適用于太陽(yáng)能飛行器的單晶硅太陽(yáng)電池

潘振，呼文韜，王寅，郭林，付增英

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

適用于太陽(yáng)能飛行器的單晶硅太陽(yáng)電池

潘振1，呼文韜1，王寅1，郭林2，付增英1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

綜述了適用于太陽(yáng)能飛行器的單晶硅太陽(yáng)電池的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，主要介紹包括IBC、HIT、HBC、PERC等高效太陽(yáng)電池的器件結(jié)構(gòu)、研制工藝、性能特點(diǎn)以及在太陽(yáng)能飛行器能源領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)合可能存在的臨近空間環(huán)境特點(diǎn)，從轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性等方面對(duì)這幾種太陽(yáng)電池進(jìn)行了比較分析。

單晶硅；太陽(yáng)電池；太陽(yáng)能；無(wú)人機(jī)；太陽(yáng)能飛行器

太陽(yáng)能飛行器能夠?qū)嵤┏呖臻L(zhǎng)航時(shí)飛行，具備持久的對(duì)地觀測(cè)、偵察、通訊中繼等能力，能源清潔環(huán)保，在軍用和民用領(lǐng)域極具發(fā)展前景。太陽(yáng)能飛行器通過(guò)其表面鋪設(shè)的太陽(yáng)電池陣，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄﹦?dòng)力系統(tǒng)和載荷設(shè)備使用[1]。而受太陽(yáng)輻射能量密度低，太陽(yáng)電池陣鋪裝面積有限，以及飛行器質(zhì)量和飛行環(huán)境等諸多條件限制，太陽(yáng)能飛行器的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)其最基本發(fā)電單元——太陽(yáng)電池的性能提出了更高的要求，主要包括效率、質(zhì)量比功率、可靠性等方面。單晶硅太陽(yáng)電池具有研發(fā)制造相對(duì)成熟、效率較高、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，適于太陽(yáng)能飛行器，特別是太陽(yáng)能飛機(jī)、無(wú)人機(jī)使用。

1 高效率單晶硅太陽(yáng)電池

1.1 IBC太陽(yáng)電池

IBC意為叉指型背接觸(Interdigitated Back Contact)，IBC電池的pn結(jié)、背表面場(chǎng)和相對(duì)應(yīng)的金屬接觸電極都在背面[2-6]。如圖1所示，由于光照產(chǎn)生的少數(shù)載流子需要擴(kuò)散通過(guò)整個(gè)硅片厚度方可到達(dá)p-n結(jié)區(qū)，IBC電池必須使用少子壽命高的硅片作為襯底，一般選用n型區(qū)熔單晶硅。硅片正面制成絨面陷光結(jié)構(gòu)，具有n+前表面場(chǎng)和鈍化減反射層(如SiO2、SiNx等)。而背面分布著叉指狀的磷和硼局部擴(kuò)散區(qū)分別作為n+背表面場(chǎng)和p發(fā)射區(qū)，二者之間需被一個(gè)未擴(kuò)散的區(qū)域分隔開(kāi)。金屬電極并不是與n+背場(chǎng)或p發(fā)射區(qū)全部接觸，而是通過(guò)絕緣鈍化薄膜的局域開(kāi)口與擴(kuò)散區(qū)局部接觸。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大程度降低了少子復(fù)合率，從而提高了電池的效率，但會(huì)使制備工藝步驟多而復(fù)雜。背面鈍化層可采用Al2O3或SiO2等薄膜，制程中需多步掩膜或激光刻劃工藝以隔離不同極性的區(qū)域及相應(yīng)的電極。電極制備如選用絲網(wǎng)印刷工藝則需要與鈍化層開(kāi)槽精確對(duì)準(zhǔn)，另外可采用沉積金屬種子層然后電鍍加厚的方法。

圖1 IBC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

IBC太陽(yáng)電池優(yōu)點(diǎn)是：(1)前表面無(wú)金屬柵線，因此沒(méi)有遮光，可專(zhuān)注于陷光結(jié)構(gòu)和鈍化性能的設(shè)計(jì)，利于提升短路電流；(2)背面電極設(shè)計(jì)可單純考慮提升接觸特性、降低串阻，能使用更寬的電極，從而提高填充因子；(3)效率高，輸出功率高，可靠性好；(4)正負(fù)電極均在背面，組合較為容易，利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度更高的表面貼裝技術(shù)(SMT)制備組件，同時(shí)提高了電池封裝密度，使整體組件的轉(zhuǎn)換效率提升；(5)組件外觀一致、美觀。

