等新型太陽電池，但轉(zhuǎn)換效率過低無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。這些嘗試中較成功的異質(zhì)結(jié)電池主要有a-Si:H/c-Si、nc-Si:H/c-Si及c-3C-SiC/c-Si太陽電池。研究顯示，太陽電池需要滿足以下幾個(gè)關(guān)鍵條件來實(shí)現(xiàn)高效率的硅基異質(zhì)結(jié)。以典型的a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)為例：一是對(duì)c-Si襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，以降低a-Si:H/c-Si等異質(zhì)結(jié)界面活性復(fù)合缺陷密度；二是優(yōu)化a-Si:H層的沉積工藝；三是對(duì)沉積膜層的后處理技術(shù)?；谝陨纤悸?，最近德國(guó)的KorteL等[26]在單晶硅上制備了a-Si:H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池。經(jīng)過c-Si的表面預(yù)處理優(yōu)化工藝，結(jié)合對(duì)太陽電池的等離子體后處理，在懸浮熔煉Fz單晶硅襯底(1～2Ω·m，200m，(100)取向)上制備的(p)a-Si:H/(n)c-Si和(n)a-Si:H/(p)c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.8%和18.5%。結(jié)語未來硅基異質(zhì)結(jié)可能還會(huì)有新的進(jìn)展，關(guān)鍵的突破可能來源于薄膜材料——非晶硅材料可以用其他材料代替，但關(guān)鍵是要求成本要低，可能用到更低成本的薄膜工藝如印刷工藝，比如通過硅和鈣鈦礦薄膜材料研制新型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的HBC新型電池等，創(chuàng)新空間非常大。相信國(guó)內(nèi)主要廠家將很快掌握背接觸和異質(zhì)結(jié)的工藝，且隨著N型硅材料成本的下降，國(guó)內(nèi)硅基太陽能電池行業(yè)也將進(jìn)入25%的高效率電池時(shí)代。參考文獻(xiàn)[1]FonashSJ.SolarCellDevicePhysics[M].USA：Elsevier，2021．[2]SZES.M.PhysicsOfSemiconductorDevices[M].USA：JohnWiley，2021．[3]徐耀敏.高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池仿真設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2021.[4]劉恩科，朱秉生，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].第六版北京：電子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