晶硅太阳电池的研究现状与发展前景

王英连

摘 要：在环境污染日益严重的今天，人类一直在探究如何利用太阳电池作为清洁能源、可再生能源。文章概述了太阳电池的工作原理，并对单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池的研究现状进行了综述，分析了其发展前景。晶体硅太阳电池因其储量丰富、安全无毒、易于大面积制备和基底多样化等优势，成为当今研究的热点，使其在现在的光伏市场中成为主角，也是未来一段时间发展的主要方向。

关键词：单晶硅太阳电池；多晶硅太阳电池；非晶硅太阳电池

中图分类号：TM914.4+1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0062-03

Abstract： In the increasingly serious environmental pollution today， human beings have been exploring how to use solar cells as clean energy， or renewable energy. In this paper， the working principle of solar cells is summarized， the research status of monocrystalline silicon， polycrystalline silicon and amorphous silicon solar cells are reviewed， and the development prospect of solar cells is analyzed. Crystalline silicon solar cells have become the focus of research because of its abundant reserves， safety and non-toxic nature， and easiness to be prepared in large areas and diversification of substrate， which makes it become the leader in the photovoltaic market as well as the main trend of development for a period of time in the future.

Keywords： monocrystalline silicon solar cells； polycrystalline silicon solar cells； amorphous silicon solar cells

1 概述

当今世界人类面临的最严峻的问题就是能源枯竭和日益严重的环境污染问题，而太阳能是取之不尽的清洁能源，其利用的有效途径就是太阳电池。对太阳光伏系统来说，Si资源丰富、性能稳定、无污染，成为最有前途的材料。1954年第一块实用的Si半导体太阳电池在美国贝尔实验室问世，揭开了光电技术的序幕，也揭开了人类利用太阳能的新篇章。迄今为止，许多新技术的应用极大提高了太阳电池的效率，在硅太阳电池方面，尝试了多种结构和技术来改进电池性能，如背表面场、浅结、绒面、钝化、Ti/ Pd金属化电极和减反射膜等。太阳能应用中，90%由硅系列太阳能电池占据，硅太阳电池按照材料的结构可进一步分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池，本文对这三种太阳电池的发展现状进行了综述，并分析了其发展前景。

2 太阳电池的工作原理

太阳电池主要是以半导体材料为基础，当太阳电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集，由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照时，就会把太阳光能变成电能，产生电流。也可以把许多个电池串联或并联起来成为太阳能電池方阵，获得较大的输出功率。太阳电池主要由四部分组成：一是半导体材料部分，其禁带宽度不能太宽，以提高太阳辐射的利用率，主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓等无机化合物和有机半导体几类；二是表面涂层部分，主要由金属氧化物或导电聚合物构成；三是电极部分，由金属导体构成；四是封装部分，主要由玻璃和有机玻璃构成。所用材料必须性能稳定、便于生产、没有污染。

3 晶硅太阳电池

3.1 单晶硅太阳电池

3.1.1 研究现状

在光伏技术和微型半导体技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。1954年，美国贝尔实验室研制出了第一块效率为6%的单晶硅太阳电池，标志着人类利用太阳能的起点。单晶硅晶体的原子和分子以同一晶向周期性的整齐排列，主要用于制作半导体元件，在其中掺入微量的ⅢA族元素，如硼，可形成p型硅半导体，提高其导电性；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷，可形成n型硅半导体。单晶硅太阳电池多以p型硅片做基底，转换效率高、寿命长，但工艺繁杂，成本高昂，其中硅材料和制硅片的成本占单晶硅太阳电池制造成本的60%，昂贵的大量高纯硅的需要迫使单晶硅太阳电池向超薄化方向发展，辅之以表面织构和发射极钝化等新技术的应用，产品开发迅速，已广泛用于空间和地面。

目前，单晶硅太阳电池及其组件的制备技术已经十分成熟。低成本高效硅电池得到了飞速发展，通过多线切割技术、电化学工艺等都能大大降低成本。另外，提高电池转换效率的一个有效途径就是增强光吸收，可通过表面制绒技术有效地形成绒面结构，不仅可以降低表面的反射率，而且还可以在电池的内部形成光陷阱，从而显著提高太阳电池的转换效率。