2014年澳大利亞國(guó)立大學(xué)研發(fā)的小面積IBC電池效率達(dá)24.4%[5]。SunPower公司是最知名的IBC太陽(yáng)電池生產(chǎn)商，電極采用電鍍工藝，實(shí)驗(yàn)室效率高達(dá)25%[6]，該公司已為國(guó)際上多架太陽(yáng)能飛行器和賽車(chē)提供IBC電池。IBC電池用于太陽(yáng)能飛行器光伏電源目前已有多個(gè)報(bào)道。近期的陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)(Solar Impulse II)太陽(yáng)能飛機(jī)其電力來(lái)源于機(jī)翼、機(jī)身和水平尾翼上安裝的總共17 248片SunPower的厚度為135 μm、效率為22.7%的IBC高效太陽(yáng)電池。美國(guó)Titan Aerospace公司開(kāi)發(fā)的小型版Solara無(wú)人機(jī)，根據(jù)公布的相關(guān)視頻可判斷其使用的是IBC電池。2001年創(chuàng)下無(wú)燃料飛行器飛行高度紀(jì)錄(29 524米)的“太陽(yáng)神”號(hào)(Helios)無(wú)人機(jī)使用的也是IBC電池。

1.2 HIT太陽(yáng)電池

HIT是Heterojunction with Intrinsic Thin Layer的縮寫(xiě)，意為本征薄層異質(zhì)結(jié)。HIT太陽(yáng)電池是以光照射側(cè)的p/i型非晶硅(a-Si)薄層(5～10 nm)作為發(fā)射區(qū)和背面的i/n型a-Si薄層(5～10 nm)作為背場(chǎng)，中間夾住單晶硅片(通常為n型)基區(qū)，兩側(cè)頂層為透明導(dǎo)電氧化物層(TCO)和電極，具有對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)[7](圖2)。

圖2 HIT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

HIT太陽(yáng)電池的a-Si薄層與單晶硅(c-Si)形成p-n異質(zhì)結(jié)。a-Si禁帶寬度比c-Si更寬，二者形成的異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)比c-Si同質(zhì)結(jié)更強(qiáng)。此外，所插入的高質(zhì)量本征非晶硅(i型a-Si)薄層還起到了如傳統(tǒng)硅電池中的SiO2、SiNx等絕緣介質(zhì)層一樣對(duì)晶體硅表面的鈍化作用。較高的異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)和優(yōu)良的鈍化性能，能更大程度地減少光生載流子的非輻射復(fù)合，降低表面、界面漏電流，提高開(kāi)路電壓(Voc)，為提高HIT電池光電轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)造了條件[8-9]。

太陽(yáng)電池Voc越高，輸出性能的溫度依存性越小。高Voc的HIT電池具有較低的溫度系數(shù)，通常為－0.25%/℃，明顯優(yōu)于普通晶硅電池，這使得HIT電池在較高的工作溫度下與普通晶硅電池相比可產(chǎn)生更高的功率輸出。

HIT電池采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝制備a-Si薄層，能夠在～200℃的較低溫度下進(jìn)行，明顯低于傳統(tǒng)晶硅電池的擴(kuò)散工藝溫度(一般在800℃以上)。這種低溫工藝特性和對(duì)稱(chēng)的器件結(jié)構(gòu)減少了成膜時(shí)因熱量而產(chǎn)生的硅晶片的形變和損傷，對(duì)實(shí)現(xiàn)電池器件的減薄化、輕質(zhì)化和高效化極為有利。

HIT電池可實(shí)現(xiàn)器件的薄型化，這不但能提高質(zhì)量比功率，而且使電池片具有一定柔性，可承受一定程度的彎曲(圖3)，這一優(yōu)點(diǎn)非常有利于其在太陽(yáng)能飛行器方面的應(yīng)用。

圖3 可彎曲的薄型HIT太陽(yáng)電池

2013年報(bào)道了松下/三洋公司研制的101.8 cm2的HIT電池效率為24.7%[9]，Voc=750 mV(其他參數(shù)Jsc=39.5 mA/cm2，F(xiàn)F=0.832)，批產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)22.5%。

