薄膜太阳电池系列讲座(2)减薄晶体硅太阳电池给薄膜太阳电池的启示(下)

南开大学光电子薄膜器件与技术研究所 南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室 光电信息技术科学教育部重点实验室(南开大学，天津大学)■ 张晓丹 熊绍珍 赵颖

二 减薄电池的发展

1 厚度减薄问题的提出

减薄材料厚度除成本优势外，还会带来什么好处以及相应难点？事实上减薄厚度有利于增强PN结电池内光生载流子的收集。美国RCA的David Redfield等[3,4]于1974年首先对晶硅太阳电池的厚度提出“疑议”，明确提出减少晶硅太阳电池吸收层材料厚度的好处以及相应因厚度减薄而使光吸收不足的解决办法。图2为考虑了一定限定条件计算而得的单晶硅太阳电池中载流子的收集效率与以太阳光单次通过电池时电池厚度之间关系的计算结果，可见不计表面反射，当材料减薄后，表面复合速度将变成一个重要的影响因素。图中参变量常数a是体材料扩散长度Lb与体层厚度Tb的比值(Lb/Tb=a)，它描述了体层材料质量对收集效率的影响。同时，图2左上角小图为以表面复合速度为参变量时电池厚度与开路电压的关系。由图2可知，在表面钝化降低了对表面复合速度依赖的情况下，减薄材料厚度能增强内建电场，有利于开路电压(Voc)和填充因子(FF)的提高。此结果亦说明，从工艺角度，厚度减薄到比表面积的影响无法忽略的情况下，表面性能对体性能的影响开始呈现，说明在很薄的情况下，改善表面性能的重要性(上述结果是用PC1D软件计算而得)[2]。

采用厚材料的目的，是为了使光能在材料中传播的路径更长，以便吸收更多入射光。顺此概念思路，如果能找到一种结构使光在减薄电池中传播的路径增长，不就能够解决减薄吸收层厚度带来光吸收损失的问题了吗？Redfield[4]于1974年提出用“trap(陷阱)”技术解决此问题，光经过多次反射就能“闭锁”在电池内，可通过增加光在电池中的贯穿次数来延长光程。也就是使光在吸收层内能多次吸收，从而减少减薄电池中的光损失问题。图3为通过增加光在吸收层内多次传输的次数达到提高光利用率、增加收集效率的计算结果(注：未计入表面反射，即假设表面具有良好减反效果，表面反射为零)。如图可见，对1～2µm不同厚薄材料收集系数的差异仅25%，而厚度为100µm时则相差2倍。可见减薄厚度对材料质量的要求也相应降低了。

文献[4]所给出的陷光结构如图4所示。作者提出两种可达到陷光效果的模式，一种是利用光波导方式增加光程(参见图4a)，亦即硅背面为一斜面，其倾斜角a应构成光在硅层内的全反射，达到光波导的效果。另一种(参见图4b)是利用绒面结构获得光在膜内多次(全)反射。这是一种适于生产使用的结构。这应该是最早的“光陷阱”设计模式，Redfield所提出的概念，已扩展至薄膜电池，沿用至今也未能完全突破。

这种方法不仅有利于提高减薄电池效率，对常规晶体硅太阳电池效率的提高亦有诸多启示。Green[5]采用硅表面“修饰”法构成相关的陷光结构，加上各种背反效果(包括光学和电学的背面场，以反射指定的光生载流子返回指定的电极，以提高短路电流)，取得多次创造电池效率世界纪录的优异成绩，至今也未被打破[5,6]。如上所述，减薄厚度能降低体区复合、加强收集，不仅对Voc和FF有利，同时还可降低厚材料对质量的较高要求(如长的少子寿命和降低表面复合等)，进而降低材料加工的能耗，降低电池以及组件的成本；随着电池厚度的减薄，质量相应减轻，利于铺设电站好空间应用，尤其在电池减薄至几十微米厚时，其柔性特色在需求高效率、高重量比的空间应用时所呈现的优势，更是厚体硅太阳电池不可比拟的。

2 提高减薄晶体硅太阳电池效率的研究

(1)不同光陷阱结构的研究[2]

图5为不同绒面结构的示意图。

图6给出依照上述绒面结构、用MACD软件计算晶体硅太阳电池收集的电流与厚度以及底部角度α的关系[2]。对于正常厚度电池，如不采用任何绒面措施，收集电流密度最大仅为35mA/cm2，而分别采用无规绒面、金字塔、倒金字塔乃至垂直表面形貌后，其电流以每步增大1mA/cm2逐渐增大，最大可达42mA/cm2，比平面结构增大20%。对仅为25µm厚减薄电池，从32mA/cm2增至39mA/cm2，增长率接近 22%。α以 60°附近为宜。