半导体的禁带宽度决定着太阳电池的转换效率，单晶硅太阳电池效率的理论极限为28%。新南威尔士大学报导了用液相外延法制备的高效漂移场单晶硅电池，4.11cm2电池转换效率为16.4%，经减薄衬底，加强陷光等技术加工，在标准状况下其转换效率可达24.7%[1]。北京市太阳能研究所研制的单晶硅太阳电池综合利用了各种先进技术，将光电转换效率提升到了19.8%。OlafBerger等人[2]用一种商业化的白色油漆（主要成分为TiO2）作为单晶硅太阳能电池的背反射层，它是一种彩色的漫反射层，特别是当电池厚度是1-2时，该层对提高电池的短路电流，比其他背反射器的效果都要好。

3.1.2 发展趋势

限制单晶硅光伏电池转换效率的主要因素有：电池表面栅线遮光影响，表面光反射损失，光传导损失，内部和表面复合损失等。针对以上这些问题，可以从以下几个方面来提升其转换效率：（1）用单、双层减反射膜减小表面反

射，如TiO2/SiO2膜。减反射膜可有效降低太阳电池的表面反射率，增加对红外光子的吸收，提高光电转换效率。（2）利用绒面陷光结构延长光程，p-n结面积较大的绒面电池，入射光在表面多次反射，附近产生较多光生载流子，从而增加收集几率并且可以提高短路电流。现在工业上大多采用绒面工艺形成均匀密布的金字塔结构[3]。（3）激光刻槽埋栅技术[4]。（4）背点接触电极克服表面遮光技术。（5）高效反射器及光吸收技术。（6）接收端增加聚光器。（7）点接触硅光伏电池。（8）钝化发射区背部定域扩散电池等新型单晶硅电池。

3.2 多晶硅太阳电池

3.2.1 研究现状

早期的多晶硅光伏电池具有较低的转换效率，但原材料廉价易得，能耗低，成本控制好，所以比单晶硅更具发展潜力。近年来，由于浇铸技术的发展，再加上多晶硅光伏电池工艺制作的不断进步，使得太阳电池的光电效率有了较大提高。1998年，多晶硅太阳电池全世界的总产量达79.9MW，第一次超过了单晶硅光伏电池产量的75MW，随后三年继续保持稳定增长。到2001年，在市场份额占有方面，多晶硅太阳电池已达52%，大大高于单晶硅光伏电池的35%。

由于多晶硅内部结构的特性，如大量晶粒和晶界的存在，晶粒晶向的不同，碱液腐蚀的各向异性等，所以只可采取各向同性酸腐蚀的方法，而不能像单晶硅一样采取碱腐蚀。碱腐蚀中各晶向的腐蚀速率不一致，容易在晶界处形成台阶结构，有损电极的制备。当前大规模的生产通常采用硝酸（HNO3）、去离子水和氢氟酸（HF）的不同化学配比的混合溶液，来腐蚀硅片表面，实现硅表面织构。由理论推算，23%是多晶硅光伏电池的光电效率的极限，目前的最高记录是1.002cm2的电池效率达20.3%，是由德国弗朗霍夫研究所研制。该电池的绒面结构是采用等离子体掩膜法制得，并且还实现了局部背表面场结构，具有良好的光电性能。其次应用湿法氧化法达到了优良的钝化效果，大大削弱了温度对少子寿命的作用，增强了光电转换效果。由此可见，表面钝化、绒面结构和晶粒边界是提高多晶硅光伏电池光电转换效率的关键。2006年日本京瓷制成了电池效率达18.5%的15×15cm2的大面积多晶硅电池，PECVD-SiN技术的应用达到了减反和钝化双重效果。太阳电池的钝化通常采用PECVD的方法沉积氮化硅薄膜来实现，薄膜中的大量的氢可与缺陷或表面处的悬挂键结合，实现对硅中缺陷和表面态的钝化，该过程与沉积氮化硅同步完成。

3.2.2 发展趋势

转换效率的不断提高及有效的成本控制使得多晶体硅太阳电池一直占据市场的重要位置，再加之不断完善的多晶硅技术及日趋成熟的电池生产工艺，预计多晶硅光伏电池将迎来更加稳健的发展[5]：（1）优化多晶硅的制备工

艺，尽量减少缺陷、气孔和杂质，提高结晶质量，减小晶界的影响，提高光生载流子收集率。（2）合理采用性能优良的氮化硅减反膜，氮化硅中释放出的氢也会钝化硅中的杂质，钝化效果明显，性能稳定。（3）为降低多晶硅片内杂质的影响，以及减小背表面复合的几率，可尝试采用磷扩散、背表面钝化及铝背场的吸杂等。

