薄膜太陽電池系列講座(2)減薄晶體硅太陽電池給薄膜太陽電池的啟示(下)

南開大學光電子薄膜器件與技術(shù)研究所 南開大學光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點實驗室 光電信息技術(shù)科學教育部重點實驗室(南開大學，天津大學)■ 張曉丹 熊紹珍 趙穎

二 減薄電池的發(fā)展

1 厚度減薄問題的提出

減薄材料厚度除成本優(yōu)勢外，還會帶來什么好處以及相應難點？事實上減薄厚度有利于增強PN結(jié)電池內(nèi)光生載流子的收集。美國RCA的David Redfield等[3,4]于1974年首先對晶硅太陽電池的厚度提出“疑議”，明確提出減少晶硅太陽電池吸收層材料厚度的好處以及相應因厚度減薄而使光吸收不足的解決辦法。圖2為考慮了一定限定條件計算而得的單晶硅太陽電池中載流子的收集效率與以太陽光單次通過電池時電池厚度之間關(guān)系的計算結(jié)果，可見不計表面反射，當材料減薄后，表面復合速度將變成一個重要的影響因素。圖中參變量常數(shù)a是體材料擴散長度Lb與體層厚度Tb的比值(Lb/Tb=a)，它描述了體層材料質(zhì)量對收集效率的影響。同時，圖2左上角小圖為以表面復合速度為參變量時電池厚度與開路電壓的關(guān)系。由圖2可知，在表面鈍化降低了對表面復合速度依賴的情況下，減薄材料厚度能增強內(nèi)建電場，有利于開路電壓(Voc)和填充因子(FF)的提高。此結(jié)果亦說明，從工藝角度，厚度減薄到比表面積的影響無法忽略的情況下，表面性能對體性能的影響開始呈現(xiàn)，說明在很薄的情況下，改善表面性能的重要性(上述結(jié)果是用PC1D軟件計算而得)[2]。

采用厚材料的目的，是為了使光能在材料中傳播的路徑更長，以便吸收更多入射光。順此概念思路，如果能找到一種結(jié)構(gòu)使光在減薄電池中傳播的路徑增長，不就能夠解決減薄吸收層厚度帶來光吸收損失的問題了嗎？Redfield[4]于1974年提出用“trap(陷阱)”技術(shù)解決此問題，光經(jīng)過多次反射就能“閉鎖”在電池內(nèi)，可通過增加光在電池中的貫穿次數(shù)來延長光程。也就是使光在吸收層內(nèi)能多次吸收，從而減少減薄電池中的光損失問題。圖3為通過增加光在吸收層內(nèi)多次傳輸?shù)拇螖?shù)達到提高光利用率、增加收集效率的計算結(jié)果(注：未計入表面反射，即假設(shè)表面具有良好減反效果，表面反射為零)。如圖可見，對1～2μm不同厚薄材料收集系數(shù)的差異僅25%，而厚度為100μm時則相差2倍?？梢姕p薄厚度對材料質(zhì)量的要求也相應降低了。

文獻[4]所給出的陷光結(jié)構(gòu)如圖4所示。作者提出兩種可達到陷光效果的模式，一種是利用光波導方式增加光程(參見圖4a)，亦即硅背面為一斜面，其傾斜角a應構(gòu)成光在硅層內(nèi)的全反射，達到光波導的效果。另一種(參見圖4b)是利用絨面結(jié)構(gòu)獲得光在膜內(nèi)多次(全)反射。這是一種適于生產(chǎn)使用的結(jié)構(gòu)。這應該是最早的“光陷阱”設(shè)計模式，Redfield所提出的概念，已擴展至薄膜電池，沿用至今也未能完全突破。

這種方法不僅有利于提高減薄電池效率，對常規(guī)晶體硅太陽電池效率的提高亦有諸多啟示。Green[5]采用硅表面“修飾”法構(gòu)成相關(guān)的陷光結(jié)構(gòu)，加上各種背反效果(包括光學和電學的背面場，以反射指定的光生載流子返回指定的電極，以提高短路電流)，取得多次創(chuàng)造電池效率世界紀錄的優(yōu)異成績，至今也未被打破[5,6]。如上所述，減薄厚度能降低體區(qū)復合、加強收集，不僅對Voc和FF有利，同時還可降低厚材料對質(zhì)量的較高要求(如長的少子壽命和降低表面復合等)，進而降低材料加工的能耗，降低電池以及組件的成本；隨著電池厚度的減薄，質(zhì)量相應減輕，利于鋪設(shè)電站好空間應用，尤其在電池減薄至幾十微米厚時，其柔性特色在需求高效率、高重量比的空間應用時所呈現(xiàn)的優(yōu)勢，更是厚體硅太陽電池不可比擬的。

2 提高減薄晶體硅太陽電池效率的研究

(1)不同光陷阱結(jié)構(gòu)的研究[2]

圖5為不同絨面結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖6給出依照上述絨面結(jié)構(gòu)、用MACD軟件計算晶體硅太陽電池收集的電流與厚度以及底部角度α的關(guān)系[2]。對于正常厚度電池，如不采用任何絨面措施，收集電流密度最大僅為35mA/cm2，而分別采用無規(guī)絨面、金字塔、倒金字塔乃至垂直表面形貌后，其電流以每步增大1mA/cm2逐漸增大，最大可達42mA/cm2，比平面結(jié)構(gòu)增大20%。對僅為25μm厚減薄電池，從32mA/cm2增至39mA/cm2，增長率接近 22%。α以 60°附近為宜。

