硅与不定型硅杂化太阳能电池(HIT电池)前沿调研

*陈鸿翔

(辽宁师范大学附属中学 辽宁 116000)

硅与不定型硅杂化太阳能电池(HIT电池)前沿调研

*陈鸿翔

(辽宁师范大学附属中学 辽宁 116000)

光伏发电是一种可再生的环保发电方式,其不会产生二氧化碳等温室气体,因此不会对环境造成污染.如今,以硅电池为主的太阳能电池已经商业化.市场常见的单晶硅电池效率大约是22%.近期,Sanyo研发的硅/不定形硅杂化太阳能电池(HIT电池)效率可达25%,且成本更低.本文以文献综述为主,探讨了太阳能电池的理论效率,介绍、分析并提出优化HIT电池效率的几点方法.

太阳能电池;硅太阳能电池;HIT电池

1.背景介绍

目前,人类生产生活所主要依赖的化石能源正在快速消耗.据调查统计,以现有世界对化石能源的消耗速度,石油剩余约50年,天然气剩余约50年,煤炭剩余约200年.同时,由于开采和燃烧化石燃料所造成的环境污染也日趋严重.因此,必须寻求有效且环保的新能源.水能,核能,风能等是当前的热潮,然而这些能源可能会对局部生态系统造成较大的影响.除此之外,45亿年持续燃烧的太阳,无疑也是优秀的候选者.太阳光穿越大气层到达地球表面的能量功率是1.8X1014kW,大约是全球年平均电力消耗的几十万倍.目前太阳能电池效率约为20%,远远高于太阳能热电效率或者光合作用效率.尽管太阳能电池能量转换效率很高,其制备过程会消耗大量能源并且产生大量污染,制约了太阳能光电的大范围应用.因此为了在增高太阳能电池能量转换效率的同时减少制造成本和污染,新型太阳能电池以薄膜导体和半导体材料为主.其中,有机半导体材料和部分无机半导体(CdTe,CIGS)有更高的光吸收系数,因此所需光吸收层更薄(lt;1um);硅电池通过引入新型结构和工艺,在提高能量转换效率的同时,降低成本:预计在2017年底,硅电池的有效价格可以低至US$0.36/Wp.

2.S-Q(Shockley-Queisser)极限

1961年,Shockley和Queisser计算了单节太阳能电池的极限效率(S-Q极限):在标准AM1.5太阳光照辐射下,太阳能电池的极限PCE为33.7%(对应Eg=1.3eV).这一重要的理论极限基于以下因素:

(1)光能收集损失

①反射光损失;

②电极遮挡损失;

③透射光损失.

(2)电子-空穴对复合损失

电子吸收光子收激发产生电子-空穴对后,有几率退激发,叫做电子-空穴对的复合.复合分为直接复合与间接复合.直接复合是处于导带的电子直接与处于价带的空穴结合.间接复合是电子与空穴在禁带中的某一缺陷能级复合,该缺陷能级为复合中心.

由于硅晶体缺陷的存在,间接复合效率远远大于直接复合(SRH),大约减少10%-20%的电池效率.因而,间接复合是硅太阳能电池主要研究的问题.间接复合中,常见的是表面复合.这是由于硅表面层原子存在大量悬浮键,产生大量缺陷(Dit≈1014cm-2eV-1).这些缺陷能级处于硅半导体禁带中,作为间接复合的复合中心,复合速率为1000cm/s左右.在良好的钝化处理下,由硅表面悬浮键产生的复合速度可降低至6-10cm/s.

基本的钝化方法主要有热氧化法和低温沉积法.热氧化法是将硅在高温条件下氧化形成SiO2薄膜,采取这种方法钝化效果好,但是长时间的高温过程容易使质量较差的单、多晶硅衬底产生缺陷,复合加强,从而影响电池性能.此外,长时间的高温过程使操作复杂、成本高昂.低温沉积法(PEVCD法)则是利用等离子体中具有高能量的电子提供化学气相沉积所需的能量,使得沉积在低温环境就可以进行.主要用SiNx做钝化层.这种方法沉积温度低,能耗较低,并且沉积速度较快,生产能力高.

3.HIT太阳能电池

(1)HIT电池基本结构及特点

目前晶体硅太阳能电池的制备需要高温掺杂处理,这不仅会提高生产成本,而且会限制转化效率和器件尺寸.相反,非晶硅薄膜太阳能电池有着重量轻,工艺简单,成本低和耗能少等优点,但是非晶硅电池效率低,并且随着光照的时间其效率会不断下降.为了制作出效率高且成本更低的太阳能电池,1991年Sanyo公司首次将本征非晶硅薄膜用于非晶硅/晶体硅杂化太阳能电池(HIT),电池效率达18.1%,并在1997年实现HIT电池的批量生产.随着电池结构不断优化,效率逐渐提升至25.6%.

HIT的基本结构如图1所示.HIT(Heterojunction Intrinsic Tunneling),就是异质结和本征薄膜的结合.异质结是指pn结的材料不同(硅/不定形硅),本征薄膜是在P型氢化非晶硅和n型氢化非晶硅与n型单晶硅硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜,可明显提高表面钝化.