3.3 非晶硅太阳电池

3.3.1 研究现状

非晶硅太阳电池是1974年才出现的新型太阳电池，具有广阔的发展前景，尽管目前它的转换效率没有晶体硅高，但非晶硅材料對可见光的吸收系数高，厚度约1μm的非晶硅就能吸收90%的太阳光能，因而电池可以做得很薄，制备工艺简单，能耗少，约100kW·h/m2，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多，可实现大规模生产，极具市场潜力。单结非晶硅太阳电池一般不采用pn结构而采用pin结构，这是因为非晶硅太阳电池的开路电压是由p层和n层材料的费米能级之差决定的。衬底透明的非晶硅太阳能电池一般采用pin结构，衬底不透明的采用nip结构。非晶硅一般采用高频辉光使硅烷分解沉积而成，该材料可以与氢融合反应形成氢化非晶硅，进而大大降低缺陷率，是一种极为实用的半导体应用材料。

目前，德国RWE Schottsolar公司的非晶硅年生产能力达30MWp/年，初始效率高于9%；日本Kaneka公司的910×910mm2的单结非晶硅太阳电池组件年生产能力达25MWp，将适用于叠层电池的中间层尝试用于非晶硅顶电池与微晶底电池之间，增加了短波在顶电池中的反射，从而增大了顶电池的电流密度，提高了电池的转换效率，其非晶/微晶叠层电池转换效率为13.4%。2010年由南开大学和天津津能公司合作的非晶硅微晶硅叠层太阳电池生产线已正式投产。

非晶硅电池尽管具有许多单晶和多晶硅电池无可比拟的优点，但其存在光致衰退S-W效应，稳定性差，目前最高转换效率为13.4%。因此对于单结太阳电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右（AM1.5）。而制作叠层太阳电池是一个很好的方法，叠层电池可以把不同的禁带宽度材料组合在一起，拓宽了光谱的响应范围，同时通过调节不同本征薄膜的禁带宽度可增加不同光谱范围的有效光吸收。叠层太阳电池的不同光伏材料膜层对应于不同太阳光谱部分，虽然也有衰退现象，但a-Si光伏系统在经过一年或两年的15%初始功率衰减后可望获得可靠和恒定的功率输出[6]。

3.3.2 发展趋势

展望未来，如何提高光电转换效率依然是太阳能电池研制的重中之重，纵观现在科技人员的研究，要大力发展非晶硅太阳电池可着眼于：（1）在生产技术和结构设计上，为了提高效率和稳定性，可通过设计研制双结或多结电池，同时电池i层材料可采用新的优质原料，降低成本的同时进一步采用大面积模块生产工艺。（2）对太阳电池中的控制器和逆变器也应该提出更高要求，如控制成本、提高性能和加快智能化等。（3）非晶硅电池的发展不是孤立的，要重视系统技术的研究，实验要和实际结合起来，搞好试验示范，做好推广及应用。

4 结束语

进入21世纪以后，由于光伏能源市场进入快速发展期，如何有效降低太阳电池的成本一直是困扰相关研究人员的重要问题。晶体硅太阳电池因其储量丰富、安全无毒、易于大面积制备和基底多样化等优势，成为当今研究的热点，使其在现在的光伏市场中成为主角，也是未来一段时间发展的主要方向。目前，标况（25℃，100W/m2）下晶硅光伏电池的最大发光效率为24.7%，这由新南威尔士大学保持。虽然多年来科技人员多方努力，但这一效率到目前还未有被刷新的报道。让我们共同盼望晶体硅光伏太阳电池效率的不断提升以及光伏产业更稳健的发展。

参考文献：

[1]Rohatgi A，Kim K S，Nakayashiki K，et al. High efficiency solar cells on edge defined film fed grown（18.2%） and string ribbon（17.8%） silicon by rapid thermal processing[J].Appl Phys Lett，2004，84（1）：145-147.

[2]Berger O，Inns D，Aberle A G. Commereial white Paint as back surface refleetor for thin-film solar cells[J].Solar Energy Materials&Solar; Cells，2007，91（13）：1215-1221.

[3]周春兰，王文静，等.单晶硅表面均匀小尺寸金字塔制备及其特性研究[J].物理学报，2010，59（8）：5777-5783.