高效晶体硅太阳电池

1、高效晶体硅太阳电池何少琪太阳能光伏发电系统无运动部件,运行可靠,少维护,寿命长,而且电能易利用、易输送、易储存,光伏发电是太阳能利用中最具活力的领域,它引起世界各国的关注,成为各发达国家研究开发的热点。澳大利亚新南威尔士大学已研制出效率达20%的太阳电池组件,美国、日本、德国和英国等都建立了该电池的中试生产线,其电池效率达到1718%,生产规模正在迅速扩大。 图1平面单晶硅高效电池结构示意图我国现有太阳电池研制和生产水平与国际先进水平相比还有很大的差距,寻求新技术、新材料、新工艺,以提高太阳电池转换效率,大幅度降低生产成本,是我国太阳能光伏界面临的紧迫任务。北京市太阳能研究所在研究和开发多晶硅

2、薄膜太阳电池的同时,积极进行高效晶体硅太阳电池的研究和开发,探索影响电池转换效率的因素和相关的工艺,将成熟技术转换到太阳电池的生产中,以达到生产高效率低成本太阳电池的目的。自1992年开展高效电池研究以来,我们已取得可喜的进展,平面高效单晶硅电池(2cm ×2cm 转换效率达到19179%,刻槽埋栅电极晶体硅电池(5cm ×5cm 转移效率达1816%,多晶硅电池(1cm ×1cm 转换效率达14153%。一、平面单晶硅高效电池为了达到高效的目的,在电池制作中采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。电池结构如图1所示。电池表面织构化采用光刻腐蚀工艺,制成倒金字

3、塔结构,表面开口尺寸为10m ×10m ,发射区钝化采用含氯氧化。分区掺杂采用两次氧化,经光刻后分别形成轻、重掺杂区,再控制掺杂工艺条件实现。电池的金属化采用热蒸发Ti 、Pd 、Ag ,上电极采用光刻腐蚀,剥离形成栅状电极后再脉冲镀银。经过工艺的优化和改进,我们研制的电池(2cm ×2cm ,其性能达到I sc =15111mA ,V oc =65611mV ,F 1F =018062,=19179%。电池的I 2V 曲线如图2所示。图2平面单晶硅高效电池I -V 曲线二、刻槽埋栅电极单晶硅电池刻槽埋栅电极单晶硅太阳电池因其埋栅电极的独特结构,使电极阴影面积由常规电池的1

4、015%下图3刻槽埋栅电极电池结构示意图降至24%,短路电流可上升12%,同时槽内采用重扩散,使金属2硅界面的面积增大,接触电阻降低,从而使填充因子提高10%。在电池制作中,既保留了21高效电池的特点,又省去了高效单晶电池制作中光刻等工艺,使得刻槽埋栅电极电池在保持高转换效率和适合大规模生产方面,成为连接实验室高效单晶硅太阳电池和常规电池生产之间的纽带。刻槽埋栅电池的结构如图3所示。该电池表面织构化采用化学腐蚀方法,利用晶体硅的各向异性,将表面腐蚀成大小不同、排列不规则的四面方锥体。分区掺杂采用机械或激光刻槽后进行重扩散的方式实现。电池的金属化通过化学镀镍、镀铜后浸银完成。经过工艺优化和改进,

5、我们用区熔(FZ 单晶硅制作的电池(5cm ×5cm ,经美国可再生能源实验室(NREL 测定,J sc =34184mA/cm 2,Voc =66318mV ,F 1F =018058,=1816 %,该电池的I -V 曲线如图4所示。用直拉单晶(CZ 制作的电池,效率达17122%;批量投产后,15%的样片占1617%,16%的样片占5813%,17%的样片占25%,表明样品电池的效率分布比较集中,有利于实现产业化。三、多晶硅电池图4刻槽埋栅电极电池I -V 曲线在多晶硅电池的研制中,采用了单晶硅电池工艺中的表面钝化、背场等工艺 ,同时又根据多晶硅的特点, 增加了用酸性腐蚀液去除

6、表面损伤层、浓磷扩散吸杂等工艺,此外为了避免高温过程激活多晶硅晶粒间界处的缺陷,钝化时采用低温含氯氧化形成SiO 2。电池结构如图5所示。在经过工艺优化后,多晶硅电池(1cm ×1cm 的性能达到:I sc =34123mA ,V oc =59517mV ,F 1F =017129,=14153%。电池的I 2V 曲线如图6所示。图5多晶硅电池结构示意图图6多晶硅电池I -V 曲线高效晶体硅电池研究工作的成果不仅表现在电池转换效率的逐步提高上,更重要的是使我们对提高电池效率的各种物理机制和因素有了更深入的认识。同时实验室研究工作和太阳电池中试生产线的工作相结合,既有助于分析和解决中试生产中出现的问题,又可促进实验室研究工作的提高,为今后的发展打好基础。何少琪副研究员,北京大学毕业,硕士。曾任北京市太阳能研究所生物质能研究室主任,联合国“大兴工业沼气试验站”项目负责人,荣获北京市科技进步三等奖。1995年以后主要从事太阳电池研究工作。周帅先教授级高级工程师,北