硅基异质结太阳电池的研究现状与前景

东南大学 ■ 杨帆 刘静静 金以明 杜张李

一 引言

进入21世纪，能源和环境的可持续发展已成为人类最关注的问题，光伏发电具有最理想的可持续发展特征，是可再生能源发展的最大亮点。太阳电池是光伏发电系统中最关键的核心部件之一，其光电转换效率和实际应用过程中是否具有长期稳定性等特征是决定整个光伏系统性能的关键因素。目前制约太阳电池大面积使用的原因在于其成本偏高。降低光伏发电成本主要依据两种途径：一是追求尽可能高的光电转换效率，从而降低产生相同电力时所需昂贵半导体材料。例如以砷化镓GaAs为代表的III-V族半导体的高效率太阳电池(典型效率＞30%)，或高效晶体硅太阳电池(如PERL、OECO等，典型效率＞20%)。二是选择新材料及工艺体系降低电池制造成本，如开发以非晶硅a-Si:H、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)为代表的薄膜太阳电池[1,2]。

二 硅基异质结太阳电池

近年来，基于硅衬底的异质结太阳电池(Silicon Heterojuction solar cells，SHJ)，因其结合了高纯单晶硅材料少子寿命长、异质结易于控制生长及能带匹配的优点，获得了广泛关注及研究。这种电池结构形式实际体现了上述两种解决途径相结合的思路[3,4]。

常见的硅基异质结太阳电池的异质结，如a-Si/c-Si，a-SiC/c-Si，nc-Si/c-Si等，在单晶硅衬底基础上，沿用非晶硅太阳电池业已成熟的制备技术(如等离子增加化学气相沉积PECVD、热丝气相沉积HWCVD、甚高频化学气相沉积VHFCVD)等，通过在低温沉积实现异质结，减少了通常硅太阳电池高温扩散制结的能源消耗，从而降低成本[5,6]。更值得一提的是，SHJ太阳电池具有超过20%光电转换效率的潜力，属于高效低成本太阳电池。

1 HIT太阳电池

三洋Sanyo公司最新报道其申请专利的HIT型异质结太阳电池[7,8]，在80nm硅基片上实现了23.4%的高转换效率，远超过目前传统硅太阳电池的转换效率(16%～18%)。通过进一步优化绒面织构等光陷阱技术以及优化异质结减少载流子复合，该种异质结电池有望在近期接近PERL等高效晶硅太阳电池转换效率24.7%的世界纪录。目前转换效率为21%的HIT太阳电池已实现规模化生产。HIT电池采用高纯n型单晶硅作为衬底，利用一个超薄的非晶硅层(＜10nm)作为缓冲层，对晶体硅上下表面的良好钝化，并采用PECVD等薄膜低温沉积技术实现p+Si/a-Si/n-Si/a-Si/n+Si式的HIT电池结构。其具有以下特点：(1)结构简单，但可得到较高的光电转换效率；(2)较小的温度效应，即转换效率随温度升高下降的程度低于常规晶体硅太阳电池，因此实际发电量较高；(3)在低温实现a-Si沉积，可节省能源；(4)可使用薄型硅衬底(＜100µm)，并实现表面和背面对称结构，节省硅材料；(5)由于背面的入射光也可以发电，具有两面发电的可能性。

在日本研究人员的开创性工作以及HIT电池最高转换效率不断突破的鼓舞下，HIT型异质结太阳电池，即基于a-Si:H插入缓冲及钝化层技术的c-Si异质结太阳电池，在世界范围内的研究、试验及理论模拟取得了大量成果[9,10]。较重要的研究方向有：一是利用更廉价的p型硅衬底替代原先的n型硅以及采用纳米硅薄膜作为发射极。例如，最近美国可再生能源研究中心(NERL)的Wang Q等[11]采用p型悬浮区熔炼(Fz)硅和直拉单晶(Cz)硅衬底，成功制备了异质结太阳电池，其典型的电池结构为(金属格栅/ITO/n/i/c-Si(p)/i/p/ITO/金属)，分别实现了19.3%和18.3%的转换效率，且没有出现传统n+/p型硅电池初期的光致衰减效应，其开路电压在700mV以上；Wu B R等[12]采用热丝化学气相沉积结合激光退火晶化技术在p型单晶硅基底上制备nc-Si/c-Si异质结太阳电池，实现了14.2%的转换效率。分析上述电池结构可以看出，实际均为改进的HIT结构太阳电池。

2 其他硅基异质结太阳电池

为了绕开HIT太阳电池的专利壁垒，世界各国的研究人员陆续研究了各种新型的硅基异质结太阳电池[13]，如利用非晶C膜的半导体特性开发a-C/c-Si、a-C/C60/c-Si等新型太阳电池，但转换效率过低无法达到实际应用的程度。这些尝试中较成功的异质结电池主要有a-Si:H/c-Si、nc-Si:H/c-Si及c-3C-SiC/c-Si太阳电池。研究显示，太阳电池需要满足以下几个关键条件来实现高效率的硅基异质结。以典型的a-Si:H/c-Si异质结为例：一是对c-Si衬底表面进行预处理，以降低a-Si:H/c-Si等异质结界面活性复合缺陷密度；二是优化a-Si:H层的沉积工艺；三是对沉积膜层的后处理技术。基于以上思路，最近德国的Korte L等[14]在单晶硅上制备了a-Si:H/c-Si异质结太阳电池，其电池结构如图1所示。经过c-Si的表面预处理优化工艺，结合对太阳电池的等离子体后处理，在悬浮熔炼Fz单晶硅衬底(1～2Ω·m，200m，(100)取向)上制备的(p)a-Si:H/(n)c-Si和(n)a-Si:H/(p)c-Si异质结太阳电池的转换效率达到了19.8%和18.5%。

