晶体硅太阳电池技术及进展研究论述

刘良玉，张威，禹庆荣

（1.国家光伏装备工程技术研究中心；2.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111）

晶体硅太阳电池技术及进展研究论述

刘良玉1，张威2，禹庆荣2

（1.国家光伏装备工程技术研究中心；2.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111）

高效低成本是光伏行业发展不变的主题。进入21世纪，中国光伏发展突飞猛进，电池光电转换效率从14%提升到超过21%，成本降幅90%。本文结合近年来晶体硅太阳电池技术的特点，分析了高效晶体硅太阳电池技术和进展。

高效；晶体硅太阳电池；技术；进展；研究

高效率晶体硅太阳电池的理念最早是在二十世纪八十年代提出的，主要融合了表面钝化技术与陷光观念。本文主要研究晶体硅太阳电池技术的发展和应用。

1 选择性发射极太阳电池

太阳能电池的最终目标是为了减少成本支出，提升实际工作效率。现阶段在标准的太阳能电池生产形式下，提升效率已经接近极点，相应行业都将重点汇集到高效电池工艺技术中。在多样化的技术背景下，选择性发射极结构是p-n结晶体硅太阳能电池生产工艺中最具效益的方案之一，现阶段已经有很多厂商达到了商业化或者是正在向着商业化进程发展。这种太阳电池技术的构成是在电极栅线下或者是周边构成高掺杂深入分散区域，在其他位置构成低掺杂浅分散区域。依据其具备的特点，达到选择性发射极结构的重点就是如何构成上述的两大区域。

在实际研究的过程中，中科院宁波材料所万青教授研究组提出，电池工艺在结合磷分散以后，表层会构建高浓度的磷硅玻璃层面，之后依据图形化激光退火，以此将磷硅玻璃层面中的磷元素分散到硅中，在电池片表层局部区域构成重点掺杂。在丝网印刷细栅线的过程中，垂直交叉激光重掺线条，精巧的达到自对准激光掺杂技术。

PERL电池是钝化发射极、背部定域拓展硅电池的简化称呼。这也是现阶段世界报道过效率最高的硅太阳电池，其包含的效率达到了23%～24%之间，并在1999年创造了光电转换效率25%的世界纪录。同时，这一电池的结构设计也存在一定的特点，如全钝化结构；淡磷、浓磷分区分散；背部实施定域、小区域的硼推广；电池正面应用“倒金字塔”结构。

PERL电池实现高转换效率的原因主要有以下几点：第一，电池正面制备标准的“倒金字塔”构成，其光吸收效率要高于一般电池绒面，具备低反射率，以此提升光生电流。第二，选择性的磷融合拓散，金属栅电极下重点融合可以构建欧姆接触，非栅极接触区域的轻融合在满足横向电阻最优化的根本上，不断提升短波光谱响应。第三，电池背部依据定域、选择性的硼组合构成了p区，这样不但可以减少背电极的接触电阻，还可以提升背面场，以此在实际发展中不断减少复合效率，以此增强电池的短路电流密度，增强实际电池的转变效率。第四，发射极钝化可以降低表层密度，满足光生载流子的需求。

2 异质结太阳电池

这种太阳电池技术，也称为HIT。是由日本三洋企业最初提出来的，结合高效率本征非晶硅层对晶体硅本底素材的两面实施钝化，降低表面的复合，增强器件对光生载流子的汇集水平，从而构建高质量的新型晶体硅太阳电池。同时，在产业过程中，技术不断进行突破，且结合背面局部接触技术，2014年，松下企业研发的HIT太阳电池的转换效率达到了25.6%，打破了新南威尔士大学保持了15年的世界纪录。

HIT太阳电池技术在产业化过程中主要具备以下几个优势：第一，低温技术。因为HIT太阳电池技术用a-Si薄膜掺杂形成pn结，整体工艺过程都在低温下完成（＜300℃），减少能源消耗。第二，高转换效率。这种太阳电池技术一般应用SiO2或SiNx薄膜为钝化层面，但是在实际发展中，依据氢化非晶体硅薄膜作为表面钝化层，可以保障钝化效果达到最佳。第三，节约面积。这种太阳电池具有较高的光电转换效率，这样在输出功率相同的背景下实际占地面积最小化，从而可以减少组件电站区域的整体成本支出。第四，平稳性能优良，由于衬底是n型单晶硅，不具备B-O复合体导致的光衰效应，同时对金属杂质的忍耐度大于衬底。此外，晶体硅电池随着温度的升高，发电效率会有衰减，HIT电池的温升系数要远小于其他结构的晶硅电池，在沙漠、热带地区发电增益明显。第五，低耗材。HIT电池的厚度可以低至50μm，可大幅度降低硅材料成本，并可实现柔性化，一方面满足特殊领域内对高效电池的需求，另一方面可以大幅度减少组件辅材的支出。

