晶体硅太阳能电池.doc

单晶硅太阳能电池【摘要】本文以单晶硅太阳能电池为主体，由单晶太阳能电池的发展历程出发，列举了不同时间不同设计生产方式生产的单晶硅太阳能电池的原理、生产工艺、优缺点、服务对象和当前研究热点等方面内容，并对太阳能电池今后一段时间的发展做了展望。【关键词】单晶硅太阳能电池，陷光太阳能电池，背接触电池，丝网印刷商用电池，埋接触太阳能电池一、引言 太阳能电池是最早的半导体功能器件，也是最清洁的可再生资源。早在19世纪80年代【1】，便出现了第一块薄膜硒电池，然而这些早期的器件和30年代流行的氧化亚铜器件一样，没有足够的发电效率，只能用于大面积的光电探测方面。20世纪50年代单晶硅技术的进展才使得在能量转换领域的应用成为可能。【2】虽然取得了一些进展，但是太阳能电池仍然太贵。50年代末硅太阳能电池在空间飞行器上的应用推动了太阳能电池的发展，形成了小型的产业规模以满足空间飞行器上用电池的需求。【3】由于产品的增加和工艺的改进，近三十年来地面上使用的太阳能电池的成本大幅度下降。随着对一系列薄膜电池的研究，成本得以进一步降低，可以预计，未来将会有更广泛的应用。除了在小型远程供电领域的应用外，太阳能电池在大面积应用领域的竞争力日益增强。例如太阳光电资源在住宅区的应用就具有诱人的前景。特别是在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 本文将主要介绍晶体硅太阳能电池的发展过程，电池的设计和当前的研究方向等。二、硅的优点硅是太阳能电池应用中的一种理想材料，硅无毒，是地壳中储量第二大的元素。大量使用时，环境污染和资源耗尽的威胁小。由于硅广泛应用于微电子工业，已经有了完备的技术基础。鉴于以上优点，目前绝大多数商业化的太阳能电池理所当然是用硅制作的，硅主要分为单晶硅、大晶粒硅（大晶粒的多晶硅）和非晶硅三种形式。为保证非晶硅有一定的电学特性，在硅中加入了10%的氢，形成硅氢合金。于是材料的特性与单一的单晶硅有了很大的区别。【4】三、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池,是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前开发得最快的一种太阳能电池，在整个硅系列太阳能电池中，它的太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，产品已广泛用于空间和地面。高性能的单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。1、电池设计的演变【5】1941年提出的第一个硅电池是利用大晶粒硅制成的，直到1954年才报道了第一个单晶硅电池。图1给出了实验室种电池由发展初期开始的演变过程。50到60年代由于空间飞行对电池的需要，电池性能有一个非常快的发展。60年代处在较稳定的时期，性能变化不大，而70年代初又有了急速发展。自上世纪八十年代以来，商业化的硅太阳能电池主要仍然采用70年代的技术，但在器件研究方面不断取得进展。图1. 实验室中硅电池效率的发展2.传统的硅空间电池背表面发射电池（BSR） 如图2所示为一种传统方法制备的典型硅太阳能电池结构，采用了标准的微电子工艺制备。单晶硅衬底采用柱面结生长的CZ法制备，并用内径锯切成圆片，一般片厚约0.3毫米【6】。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。在单晶生长的过程中，要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。通过控制生长条件，可以在电池得上表面扩散得到含有少量掺杂的浅P-N结（发射区），而通过在电池的背面蒸镀一层铝合金可以得到一个“重-轻”型掺杂的P+-P高低结，由此会存在一个静电场（称为背表面电场BSF），使得V和I都得到提高。实际应用中常常采用Ti/Pd/Ag多层结构作为前面和背面的金属电极。同时为了降低电池前表面的反射，还可在该表面蒸发单层的减反射膜（SLAR）TiO2或者Ta2O5，当然也可以采用高性能的双层膜（DLAR），即在二氧化钛上再镀一层三氧化二铝。这种BSR电池的性能属于中等水平，能量转换率一般为15%左右。不过由于太阳光谱中的红外光是被发射出去的而非被吸收的，所以BSR电池具有非常好的热性能。图2. 传统的硅空间电池3陷光结构电池 如图3所示是转换效率可达24%的FERL（无源发射极背面局部扩散）电池的结构，大量的这类电池应用于对能量转换要求比较高的特殊领域，比如太阳能赛车等。对比图2的标准太空电池，可以发现一些性能改进之处。最显著的是在电池表面采用了形状为“倒置锥体”的织构。一般选择（100）晶向的硅片，把四个（111）等价面都暴露出来进行各向异性刻蚀得到。锥体有一些的光学优良特性，第一个就是能够减小电池上表面对入射光的反射。垂直入射的光，以一定的角度投射到（111）面上，由于（111）面与表面成54.7角，光被反射至下方，多增加了至少一次与电池作用的机会。即使没有镀减反射膜，在硅表面任一点经过两次反射未被吸收的光也不到10%，若加入减反膜，反射光最后可减少到1%左右。【5】表面的第二个作用是使光的吸收与电池表面的浅结靠的更近，这是由于锥体使光折射入电池并且斜穿过电池。第三个好处主要是针对光的弱吸收成分，由于PERL电池的背电极与硅层之间由氧化层隔开，所以被反射比直接接触时更强，大部分弱吸收光到达背面后，又可以被这一高效的反射器反射回前表面，这样来回反射，除了小部分光可以有机会透射出电池，大部分都会被电池吸收，就像把光困陷在电池中，因此称为“陷光”电池。另一个重要的特点是PERL几乎完全被一层热生长的氧化层薄膜包裹，该薄膜的作用是降低硅表面的电活性（即钝化），大量的表面钝化使得电池表面的复合率降低，于是无需进行重的表面掺杂，这就增加了设计的灵活性。不过由于陷光导致电池的光吸收大大增加，可能导致工作温度增加，会引起输出电压和输出电流的损失，对于太空电池而言，并不算优点。