【導(dǎo)讀】太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽(yáng)能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。實(shí)際上由于額外的損失太陽(yáng)能電池的效率很低。只有通過(guò)理解并盡量減少損失才能開(kāi)發(fā)出效率足夠高的太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運(yùn)、載流子收集的限制。對(duì)于單晶硅硅太陽(yáng)能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。實(shí)際上由于額外的損失太陽(yáng)能電池的效率很低。只有通過(guò)理解并盡量減少損失才能開(kāi)發(fā)出效率足夠高的太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理
提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)光電產(chǎn)業(yè)最重要的課題之一。一般而言太陽(yáng)能電池效率每提升1%，成本可下降7%，其對(duì)于降低成本的效果相當(dāng)顯著。
研究表明，影響晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面：
1、光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長(zhǎng)波段的非吸收損失。
2、電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。
這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度與硅片的厚度相當(dāng)或超過(guò)硅片厚度時(shí)，背表面的復(fù)合速度對(duì)太陽(yáng)能電池特性的影響也很明顯。
提高轉(zhuǎn)換效率方法
提高晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率有如下方法：
1、光陷阱結(jié)構(gòu)
一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到10％以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)（RIE），該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是和晶硅的晶向無(wú)關(guān)，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過(guò)程中，F(xiàn)自由基對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4，O自由基形成SixOyFz對(duì)側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國(guó)周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。
2、減反射膜
它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級(jí)反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2％左右。
3、鈍化層
鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽(yáng)電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復(fù)合。原子氫鈍化是因?yàn)楣璧谋砻嬗写罅康膽覓戽I，這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復(fù)合。
4、增加背場(chǎng)
如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結(jié)構(gòu)，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個(gè)由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場(chǎng)。由于內(nèi)建電場(chǎng)所分離出的光生載流子的積累，形成一個(gè)以P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這個(gè)光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開(kāi)路電壓Voc。同時(shí)由于背電場(chǎng)的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高。
5、改善襯底材料
選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如N型硅具有載流子壽命長(zhǎng)、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。
