高效晶體硅太陽能電池結構分析

摘 要：晶體硅太陽能電池占據了光伏市場的主要份額，在產業化的道路上一直追求高效低成本。晶體硅太陽能電池的性能與其結構息息相關，文章介紹了幾種高效晶體硅太陽能電池的結構，分析了其結構特征和性能參數。

關鍵詞：晶體硅太陽能電池；高效；電池結構

晶體硅太陽能電池要獲得大面積推廣，關鍵在于如何降低成本和提高轉換效率。降低成本主要是降低原材料成本特別是硅片成本。設計高效的太陽能電池結構，不僅能提升太陽能電池的轉換效率，也在一定程度上能降低成本。文章對幾種高效晶體硅太陽能電池逐一作介紹。

1 PESC太陽能電池

鈍化發射極太陽能電池（Passivated-Emitter Solar Cell，PESC）是第一個轉換效率超過20%的晶體硅太陽能電池[1]。PESC太陽能電池效率的提升得益于微型槽技術，也就是選擇性刻蝕暴露晶面的表面紋理技術。微型槽能夠減少光線在電池表面的反射；垂直光線首先到達微型槽表面，經表面折射后以41°角進入硅片內部，使光生載流子更接近太陽能電池的發射結，因而提高了光生載流子的收集效率，還使得發射極橫向電阻降低了3倍，降低發射結電阻可提高電池的填充因子。

PESC太陽能電池的主要特征是表面氧化層鈍化技術。經磷擴散制得發射結后，在太陽能電池背面沉積上一層鋁并使Al和硅形成合金制得Al背場，Al背場既可以起到吸雜的作用，又在電池背面建立起一個電場，阻止載流子向背面遷移，降低了背表面的復合。接著采用氧化工藝在表面生長一層二氧化硅，正面氧化層可大大降低載流子的表面復合速率，因此提高了太陽能電池的開路電壓。PESC太陽能電池的金屬電極先由剝離方法形成Ti-Pd接觸，然后電鍍Ag構成。這種接觸有大的高寬比和小的接觸面積，鍍Ag也提高了電極的導電能力，因此PESC太陽能電池的填充因子可以做到大于83%，轉換效率也達到了20.8%（AM1.5）。

2 PERL太陽能電池

鈍化發射極、背面局部擴散（Passivated-Emitter and Rear-Locally diffused，PERL）太陽能電池是轉換效率的保持者，其轉換效率高達25%[3]。

PERL太陽能電池的特色設計是采用逆金字塔絨面結構，絨面上沉積MgF2與ZnS雙層抗反射膜，該結構使太陽光在第一次到達金字塔的一側時就有機會進入太陽能電池內部。反射的部分太陽光經另一個金字塔側面反射又能有機會進入電池內部，從而增加太陽光進入太陽能電池內部的機會。太陽光進入太陽能電池后，在朝著太陽能電池背面行進的過程中大部分被吸收，而未被吸收的長波段的入射光在到達背面時會被反射重新回到太陽能電池中來，這是因為背面蒸鍍了一層鋁之后，能形成一個有效的反射系統。倒金字塔和背面反射的相互結合形成了有效的陷光結構，可增加太陽光在電池內部的光學長度，提高電池的短路電流。

PERL太陽能電池利用熱氧化層雙面鈍化發射極和背面，降低了表面態，減少了少數載流子的復合，降低反向飽和電流密度，改善了太陽能電池的光譜響應。使用BBr3和PBr3液態源進行分區擴散摻雜，柵線電極下進行濃磷擴散，減少電極接觸電阻；受光面進行淡磷擴散，降低橫向電阻功耗，改善短波響應。

3 埋柵太陽能電池

埋柵太陽能電池（Buried-Contact Solar Cell，BCSC）制作過程[4]是先去除損傷層和制絨，再在整個硅片表面進行淺擴散和氧化。制作過程無需經過除磷硅玻璃的步驟，而是利用激光將太陽能電池表面刻蝕出溝槽，這也是埋柵太陽能電池最具特色的設計，其溝槽深度不可太大，否則會影響到電池的開路電壓。化學腐蝕的方法對溝槽進行了清洗后，進行第二次擴散，即實現在接觸區域選擇性的磷擴散，此次擴散濃度比第一次濃得多。接下來就是用化學鍍將金屬嵌入太陽能電池表面的一系列狹窄槽內。