1.3 HBC太陽(yáng)電池

HBC即異質(zhì)結(jié)背接觸(Heterojunction Back Contact)，實(shí)際上就是HIT和IBC結(jié)構(gòu)相結(jié)合(HIT+IBC)的太陽(yáng)電池[10]。

2014年日本松下/三洋公布了其研發(fā)成果，143.7 cm2面積的HBC太陽(yáng)電池效率達(dá)到了25.6%[11]，打破了塵封15年的硅基太陽(yáng)電池世界紀(jì)錄(原紀(jì)錄為鈍化發(fā)射區(qū)和背面局部擴(kuò)散p型單晶硅電池(PERL)[12-14]，面積4 cm2，效率24.7%[14]，經(jīng)光譜重新校準(zhǔn)后效率為25%)。在大面積硅片上實(shí)現(xiàn)這一高效率表明了其今后實(shí)際應(yīng)用的巨大潛力(圖4)。

圖4 HBC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

HBC太陽(yáng)電池保留了a-Si本征層和異質(zhì)結(jié)，而將受光面的發(fā)射區(qū)和電極移到了電池背面。c-Si/a-Si異質(zhì)結(jié)能夠保證較高的內(nèi)建電場(chǎng)和優(yōu)良的鈍化效果，提高了開(kāi)路電壓；去掉前表面遮光的柵線，而在異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上組合使用背接觸電極的結(jié)構(gòu)，增加了短路電流并提高了填充因子。該類(lèi)電池集合了HIT和IBC各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的突破。

在融合異質(zhì)結(jié)和背接觸結(jié)構(gòu)上開(kāi)展工作的還有日本夏普和韓國(guó)LG電子等公司。夏普公布了小面積(3.72 cm2)HBC電池效率達(dá)到25.1%[15]。目前HBC電池正處于研制階段，尚未大規(guī)模量產(chǎn)，然而效率>25%的成果接連發(fā)布，可以預(yù)見(jiàn)其研究開(kāi)發(fā)今后將會(huì)非常活躍，該技術(shù)也將得到更為廣泛的應(yīng)用。

1.4 p型PERC單晶硅太陽(yáng)電池

PERC為鈍化發(fā)射極與背面電池(Passivated Emitter and Rear Cell)[16]。HIT和IBC技術(shù)通常用于制備n型高效太陽(yáng)電池，而PERC適用范圍廣，p型、n型單晶硅以及多晶硅硅片均可作為襯底。PERC是目前較為成熟的能夠用于量產(chǎn)制備效率超過(guò)20%的p型電池(襯底基區(qū)為p型)的技術(shù)，工藝復(fù)雜度和成本均低于HIT和IBC技術(shù)(圖5)。

圖5 PERC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

普通晶硅電池中鋁背場(chǎng)完全覆蓋了電池背面，起到較好的吸雜作用，并作為p+背場(chǎng)一定程度上阻止了少數(shù)載流子向背面的遷移。然而電池背面硅與金屬鋁(Si/Al)接觸界面的態(tài)密度比較高，而對(duì)光的反射率又比較低，因此全鋁背場(chǎng)會(huì)帶來(lái)背面復(fù)合速率較高以及電池對(duì)長(zhǎng)波光子利用率低等問(wèn)題。在硅片減薄情況下這些問(wèn)題將更為突出，并且還會(huì)造成電池片翹曲度增大，很大程度上限制了電池的轉(zhuǎn)換效率。PERC電池上表面仍采用SiNx或SiO2絕緣層鈍化電池的發(fā)射極，不同之處在于背面用局部接觸來(lái)代替普通晶硅電池的全鋁背場(chǎng)，并采用原子層沉積(ALD)Al2O3和PECVD制備SiNx雙層介質(zhì)膜進(jìn)行背表面鈍化[17-18]。ALD制備的Al2O3對(duì)Si表面鈍化效果非常好，界面處產(chǎn)生極低的表面態(tài)密度，同時(shí)還能減少金屬雜質(zhì)和表面層錯(cuò)，從而大大降低背表面處的復(fù)合速率，使硅片具有較長(zhǎng)的少子壽命。SiNx、Al2O3介質(zhì)鈍化膜位于背面金屬層和硅基區(qū)之間，避免了兩者直接接觸，可有效防止電池片的翹曲，同時(shí)雙層鈍化膜的合理組合設(shè)計(jì)配合底面金屬層能夠起到很好的背反射作用，增加了電池對(duì)長(zhǎng)波光子的吸收和利用。這些優(yōu)勢(shì)的集中使得大尺寸p型PERC太陽(yáng)電池能夠突破20%的光電轉(zhuǎn)換效率[18-19]。近期德國(guó)SolarWorld研制的一款p型PERC電池效率達(dá)到21.7%，為目前最高紀(jì)錄(圖6)。