表2為20世紀90年代至21世紀初，人們在減薄電池方面所做的嘗試以及相應成果?？梢妰?nèi)容廣泛，技術(shù)多樣，呈現(xiàn)五彩斑斕之狀。以下以比利時IMEC研究所的研究作為示例詳述之。圖7為比利時IMEC研究所于2008年發(fā)表的120μm厚晶體硅減薄電池的研究結(jié)果，其中圖7a、7b、表3分別為其可彎曲的程度。不僅采用正面帶有絨面的光陷阱效應(參見角上的附圖)，而且在電學上采用了背面場(BSF)和介質(zhì)鈍化等技術(shù)路線，使厚度僅為120μm(為常規(guī)厚度的一半)的電池光電轉(zhuǎn)換效率最佳與平均值分別達到16.8%和16.6%。該結(jié)果說明，電池工藝的重復性較好，所制備電池最佳和平均效率之差僅0.2%。

表2 早期用不同技術(shù)制備減薄(薄膜)太陽電池的研究[2]

表3 120μm晶體硅電池的參數(shù)列表

IMEC提出的硅基電池規(guī)劃，在減薄電池材料厚度以及開展薄膜硅太陽電池研究詳細的技術(shù)路線與日程表如圖8a所示。擬在現(xiàn)有減到120μm水平的基礎(chǔ)上，將以每步減薄一半的速度直至減到20μm，同期開展以Al誘導晶化的多晶硅為仔晶，發(fā)展薄膜晶硅異質(zhì)結(jié)電池的技術(shù)。2007年效率達8%(參見圖8b)[7]，2008年50μm電池效率達10%(參見圖8c)的水平。表明到2020年以后將努力使硅基減薄電池效率提高到25%以上的意愿。

圖8 比利時IMEC在減薄晶體硅太陽電池光伏研究的發(fā)展規(guī)劃路線圖[7]

三 減薄晶體硅太陽電池發(fā)展的啟示

成本是光伏發(fā)電得以能夠成為主要能源的重要考核標志。因此在技術(shù)發(fā)展進程中，提高效率的同時不忘降低成本，成為人們時刻關(guān)注的焦點。減薄材料厚度雖成為首選，但要將減薄厚度的損失盡量補償回來，是技術(shù)突破的關(guān)鍵。從上述談及的示例，可得到若干啟示：

(1)從材料而言，選擇高吸收系數(shù)的直接帶隙材料，采用較薄的材料即能達到全部吸收或絕大部分吸收太陽光譜所需的厚度要求。

(2)從材料帶隙角度選擇材料，圖9給出理想狀態(tài)(假設(shè)Voc=1/qEg，F(xiàn)F=1)下計算的理論最大效率與材料禁帶寬度之間的函數(shù)關(guān)系，由此提供材料選擇的思路。選擇帶隙在0.7～1.6eV范圍內(nèi)的材料，有望獲得較高轉(zhuǎn)換效率。

(3)在盡力優(yōu)化材料質(zhì)量的基礎(chǔ)上，更需從電池結(jié)構(gòu)上，加強降低載流子損失的各種結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，以提高電池的電學特性。在晶體硅太陽電池中，采用的方法有：采用背面場(Back Surface Field，BSF)結(jié)構(gòu)，利用該反場將光生電子(或空穴)推回到前電極，以利收集；利用各種鈍化(不僅有表面鈍化，更有背面的鈍化，以盡量減少來自正、反面處的表面復合損失、或免受外界氣氛的破壞)；多種抗反射膜的采用(單層SiO2、SiNx，雙層SiO2/ZnO，SiO2/ITO)；各種降低表面電阻的方法，如在具有減反效果的TCO上加叉指電極(三洋，Kaneka公司曾采用過）。這些將是極好的借鑒經(jīng)驗。

(4)精細的光管理設(shè)計

采用絨面結(jié)構(gòu)的光陷阱作用，對具有一定折射率n的材料更為有利。用光散射理論的計算[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)，增強效果非常可觀，將達49倍。毋容置疑，精細的光管理是減薄電池獲得高效率的重要基點。

總之，由晶體硅太陽電池開始，為滿足減薄厚度降低成本的角度同時能獲得高效率的基本要求，采用光、電管理的多重技術(shù)，亦即從光學以及材料質(zhì)量和電池結(jié)構(gòu)的電學角度出發(fā)，進行革新式技術(shù)改造，是降低成本的有力手段。但是對所選定材料而言，提高效率和降低成本是一對矛盾體的兩個方面，只能折中優(yōu)化。

最開始降低成本的研究起始于減薄有源層厚度并如何在減薄厚度下利于加工。催生了單晶硅帶“Ruben”的工藝誕生。隨之其他光伏薄膜材料亦相應見諸報道。1963年Cusano[11]發(fā)表了效率達6%的CdTe薄膜太陽電池的研究成果。1973年10月第一次世界能源危機風暴的刮起，為降低成本而興起的薄膜太陽電池的研究更為興盛起來。非晶硅薄膜太陽電池從1976年在美國RCA由Carlson等[12]牽頭開始研究，到1980年創(chuàng)造了里程碑意義的8%的效率。期間美國宣布研制成功效率大于10.6%的CuInSe(CIS)電池[13]。這種“研究依需求而生”的形式一直延續(xù)至今，開拓了太陽電池的新領(lǐng)域，第二代——薄膜太陽電池新時代已到來。

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