埋柵太陽能電池電極位于電池內部，減少了電極的遮蔽面積，不僅增加了入射光的吸收，改善了開路電壓，也改善了串聯電阻效應，降低了電極的載流子復合速率，也使得填充因子增加，所以整體而言太陽電池效率提高了很多，達到了19.9%。

4 背面點接觸太陽能電池

背面點接觸（Interdigitated Back-contact）太陽能電池利用了點接觸（Point-contact cell，PCC）及絲網印刷技術[5]。Sunpower公司采用n型區熔硅作為襯底材料，前表面無柵線，沒有電極的遮擋，并通過金字塔結構和減反射膜來增強太陽光的吸收，提高了太陽能電池的陷光效應。電池的表面采用熱氧化工藝生成二氧化硅鈍化層，降低了表面復合，提高了電池的開路電壓。背面電極與硅片之間通過二氧化硅鈍化層中的接觸孔實現了局部性的背面點接觸，減少了金屬電極與硅片的接觸面積，進一步降低了載流子在電極表面的復合速率，提高了電池的開路電壓，也使得電池效率最高達到了23%。后來為了降低成本，已逐步采用n型直拉單晶硅材料作為襯底材料，太陽能電池效率也可達到19%以上。

5 HIT太陽能電池

HIT太陽能電池采用異質結結構[6]，結構的特色是在非晶硅和晶體硅之間夾有一層本征非晶硅層。結構的實現是基于三洋公司在制備高質量低損傷非晶硅薄膜和非晶硅太陽能電池時采用的等離子體薄膜沉積技術。

制作流程是首先進行硅片的清洗，接著用PECVD法形成非晶硅薄膜層，表面一側形成i型非晶硅層以及p型非晶硅層，背面形成i型非晶硅層以及n型非晶硅層，再在兩面形成的非晶硅層上沉積透明導電膜和金屬電極，完成整個電池片的制作。

HIT太陽能電池的高效率，是由太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因子優化得到的。使用優化的絨面增強對太陽光的俘獲，采用高質量寬禁帶寬度的合金窗口材料以減少窗口層的光吸收，開發具有高載流子遷移率的透明導電膜，優化電池的背面場設計，制備優良的柵線電極等都有利于獲得高短路電流。在沉積非晶硅之前清潔晶體硅的表面，沉積高質量本征非晶硅薄膜實現對晶體硅表面缺陷的有效鈍化，在非晶硅薄膜沉積過程中盡量減少對晶體硅表面的等離子體損傷，優化非晶硅與晶體硅之間界面的能帶結構都有利于提高電池的開路電壓。獲得高的填充因子的方法是使用低電阻的電極材料，設計具有大的高寬比的柵線和高導電性的P型窗口層，還有就是減小透明導電膜的串聯電阻。

最后，需要提到的是日本的三菱公司開發的多晶硅太陽能電池，該電池采用新的制程與材料，首先是利用納米掩膜和RIE刻蝕技術進行微加工制絨，可以降低硅片光面的反射，藉此增加光吸收量。采用新材料來制作柵線電極，降低連接電阻，并且還細化了柵線，使得發電面積增大，發電量增加。也正是由于這些細節改變，使得新開發出來的太陽能電池轉換效率可以一口氣提升到18.9%[6]。

參考文獻

[1]A.W. Blakers ， M.A. Green. 20% Efficiency silicon solar cells[J]. Appl. Phys. Lett. 48 （1986）215-217.

[2]Martin A. Green .The Path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency： History of Silicon Cell Evolution[J]. Progress in Photovoltaics： Research and Applications，Volume 17， Issue 3， pages 183-189，May 2009.

[3]S.R. Wenham，C.B. Honsberg，M.A. Green.Buried contact silicon solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar CellsVolume 34， Issues 1-4， 1 September 1994， Pages 101-110.

[4]Emmanuel Van Kerschaver， Guy Beaucarne. Back-contact solar cells： a review[J].Progress in Photovoltaics： Research and Applications，Volume 14， Issue 2， pages 107-123，March 2006.

[5]Takahiro Mishima， Mikio Taguchi， Hitoshi Sakata， Eiji Maruyama. Development status of high-efficiency HIT solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， Volume 95， Issue 1， January 2011， Pages 18-21.

[6]Shigeru Matsuno， Akihiko Iwata， and Hirofumi Fujioka. Advanced Technologies for High Efficiency Photovoltaic Systems[OL]. http：//www.mitsubishielectric.com/company/rd/advance/pdf/vol122/vol122_tr6.pdf.

作者簡介：肖友鵬，學歷：碩士，職稱：助教，研究方向：光伏材料與器件。