圖6 PERC太陽(yáng)電池與普通單晶硅電池結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.5 用于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的單晶硅太陽(yáng)電池組件

用于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的太陽(yáng)電池組件與地面或空間用光伏組件有所不同。除需滿足質(zhì)量輕、與機(jī)翼表面形狀貼合等要求外，串并聯(lián)組合以及封裝還應(yīng)考慮飛行過(guò)程中的可靠性，如升空后高低溫變化和濕度影響，飛行過(guò)程中機(jī)翼的振顫形變，著陸時(shí)的瞬間沖擊等。通常選用透光、阻濕性好且具有一定柔性和機(jī)械強(qiáng)度的高分子膜作為組件封裝材料。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所開(kāi)發(fā)并掌握了無(wú)人機(jī)機(jī)翼蒙皮一體化單晶硅電池組合封裝技術(shù)，研制出了半剛性高效太陽(yáng)電池組件，并通過(guò)了力學(xué)、低壓、濕熱等多項(xiàng)可靠性測(cè)試(圖7)。

圖7 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)用高效單晶硅太陽(yáng)電池組件

2 綜合分析

飛行器用太陽(yáng)電池的選擇，除需參考其標(biāo)準(zhǔn)輸出特性參數(shù)外，還應(yīng)結(jié)合飛行環(huán)境考慮太陽(yáng)電池自身性能特點(diǎn)，涉及內(nèi)容甚至包括電池的器件結(jié)構(gòu)、材料以及具體工藝對(duì)可靠性和穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和分析。

表1總結(jié)了目前單晶硅電池研發(fā)和生產(chǎn)的進(jìn)展情況。高效單晶硅電池的研制持續(xù)開(kāi)展，電池效率穩(wěn)步提升并迅速向規(guī)模化量產(chǎn)推進(jìn)，這為其應(yīng)用于太陽(yáng)能飛行器創(chuàng)造了有利條件。

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HIT電池除具有比功率高、溫度系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)外，還可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行劃片，裁剪適宜的形狀尺寸進(jìn)行組合。存在問(wèn)題是HIT電池片相對(duì)脆弱，抗沖擊性較差。另外在超高空飛行器應(yīng)用中，HIT正面的a-Si成分以及絲網(wǎng)印刷電極，其可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面可能存在一定隱患。太陽(yáng)光譜中短波長(zhǎng)的紫外光主要在太陽(yáng)電池上表面附近被吸收，HIT電池p/i型a-Si正位于此處。在紫外光很強(qiáng)的超高空光照條件下，a-Si內(nèi)部微結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生一定數(shù)量中性懸掛鍵等亞穩(wěn)態(tài)缺陷，使復(fù)合損失增加，導(dǎo)致性能衰退。而絲網(wǎng)印刷后烘干或燒結(jié)工藝制備的電極，其內(nèi)部會(huì)殘留一些玻璃層或孔洞，雖具有與金屬相近的導(dǎo)電性能，但質(zhì)地較脆，延展性和抗沖擊性較差。這兩個(gè)因素對(duì)HIT電池性能的影響尚不十分明確。

IBC太陽(yáng)電池目前已有較多用于太陽(yáng)能飛機(jī)的成功先例。位于背面的電極較為寬、厚，電極采用電鍍工藝制備，其導(dǎo)電性、金屬延展性和可靠性明顯優(yōu)于絲網(wǎng)印刷電極。IBC電池片機(jī)械強(qiáng)度較好，可靠性高，采用獨(dú)特的共面互聯(lián)技術(shù)制備的組件，某一部位電池出現(xiàn)裂片時(shí)仍能繼續(xù)發(fā)電。而其缺點(diǎn)是不適宜進(jìn)行劃片剪裁，質(zhì)量比功率比HIT電池略低。