尽管最初PERL电池的提出仅是处于研究目的，但是随着发展，逐渐被应用于高级太空电池和太阳能彩车。而氧化钝化等方法也已经在低成本电池产品中得到应用，比如后面介绍的埋接触电池。图3. 陷光结构电池FERL4.背接触电池【7】图4.背接触太阳能电池如图4789所示的背接触电池采用了特别的结构：采用条状交叉的方式把p型和n型接触都从电池的背面引出。光生载流子只集中在上表面的几个微米的极小范围内，但是我们要求他们扩散到背面才收集，因此必须想办法降低扩散过程中的复合引起的载流子流失，所以要求电池必须很薄（通常小于150微米），而且要求载流子寿命很长，同时提高表面钝化也是必须的。图示的结构主要是采用在电池的前表面增加一个UV吸收层，因此在表面扩散磷可以大大提高稳定性（类似于SLAR）。 和PERL的相对较低的少子注入水平不同，这种背接触电池需要工作在高注入的情况【9】。在强光下，电池体内N区的电子和空穴的数目几乎相等，超过了低掺杂的贡献，这就大大消除了传统设计肿的阴影损失。同时由于两个电极接触都在背面，也加大了从每个接触点提取电流的面积。 这类电池已经用于集光的太阳能演示系统中，将他们排布在8m2 的巨大面积上，转换率竟也可以超过20%。非集光方面，太阳能汽车也大量应用这种电池。5.丝网印制的商用电池对于地面上的一般应用，最终目的还是应该尽可能降低电池的成本，但这通常是以牺牲性能为代价。一般采取的制备方法就是利用厚膜混合微电子技术，电池结构如图5。仍旧是在大片圆形硅片上操作，但是这些“硅片”也许是非严格的晶体，为了得到“准方”的硅片，需要进行一系列加工：将生长好的晶体先切割成方形，之后切割成200-400微米的硅片，用溶液（NaOH）腐蚀掉切割损伤后，形成织构，得到了如图所示的随机分布的锥体，底边长5-10微米。之后在管状炉中扩散，为了保证足够低的接触电阻，表面扩散必须足够厚而且要求重掺杂。而对于前面的接触，引线丝网的栅格限制线宽150微米左右。这一些限制使得电池在蓝光波段的响应变差。这类电池直径10-12厘米左右，转换率一般在10-12%，80年代开始成为标准的商用电池，下面介绍的埋接触电池是对商用电池的一些改进。图5. 丝网印制的硅太阳能电池6.埋接触太阳能电池图6. 埋接触太阳能电池这种器件最初在90年代由Bpsolar公司大量投入生产。和丝网印制不同，埋接触主要通过寻找简单的金属化方法来降低成本。采用了无电极沉积Ni/Cu/Ag多层膜的方法。埋接触方法的最初步骤和丝网法基本相同，但是在第一次的掺杂扩散之后，在扩散表面上热氧化生长一层二氧化硅或者沉积一层氮化硅，之后利用激光在介质层和下层部分刻出深槽，清洗后进行第二次扩散，这次要比第一次的扩散掺杂重。之后进行背面的沉积，然后放入电镀液中电镀。由于表面上除了沟槽外其余金属全被介质覆盖，所以只有沟槽和整个背面镀上了金属。埋接触的关键是前表面应用了介质层，它不仅在扩散和电镀中作为掩膜，而且还在电池中担任前表面钝化和减反膜的作用。由于和接触阴影以及接触电阻无关，埋接触电池能够很快的吸收几乎全部蓝光波段的光，比丝网印制的电池性能提高了15-20%。同时还兼有金属线条尺度比丝网印制电池的小，电镀用到的铜的电导率较高，沟槽更加陡峭，接触电阻低等一系列优势。【24】然而近年来的实际数据表明，生产这种电池和丝网印刷电池的成本几乎相同。四、展望 近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为1-3倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年1.07增长到2008年的近15。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的13-14提高到16-17。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。【参考文献】1M.A.Green ,“ photovoltaics:coming of age”,21st IEEE photovoltaics Specialists Conference,May 1990,IEEE NO.90 P.1.2D.M.Chapin,C.S.Fuller,and G.L.Pearson, “A new silicon p-n for converting solar into electrical power,” J. Appl. Phy, 8.676 (1954) 3M.Wolf,”historical development of solar cells,”in Solar Cells,IEEE Press, New York ,19764施敏，现代半导体器件物理第八章，科学出版社，20015M.A.Green, silicon solar cells: advanced principles and practice , Hridge Printery ,Sydney , 19956G.E.McGurie Ed, semiconductor matcrials and process technology handbook , Noyes press , Park Ridge , N.J. , 19887P.J.Verlinden,”7000 high-efficieney cells for a dream, ”Progr.Photocolt.2,143,19948L.D.Partain.Ed, solar cells and their applications , Wiley , NY ,19959R.M.Swanson,”point-contact solar cells: modeling and expcriment ,” Solar Cells 17,85,198610A.L.Fahrenbuch and R.H.Bube, Fundamentals of solar cells , Academic press , NY, 1983