3 全背电极接触晶硅太阳电池

全背电极接触晶硅太阳电池，简称为IBC电池。IBC电池结构在表层产生的光生载流子一定要通过硅基体才可以达到背电极，这就要求硅衬底材料的少子寿命要长，对硅本体材料提出了较高的要求。

这种太阳电池可以依据N型硅衬底，促使表面复合的概率有效降低，前后表面依据热氧化膜钝化解决问题。结合半导体工艺中的光刻技术，在电池背部实施磷、硼准确区域掺杂，以此形成指状交错排列的p/ n区域，和处于其上方的p+/n+重掺杂区域。由于这两大区域的接触电极覆盖面积非常大，所以具有非常低的串联电阻。

IBC电池在产业化过程中具有以下几点优势：第一，获取最大化的入射光子。因为基区与发射区域的金属栅交叉设计都处于电池背面，可以防止电池表层金属栅线出现遮光消耗。第二，这种太阳电池的表层依据轻掺杂处理了其他结构电池存在的“死层”问题，获取了短波光谱的响应。电池背部存在SiO2的是钝化层，获取了被反射率和长波的光谱响应，促使这种太阳电池可以获取更为高效的光电转换效率。第三，基层和发射区域的电极都可以处于背部，从而满足电池正、负极焊线拼装的需求，减少了光伏组件设计工艺的步骤，便于到自动化设计，提升生产效率。

4 金属环绕穿孔电池

金属环绕穿孔电池，简称为MWT。这种电池技术与IBC太阳电池一样都是背接触式，同时构成形式也与丝网印刷电池相同。

这种电池技术在实际应用中，因为发射区域处于电池的浅表层与金属化孔之中，降低大部分载流子复合的拓展长度，增加光生电流的汇集效率，在低品质的硅衬底素材中就可以获取高电流密度。由此这种太阳电池可以依据多晶硅片创造出高效的太阳电池。

虽然在现阶段MWT太阳电池技术得到了有效的推广和应用，但是在产业化过程中，MWT电池依旧存在很多问题：如低损伤孔洞的设计、精确而有效的防止孔洞与四周硅本体素材出现漏电、损耗等问题。除此之外，提出降低串联电阻也是必须要攻克的重点研究内容。

荷兰能源研究中心结合长时间的分析和研究，其已经将MWT电池技术向着产业化的目标取得了较大的进步，并且提出了一种称为PUM的太阳电池。其与以往电池主栅的组成存在差异，是结合电池背部特别指定区分的接触电极，减少主栅组成的遮光消耗，同时降低了发射区域电极界面中一部分载流子复合概率，增强电池的转变效率。

5 发射级环绕贯穿太阳电池

这种太阳电池，简称为EWT电池。与MWT太阳电池一样，也是背接触式电池，其主要特点是在电池上打孔达到上下两者的流通。但是和MWT太阳电池也存在差异性，这种太阳电池技术中的电流回流线是依据电池正表层移动到电池的背部。

在20世纪90年代初期就研发出EWT太阳电池，电池的p-n结处于正表层，为了降低光反射，优化其拥有的金子塔结构，降低反射膜，之后提出部分重混杂或者是金属化孔洞的方式，促使电池的正面发射区域同背面发射区域整合到一起，让两者拥有的电流都融汇到背面的电极当中，正负电极回流线交错罗列于电池背部，主栅位于背部的两边。

这种太阳电池正表层并不具备栅线电极，依据其中存在的微型导电汇集电子，并且传导到背面的发射区电极当中，这样不但可以提升光子汇集的效率，还可以达到双面汇集的效果，以此提升光生电流的密度，增加实际光电转换效率。除此之外，也有助于太阳能电池板向着自主化发展。由此，EWT太阳电池具备IBC和MWT太阳电池技术的优势。

6 结语

晶体硅太阳电池在太阳电池发展的市场中占据重要的地位，预计未来相当长一段时间内，其市场主导地位不会发生变化。伴随着国内装备行业的技术进步，晶硅电池将率先实现平价上网，促使光伏发电成为国家常规供给能源，解决影响人类发展的两大难题。

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[3]https://zhidao.baidu.com/question/99901347.html

[4]章曙东. 晶体硅太阳电池表面钝化研究[J].江南大学,2015.

[5]http://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480&z=0&ipn=d &word=IBC%20

[6]http://www.solarzoom.com/index.php/marticle/66677

[7]艾斌,张勇慧,邓幼俊,沈辉. 外延晶体硅薄膜太阳电池的器件模拟及性能优化的研究[J]. 中国科学:技术科学,2014,11.

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