另外，Farrokh-Baroughi M等[15]报道了低质量的多晶硅mc-Si衬底沉积纳米硅薄膜，形成nc-Si/mc-Si异质结太阳电池的结果。HRTEM的分析显示，通过沉积工艺控制可实现低的界面态密度，从而减少载流子复合。因为采用较高电导率的nc-Si实现无透明上电极的电池结构，nc-Si/mc-Si异质结太阳电池的开路电压(Voc)、短路电流(Isc)分别达到565mV和26mA，填充因子超过70%，平均少子寿命也达到10s量级，这也进一步说明了SHJ太阳电池具有进一步低成本化的发展潜力。

综上所述，目前国内外研究人员对以a-Si/c-Si为代表的异质结太阳电池的制备技术及光电转换机理研究都很重视。由电池工作基本原理所决定，其中有两个问题难以完美解决：(1)a-Si:H膜层仅为数纳米，因而为获得低载流子复合的异质结界面，须严格的控制工艺参数；(2)良好异质结太阳电池的主体结构为c-Si单晶衬底，虽然可通过减少单晶硅的厚度来减少材料消耗，但无法采用通常非晶硅电池选用的聚合物、不锈钢、ITO玻璃等薄膜电池基底材料。

3 硅基异质结电池模拟

利用太阳电池模拟软件，如AMPS和AFORSHET等，可对异质结太阳电池的多种工艺参数，如非晶硅发射极的掺杂浓度、本征非晶硅层的厚度以及a-Si:H/c-Si异质结能带等进行模拟，从而对电池结构进行优化设计[16]。Zhao Z 等[17]采用AFORSHET软件对p型硅为基底的HIT电池的结构及性能进行模拟，发现优化的光电转换效率与体缺陷密度，如氧缺陷密度Dod、a-Si:H/c-Si界面缺陷密度Dit等有关。模拟结果显示：与应采用电阻率为1.0Ω·m硅衬底的传统观点制备HIT电池不同，选用电阻率为0.5Ω·m的硅衬底(Dod=1.0×1010/cm3，Dit＜1.0×1011/cm2)，可制备最佳转换效率的异质结电池[18]。

三 Si/Ge/Si双异质结太阳电池

对于硅基异质结太阳电池而言，发射极多采用本征缺陷较多的多晶硅/微晶硅或非晶硅材料，电子空穴对容易通过缺陷进行复合从而降低效率。研究表明，通过巧妙的切片技术，可将生长的单晶硅薄膜转移到玻璃材质的衬底上。依据以上思路，最近Lin C H等[19]设计了一种Si/Ge/Si双异质结结构的薄膜太阳电池。Lin C H等制备双异质结太阳电池的基本流程，如图2所示。采用单晶硅衬底，使用ITO玻璃衬底作为操作基片，并最终在操作基片上制作形成双异质结太阳电池。首先，在单晶硅衬底上外延生长Ge/Si层作为主基片；其次，通过H+等离子注入形成Ge膜邻接的Si基底层，形成弱结合层，即在单晶硅基底上部离子注入区形成Si-H键，在热处理过程中受限的H离子通过扩散形成充满H2分子的微腔；第三步经过表面处理的ITO玻璃基底和主基片直接贴合；最后一步通过分离退火处理将原先在Si基底上生长的Ge/Si外延层，连同由于离子注入效应引起分离的Si层转移至ITO玻璃基片，形成Si/Ge/Si异质结薄膜结构。

Si/Ge/Si异质结薄膜太阳电池利用Si层大的光学带隙宽度和Ge层有效的光吸收效应，因为Si和Ge间存在较大的价带阶跃，因此需通过控制Si和Ge单晶薄膜内的掺杂水平以获得高的转换效率。研究表明，目前1.5µm厚的n-Si/n-Ge/p-Si双异质结薄膜太阳电池的光电转换效率达到了16%，而且作为模板的单晶硅衬底可以重复利用，双异质结薄膜太阳电池在不久的将来有望成为另一种重要的异质结太阳电池。

四 结语

目前，常规晶体硅太阳电池(包括单晶硅c-Si和多晶硅mc-Si电池)的市场份额占主要地位(＞80%)，但在高纯硅材料短缺和价格制约的情况下，以及低碳经济型可持续发展的社会背景下，薄膜太阳电池在硅薄膜太阳电池的带领下，得到迅速发展。不久的将来，薄膜太阳电池可能与晶体硅太阳电池及其他新型太阳电池三分天下。预计到2015年，薄膜太阳电池将达到26GW的产能，超过整个太阳电池市场的一半。

综上所述，硅基异质结太阳电池是较有希望的高效低成本薄膜电池(转换效率超过20%)，适合应用于不同场地的光伏发电系统。随着相关基础研究的进一步深入及产业化生产制备技术的完善，在可遇见的未来其将在光伏市场中占据重要的位置。Si/Ge/Si双异质结薄膜太阳电池作为一种比较新的双异质结型电池，其研究工作目前集中在制备工艺及结构掺杂控制上，通过对其异质结界面控制、工艺参数优化及理论模拟等方面的深入研究，可实现更高的转换效率，从而进一步降低光伏发电的成本。

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