細(xì)述幾種高效晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)
PERL 電池
PERL（Passivated Emitter and Rear Locally-diffused）電池是鈍化發(fā)射極、背面定域擴(kuò)散太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。1990年，新南威爾士大學(xué)的J.ZHAO在PERC電池結(jié)構(gòu)和工藝的基礎(chǔ)上，在電池背面的接觸孔處采用了BBr3定域擴(kuò)散制備出PERL電池。PERL電池效率達(dá)到24.7％，接近理論值。
PERL電池具有高效率的原因在于：
1、電池正面采用“倒金字塔”，這種結(jié)構(gòu)受光效果優(yōu)于絨面結(jié)構(gòu)，具有很低的反射率，從而提高了電池的JSC.
2、淡磷、濃磷的分區(qū)擴(kuò)散。柵指電極下的濃磷擴(kuò)散可以減少柵指電極接觸電阻；而受光區(qū)域的淡磷擴(kuò)散能滿足橫向電阻功耗小，且短波響應(yīng)好的要求；
3、背面進(jìn)行定域、小面積的硼擴(kuò)散P+區(qū)。這會(huì)減少背電極的接觸電阻，又增加了硼背面場(chǎng)，蒸鋁的背電極本身又是很好的背反射器，從而進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)化效率；
4、雙面鈍化。發(fā)射極的表面鈍化降低表面態(tài)，同時(shí)減少了前表面的少子復(fù)合。而背面鈍化使反向飽和電流密度下降，同時(shí)光譜響應(yīng)也得到改善；但是這種電池的制造過(guò)程相當(dāng)繁瑣，其中涉及到好幾道光刻工藝，所以不是一個(gè)低成本的生產(chǎn)工藝中。
HIT 電池
HIT 電池是異質(zhì)結(jié)( hetero-junction with intrinsic thin-layer , HIT) 太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。電池制作過(guò)程大致為：利用PECVD在表面織構(gòu)化后的n型CZ-Si片的正面沉積很薄的本征α-Si:H層和p型α-Si:H，然后在硅片的背面沉積薄的本征α-Si:H層和n型α-Si:H層；利用濺射技術(shù)在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜（TCO），用絲網(wǎng)印刷的方法在TCO上制作Ag電極。值得注意的是所有的制作過(guò)程都是在低于200 ℃的條件下進(jìn)行，這對(duì)保證電池的優(yōu)異性能和節(jié)省能耗具有重要的意義。
HIT電池具有高效的原理是：
1、全部制作工藝都是在低溫下完成，有效地保護(hù)載流子壽命；
2、雙面制結(jié)，可以充分利用背面光線；
3、表面的非晶硅層對(duì)光線有非常好的吸收特性；
4、采用的n型硅片其載流子壽命很大，遠(yuǎn)大于p型硅，并且由于硅片較薄，有利于載流子擴(kuò)散穿過(guò)襯底被電極收集；
5、織構(gòu)化的硅片對(duì)太陽(yáng)光的反射降低；
6、利用PECVD在硅片上沉積非晶硅薄膜過(guò)程中產(chǎn)生的原子氫對(duì)其界面進(jìn)行鈍化，這是該電池取得高效的重要原因。
IBC 電池
IBC 電池是背電極接觸( Interdigitated Back-contact )硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。其特點(diǎn)是正面無(wú)柵狀電極，正負(fù)極交叉排列在背后。這種把正面金屬柵極去掉的電池結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：1、減少正面遮光損失，相當(dāng)于增加了有效半導(dǎo)體面積；2、組件裝配成本降低；3、外觀好。
由于光生載流子需要穿透整個(gè)電池，被電池背表面的PN節(jié)所收集，故IBC電池需要載流子壽命較高的硅晶片，一般采用N型FZ單晶硅作為襯底；正面采用二氧化硅或氧化硅/氮化硅復(fù)合膜與N+層結(jié)合作為前表面電場(chǎng)，并制成絨面結(jié)構(gòu)以抗反射。背面利用擴(kuò)散法做成P+和N+交錯(cuò)間隔的交叉式接面，并通過(guò)氧化硅上開(kāi)金屬接觸孔，實(shí)現(xiàn)電極與發(fā)射區(qū)或基區(qū)的接觸。交叉排布的發(fā)射區(qū)與基區(qū)電極幾乎覆蓋了背表面的大部分，十分有利于電流的引出。
這種背電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電池正面“零遮擋”，增加了光的吸收和利用。但制作流程也十分復(fù)雜，工藝中的難點(diǎn)包括P+擴(kuò)散、金屬電極下重?cái)U(kuò)散以及激光燒結(jié)等。
MWT 電池
MWT 電池是金屬穿孔卷繞（metallization wrap-through, MWT）硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。該技術(shù)應(yīng)用P型多晶硅，通過(guò)激光鉆孔將電池正面收集的能量穿過(guò)電池轉(zhuǎn)移至電池的背面。這種方法使每塊電池的輸出效率提高了2%，再與電池組件相連接，所得的輸出效率能提高9%。