HBC太陽(yáng)電池目前尚未進(jìn)入規(guī)模化量產(chǎn)階段，但電池結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。將a-Si層和電極全部轉(zhuǎn)移到背面就在很大程度上消除了前述HIT電池可靠性方面存在的隱患，且在大面積的電池上實(shí)現(xiàn)突破記錄的高效率，未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用空間廣闊。

太陽(yáng)電池發(fā)展之初主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。1963年Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)高能粒子輻射下n型電池性能衰減嚴(yán)重，穩(wěn)定后效率明顯低于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的p型電池[20]，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)也獲得了同樣結(jié)論。因此抗輻射性能更好的p型電池成為空間應(yīng)用的首選，隨后地面光伏也沿用了p型。由于地面應(yīng)用無(wú)需考慮輻射影響，而n型單晶硅相較于p型具有少子壽命長(zhǎng)、對(duì)雜質(zhì)容忍度高以及地面光照條件下光致衰退不明顯等優(yōu)點(diǎn)，近幾年n型電池研制受到重視，效率已明顯超過(guò)p型電池。太陽(yáng)能飛行器如在較低空飛行，高效n型電池具有優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于20 km以上的超高空平流層，紫外線、宇宙射線、高能粒子的輻射將會(huì)明顯增強(qiáng)[21]，n型太陽(yáng)電池在這一區(qū)域工作，長(zhǎng)期可靠性可能存在隱患，因此需考慮一種抗輻射性能好的高效p型電池作為備選方案。PERC技術(shù)目前能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率>20%的p型電池，滿足備選和補(bǔ)充條件。隨著硅原料的提純、摻雜以及硅單晶生長(zhǎng)等技術(shù)不斷進(jìn)步，p型硅片的質(zhì)量和性能將會(huì)進(jìn)一步得到改善，而PERC器件工藝今后如能與選擇性發(fā)射極(Selective Emitter)以及硅片減薄化等技術(shù)相結(jié)合，未來(lái)將能夠制造出效率更高、性能更適合超高空飛行器應(yīng)用的PERC太陽(yáng)電池。

需要特別指出的是，為提高產(chǎn)能、降低成本，單晶硅電池制造商大都傾向于采用絲網(wǎng)印刷結(jié)合烘干燒結(jié)的電極制備工藝，而這類(lèi)電池應(yīng)用于飛行器將存在諸多不確定因素。解決該問(wèn)題，除對(duì)電池可靠性進(jìn)行嚴(yán)格的考量和驗(yàn)證外，還需通過(guò)與廠商合作，專(zhuān)門(mén)針對(duì)電極開(kāi)發(fā)更為可靠的制備工藝，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

3 展望

太陽(yáng)電池效率和比功率的提升是太陽(yáng)能飛行器發(fā)展的重要需求之一。單晶硅電池實(shí)驗(yàn)室最高效率目前已比較接近理論極限，進(jìn)一步提高的空間不是很大，未來(lái)主要是進(jìn)行工藝優(yōu)化和改進(jìn)使批產(chǎn)電池的效率向?qū)嶒?yàn)室效率逐步逼近，而通過(guò)硅片減薄或硅外延等技術(shù)來(lái)提高質(zhì)量比功率的方案仍具一定潛力。

介于空、天之間的臨近空間尚未深入探索，目前對(duì)該區(qū)域氣候以及射線或粒子輻射等環(huán)境信息的掌握并不十分充分，太陽(yáng)電池用于高空飛行器現(xiàn)階段能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。今后可在飛行器試飛過(guò)程中，獲取相應(yīng)高度的環(huán)境特征以及對(duì)電池性能的影響等信息，進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)、工藝進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整和改進(jìn)，經(jīng)過(guò)多次反饋迭代，最終研制出適用于超高空太陽(yáng)能飛行器的高效太陽(yáng)電池。

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Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehicle

PAN Zhen1,HU Wen-tao1,WANG Yin1,GUO Lin2,FU Zeng-ying1
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

The search progress of the monocrystalline silicon solar cells for solar aerial vehicle was reviewed,including IBC,HIT,HBC,PERC solar cells.The device structures,processing technologies,characteristics and application in solar aerial vehicle were introduced.According to possible environmental characteristics of near space,the efficiency,environmental suitability and reliability of these solar cells were contrasted and analyzed.

monocrystalline silicon;solar cell;solar energy;UAV;solar aerial vehicle

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1722-04

2016-01-28

潘振(1983—)，男，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘?yáng)電池。