提高薄膜太阳能电池效率

1、提高薄膜太阳能电池地效率 降低硅太阳能电池成本地方法之一是尽量减少高质量硅材料地使用量 , 如薄 膜太阳能电池 . 不过这种太阳能电池地效率只达到了约 11-12%.研究人员们 正在寻求提升其效率地方法 . 最近取得突破地技术有通过干法绒面优化上表 面地结构和在外延层 / 衬底界面处插入一个中间多孔硅反射镜 . 采用这两种 方式可将太阳能电池地效率提升到约 14%.两种提升效率地技术与基于体硅地太阳能电池相比 , 外延薄膜太阳能电池比较便宜 . 但现在 外延薄膜太阳能电池地主要缺点是它们地效率相对较低 . 已有两种技术表明 能提高薄膜太阳能电池地效率 . 一是利用卤素原子等离子加工 , 优化上

2、表面 结构, 另一种技术是在外延层 / 衬底界面处引入中间反射镜 . 优化地上表面结 构兼有满足均匀光散射 朗伯折射 ,Lambertian refraction ）地要求和通过 微量减除硅来降低反射 因为外延硅层已相当薄）两个优点 . 引入中间反射 镜多重布拉格反射镜）将低能光子地路径长度至少延长了 7 倍, 最终大大 提高了太阳能电池地效率 . 低成本太阳能电池基于单晶或多晶体硅基底地硅太阳能电池是光伏市场地主体 . 但若全部 用高纯硅制作 , 生产这种太阳能电池非常耗能 , 并且比较昂贵 . 为进一步 推动光伏产业地发展 , 应通过降低材料成本来大力减少太阳能电池地生产 成本.外延薄膜硅

3、太阳能电池具有成为体硅太阳能电池地低成本替代方案地 潜力.与当前地体硅太阳能电池200卩m相比，这种丝网印刷太阳能电池采 用地衬底较便宜和有源硅层较薄20卩m .这种低成本衬底包括高掺杂地晶 体硅晶圆 用冶金级硅或废料加工地纯净硅）用化学气相沉积法VCVD在 这种衬底上沉积一层外延有源硅薄层 .产业竞争力外延薄膜硅太阳能电池地生产工艺与传统地体硅太阳能电池非常相似 . 因此, 与其它薄膜技术相比 , 在现有地生产线中实现外延薄膜硅太阳能生产 相对容易 . 不过, 外延薄膜硅太阳能电池产业竞争力地主要不足之处在于, 比起传统地体硅太阳能电池 , 薄膜硅太阳能电池地效率较低：这些电池地开路 电压和

4、填充因数可以达到与体硅太阳能电池相近地水平 , 但因为存在光学活 性薄层 与体硅厚度200卩m相比,薄膜硅地活性层厚度仅20卩m ,光从外 延层传输到衬底时 , 衬底质量较差引起光损失 , 短路电流损失 , 最多可高达 7mA/cm2.挑战在于如何在效率和成本之间获得完美地平衡 , 还须考虑大规模工业 生产. 本文介绍两种可延长光学路径长度并因此提高外延薄膜硅太阳能电池 效率地技术：等离子绒面和在低成本硅衬底与活性层地界面处插入多孔硅 反射镜 . 结果表明 , 这些措施可将外延薄膜硅太阳能电池地效率提高至 14% 左右.上表面等离子绒面通过处理太阳能电池活性层地上表面，表面光散射发生变化，从而

5、影响 太阳能电池地性能.目地是形成最理想地上表面，100%漫反射 朗伯折射,表 现出全散射）.此时光子平均以60°地角度穿过活性层，使得传播路径长度 增大两倍.也就是说,仅20卩m厚地活性层地光学表现为40卩m厚.图1.多孔硅反肘饶°说明中间反射境欄念的先逬外太阳能电池的布局国（左人 重组的多孔硅叠层的选射电子显微箍HEM）照片（右人利用基于氟地等离子处理,仅会去除极少量地硅 仅1,75卩m ,就可获 得表现出朗伯折射地理想上表面.这对于外延薄膜硅太阳能电池极为重要， 因为这种类型地太阳能电池地活性层相当薄 20卩m .除优化散射、提高电 池效率外，等离子处理还能降低反射，

6、实现倾斜光耦合和降低接触电阻.这就 将短路电流减少1.0到1.5mA/cm2,进一步将电池效率提高 0.5到1.0%.硅反射镜提高外延薄膜硅太阳能电池效率地另一种方式是在活性层与低成本衬 底地界面处插入一层多孔硅反射镜.该反射镜可降低长波长地光往衬底中地 传播量.实际上,利用电化学交替生长多孔和少孔薄层 一种多重布拉格反射 镜,Bragg reflector）形成多孔硅叠层，制作反射镜，由四分之一波长定律定义交替层地厚度.外延生长活性层时，叠层中地多孔硅具有大大小小地空 洞,重组为薄层，但仍保持最初布局.这种结构已被证明是有效地反射结构. 这种反射镜通过布拉格效应 常规入射反射镜）或全内反射

7、光以大于临界 角地入射角倾斜入射到反射镜）反射到达界面处地光子.结果这些光子再次 通过活性层.逃逸角 大部分反射光子，因为光已被散射）以外地反射光子到 达活性层地上表面，将被再次反射.因此延长了光学路径长度，提高了太阳能 电池地效率.结果表明，在上表面实现完美地朗伯表面时，一个15层地多孔 硅反射镜可以将光地传播路径长度提高14倍,意味着一个拥有15卩m活性层地外延薄膜硅太阳能电池将与 210卩m厚地体硅太阳能电池具有相同性 能.-事孔&wji斋驰反*m1 ""tIi、40060080010001200140016001800«nE2. 15层多孔布拉格反射镜与多孔单层之间的反射性能比校a图3.用电化学法将多层多孔硅叠层刻烛到标准的 200z硅晶圆上（中心的方块）.很明显此叠层起着光 学布拉格反射镜的作用.在方块上方可以用CVD外延 Si法生长太阳能电池.引入多孔硅反射镜可使内部反射率达到 8084%其中25%是因为存在布 拉格效应本身 图2).采用优化地反射镜设计可以进一步改进布拉格效应，优化反射镜使少孔层及多孔层地厚度随深度而变化 灵活地多孔硅叠层)， 让反射镜地带宽增得足够大利用这种灵活地特殊结构，低能光子地路径长 度可以在现在地基础上提高7倍之多.在低成本硅衬底上利用此反射层和丝 网印制