在MWT器件中，工藝的難點(diǎn)包括：激光打孔和劃槽隔絕的對(duì)準(zhǔn)及重復(fù)性、孔的大小及形狀的控制、激光及硅襯底造成的損傷及孔內(nèi)金屬的填充等。一般MWT每塊硅片需要鉆約200個(gè)通孔
EWT 電池
EWT 電池是發(fā)射極環(huán)繞穿通（emitter-wrap-through，EWT）硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。與MWT電池不同的是，在EWT電池中，傳遞功率的柵線也被轉(zhuǎn)移至背面。與MWT電池類似，EWT電池也是通過(guò)在電池上鉆微型孔來(lái)連接上、下表面。相比MWT電池的每塊硅片約200個(gè)通孔，EWT電池每塊硅片大約有2萬(wàn)個(gè)這種通孔，故激光鉆孔成為唯一可滿足商業(yè)規(guī)模速度的工藝。
EWT電池由于正面沒(méi)有柵線和電極，使模組裝配更為簡(jiǎn)便，同時(shí)由于避免了遮光損失且實(shí)現(xiàn)了雙面收集載流子，使光生電流有大幅度的提高。用于工業(yè)化大面積硅片的EWT電池工藝多采用絲網(wǎng)印刷和激光技術(shù)，并對(duì)硅片質(zhì)量具有一定的要求，這為EWT電池工藝技術(shù)提出諸多的要求，比如無(wú)損傷激光切割的實(shí)現(xiàn)、絲網(wǎng)印刷對(duì)電極形狀的限制、孔內(nèi)金屬的填充深度以及發(fā)射極串聯(lián)電阻的優(yōu)化等。利用這種新型幾何結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出來(lái)的早期電池獲得了超過(guò)17%的效率。
激光刻槽埋柵電池
由UNSW開(kāi)發(fā)的激光刻槽埋柵極技術(shù)，是利用激光技術(shù)在硅表面上刻槽，然后埋入金屬，以起到前表面點(diǎn)接觸柵極的作用。發(fā)射結(jié)擴(kuò)散后，用激光在前面刻出20μm寬、40μm深的溝槽，將槽清洗后進(jìn)行濃磷擴(kuò)散，然后槽內(nèi)鍍出金屬電極。電極位于電池內(nèi)部，減少了柵線的遮蔽面積，使電池效率達(dá)到19.6%。
與傳統(tǒng)工藝的前表面鍍敷金屬層相比，這種電池具有的優(yōu)點(diǎn)是：柵電極遮光率小、電流密度高，埋柵電極深入硅襯底內(nèi)部可增加對(duì)基區(qū)光生電子的收集，濃磷擴(kuò)散降低濃磷區(qū)電阻功耗和柵指電極與襯底的接觸電阻功耗，提高了電池的開(kāi)路電壓等。
這種電池既保留了高效電池的特點(diǎn)，又省去了高效電池制作中的一些復(fù)雜的工藝，很適合利用低成本、大面積的硅片進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
OECO 電池
OECO 電池是傾斜蒸發(fā)金屬接觸（Obliquely evaporated contact，OECO）硅太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)稱。與其他高效電池相比，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、制作簡(jiǎn)單、電極原料無(wú)損耗、成本低廉和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。OECO電池結(jié)構(gòu)基于金屬－絕緣體－半導(dǎo)體（MIS）接觸，利用表面溝槽形貌的遮掩在極薄的氧化隧道層上傾斜蒸鍍低成本的Al作為電極，無(wú)需光刻、電極燒穿、電極下重?fù)诫s和高溫工藝即可形成高質(zhì)量的接觸，并且一次性可蒸鍍大批量的電池電極。更為重要的是當(dāng)這種電池制作面積從4 cm2擴(kuò)大到100 cm2時(shí)，效率也只是從21.1％略微降到20％，仍然屬于高效范圍，所以這種結(jié)構(gòu)的電池更適宜于工藝生產(chǎn)。
OECO結(jié)構(gòu)示意圖如所示，電池的表面由許多排列整齊的方形溝槽組成，淺發(fā)射極n+位于硅片的上表面，在其上有一極薄的氧化隧道層，Al電極傾斜蒸鍍于溝槽的側(cè)面，然后利用PECVD蒸鍍氮化硅作為鈍化層和減反射膜
OECO電池有以下特點(diǎn)：（1）電極是蒸鍍?cè)跍喜鄣膫?cè)面，有利于提高短路電流；（2）優(yōu)異的MIS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以獲得很高的開(kāi)路電壓和填充因子；（3）高質(zhì)量的蒸鍍電極接觸；（4）不受接觸特性限制的可以被最優(yōu)化的淺發(fā)射極；（5）高質(zhì)量的低溫表面鈍化。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能作為理想的可再生能源受到了更多的重視，全球的研究團(tuán)隊(duì)正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。目前太陽(yáng)能電池的種類不斷增多，但晶體硅太陽(yáng)能電池因?yàn)閮?yōu)異的特性和較高的轉(zhuǎn)換效率，在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。