HIT电池的特点是开路电压(Vov)大、工艺温度低、复合率低.其中最大的特点是Voc约为0.75V,明显大于普通硅电池.这是因为非晶硅能带宽,掺杂后的费米能级可以跟单晶硅的导带或者价带平行,如图1所示.如果只是用单晶硅,那么掺杂的部分永远不可能把费米能级和单晶硅的导带价带平行,内建电场就会明显小于1.1eV,Voc一般为0.65-0.70V.不同于单晶硅太阳能电池,HIT电池拥有着出色的钝化效果,通过插入高质量的固有a-Si层,c-Si晶片和使用低损伤工艺的掺杂a-Si层,使c-Si的表面悬挂键可以很好地钝化,减小复合速率(最低可低至2cm/s).此外,HIT电池加工简单,且不定型硅掺杂可在在200℃进行,因而成本更低.

图1 HIT电池结构和能带结构

(2)制约HIT电池发展的因素及改进措施

①成本

由于单晶硅制造过程存在高能耗和高污染,尽可能使用更薄的晶体Si可以有效提高电池的社会经济效益.然而,薄晶体Si衬底可能存在如下问题:一方面太阳能的容易翘曲,这会降低工艺产量;另一方面光路长度减少所导致的Isc的减少.太阳能电池的Voc由过量载体决定.如果表面复合速度足够低,Si越薄晶片可以保持高的过剩载流子密度,导致高Voc.对于HIT电池,当表面复合速度高于100cm/s时,Voc随Si晶片厚度的减小而降低减少;再一方面,当表面复合时速度低于100cm/s时,Voc增加.所以,一定程度上,可以通过Voc的增加来补偿Isc减少对于电池效率的影响.

②优化建议

A.在HIT电池中存在着吸收损耗,主要是由于在TCO层中自由载体对光的吸收.通过改变TCO的制备参数使TCO的晶粒尺寸大于常规TCO层,以便降低载流子密度而不导致电导率的损失.此外还可减小TCO的厚度以提高透光率.

B.通过高浓度掺杂,增大内建电场,增大Voc.

C.精确控制掺杂深度,让掺杂层的厚度可控,因而所需本征层(原本是10nm)的厚度更小,减小本征层厚度带来的电阻.

[1]William Shockley and Hans J. Queisser, quot;Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cellsquot;,Journal of Applied Physics, Volume 32 (March 1961), pp. 510-519; doi:10.1063/1.1736034

[2]A. H. Edwards, ``Interaction of H and H2 with the Silicon Dangling Orbital at the lt;111gt; Si/SiO2 Interface,''Phys.Rev.B, vol. 44, no. 4, pp. 1832-1838, 1991.

[3]《半导体物理学》,陈延湖.

[4]Tohoda S, Fujishima D, Yano A, et al. Future directions for higher-efficiency HIT solar cells using a Thin Silicon Wafer[J]. Journal of Non-Crystalline Solids,2012, 358(17): 2219-2222.

[5]Taguchi M, Yano A, Tohoda S, et al. 24.7% record efficiency HIT solar cell on thin silicon wafer[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2014, 4(1): 96-99.

[6]成志秀,王晓丽.太阳能光伏电池综述[J].信息记录材料,2007(02).

[7]汤会香,严密,张辉,杨德仁.太阳能电池材料CuInS2的研究现状[J].材料导报.2002(08).

[8]董晓刚.太阳能电池用多层膜的制备和研究[D].大连交通大学,2006.

[9]虞丽生编著.半导体异质结物理[M].科学出版社,2006.

[10](美)施敏(Sze,S.M.)著.半导体器件物理[M].电子工业出版社,1987.

[11]宋卓.纳米硅/单晶硅异质结二极管制作及特性研究[D].黑龙江大学,2008.

[12]王涛.硅太阳能电池研究[D].国防科学技术大学,2006.

[13]董晓刚.太阳能电池用多层膜的制备和研究[D].大连交通大学,2006.

[14]马蕾.纳米多晶Si薄膜的热壁LPCVD淀积与结构特性研究[D].河北大学,2005.

陈鸿翔(2000-),男,辽宁师范大学附属中学;研究方向:太阳能电池、物理.

Research of Silicon and Amorphous Silicon Hybrid Solar Cells ( HlT Battery )

Chen Hongxiang
(Affiliated High School of Liaoning Normal University, Liaoning, 116000)

Photovoltaic power generation, which is a renewable environmental protection power generation, does not produce carbon dioxide and other greenhouse gases, so it will not cause pollution to the environment. Today, silicon - based solar cells have been commercialized. The efficiency of market common monocrystalline silicon cell is about 22 %. Recently, the silicon / amorphous silicon hybrid solar cell ( HIT battery ) , which is developed by Sanyo, can achieve 25 % efficiency with the lower cost. This paper mainly focuses on the literature review and discusses the theoretical efficiency of solar cell and introduces, analyzes, puts forward some methods to optimize the efficiency of hit battery.

solar cell;silicon solar cell;HIT battery.

T

A