表2为20世纪90年代至21世纪初，人们在减薄电池方面所做的尝试以及相应成果。可见内容广泛，技术多样，呈现五彩斑斓之状。以下以比利时IMEC研究所的研究作为示例详述之。图7为比利时IMEC研究所于2008年发表的120µm厚晶体硅减薄电池的研究结果，其中图7a、7b、表3分别为其可弯曲的程度。不仅采用正面带有绒面的光陷阱效应(参见角上的附图)，而且在电学上采用了背面场(BSF)和介质钝化等技术路线，使厚度仅为120µm(为常规厚度的一半)的电池光电转换效率最佳与平均值分别达到16.8%和16.6%。该结果说明，电池工艺的重复性较好，所制备电池最佳和平均效率之差仅0.2%。

表2 早期用不同技术制备减薄(薄膜)太阳电池的研究[2]

表3 120µm晶体硅电池的参数列表

IMEC提出的硅基电池规划，在减薄电池材料厚度以及开展薄膜硅太阳电池研究详细的技术路线与日程表如图8a所示。拟在现有减到120µm水平的基础上，将以每步减薄一半的速度直至减到20µm，同期开展以Al诱导晶化的多晶硅为仔晶，发展薄膜晶硅异质结电池的技术。2007年效率达8%(参见图8b)[7]，2008年50µm电池效率达10%(参见图8c)的水平。表明到2020年以后将努力使硅基减薄电池效率提高到25%以上的意愿。

图8 比利时IMEC在减薄晶体硅太阳电池光伏研究的发展规划路线图[7]

三 减薄晶体硅太阳电池发展的启示

成本是光伏发电得以能够成为主要能源的重要考核标志。因此在技术发展进程中，提高效率的同时不忘降低成本，成为人们时刻关注的焦点。减薄材料厚度虽成为首选，但要将减薄厚度的损失尽量补偿回来，是技术突破的关键。从上述谈及的示例，可得到若干启示：

(1)从材料而言，选择高吸收系数的直接带隙材料，采用较薄的材料即能达到全部吸收或绝大部分吸收太阳光谱所需的厚度要求。

(2)从材料带隙角度选择材料，图9给出理想状态(假设Voc=1/qEg，FF=1)下计算的理论最大效率与材料禁带宽度之间的函数关系，由此提供材料选择的思路。选择带隙在0.7～1.6eV范围内的材料，有望获得较高转换效率。

(3)在尽力优化材料质量的基础上，更需从电池结构上，加强降低载流子损失的各种结构的构建，以提高电池的电学特性。在晶体硅太阳电池中，采用的方法有：采用背面场(Back Surface Field，BSF)结构，利用该反场将光生电子(或空穴)推回到前电极，以利收集；利用各种钝化(不仅有表面钝化，更有背面的钝化，以尽量减少来自正、反面处的表面复合损失、或免受外界气氛的破坏)；多种抗反射膜的采用(单层SiO2、SiNx，双层SiO2/ZnO，SiO2/ITO)；各种降低表面电阻的方法，如在具有减反效果的TCO上加叉指电极(三洋，Kaneka公司曾采用过）。这些将是极好的借鉴经验。

(4)精细的光管理设计

采用绒面结构的光陷阱作用，对具有一定折射率n的材料更为有利。用光散射理论的计算[10]，可使光吸收最大可增加4n2倍。例如高折射率的硅材料(nSi=3.5)，增强效果非常可观，将达49倍。毋容置疑，精细的光管理是减薄电池获得高效率的重要基点。

总之，由晶体硅太阳电池开始，为满足减薄厚度降低成本的角度同时能获得高效率的基本要求，采用光、电管理的多重技术，亦即从光学以及材料质量和电池结构的电学角度出发，进行革新式技术改造，是降低成本的有力手段。但是对所选定材料而言，提高效率和降低成本是一对矛盾体的两个方面，只能折中优化。

最开始降低成本的研究起始于减薄有源层厚度并如何在减薄厚度下利于加工。催生了单晶硅带“Ruben”的工艺诞生。随之其他光伏薄膜材料亦相应见诸报道。1963年Cusano[11]发表了效率达6%的CdTe薄膜太阳电池的研究成果。1973年10月第一次世界能源危机风暴的刮起，为降低成本而兴起的薄膜太阳电池的研究更为兴盛起来。非晶硅薄膜太阳电池从1976年在美国RCA由Carlson等[12]牵头开始研究，到1980年创造了里程碑意义的8%的效率。期间美国宣布研制成功效率大于10.6%的CuInSe(CIS)电池[13]。这种“研究依需求而生”的形式一直延续至今，开拓了太阳电池的新领域，第二代——薄膜太阳电池新时代已到来。

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