晶体硅太阳能电池技术发展方向

晶体硅太阳能电池技术发展方向李红波太阳能电池的分类Page2硅成为太阳电池的主体材料地球上储量第二大元素性能稳定无毒研究得最多，技术最成熟Page3晶体硅太阳能电池发展简史1839年法国科学家贝克雷尔，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，光伏效应1954年美国科学家恰宾和皮尔松，美国贝尔实验室，首次制成实用单晶硅太阳能电池（效率为6％）。1958年硅太阳能电池首先在航天器上得到应用。20世纪70年代硅太阳电池开始在地面应用。到70年代末地面用太阳能电池产量己经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。80年代初至今硅太阳能电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大。晶体硅太阳能电池的新技术钝化技术热氧化SiO2钝化，氢钝化，a-Si钝化等陷光技术表面织构化技术，减反射技术背表面场技术背场可以降低饱和电流，改善开路电压，提高电池效率。

MINP电池MIS电池和p－n结的结合，对后来的高效电池起到过渡作用聚光电池电池面积小，从而可以降低成本，一直受到重视

绒面技术被高效电池和工业化电池普遍采用异质结技术如SnO2/Si、In203/Si、ITO/Si等MIS电池肖特基（MS）电池的改型分析下表的内容得出以下结论：要将电池的生产成本降低到1美元/WP以下，电池的转换效率必须要高于18%，并要求生产成本低、生产能力高。

350（$/m2）300（$/m2）250（$/m2）200（$/m2）150（$/m2）10%$3.5$3.0$2.5$2.0$1.512%$3.0$2.5$2.08$1.67$1.2515%$2.33$2.0$2.0$1.33$1.018%$2.05$1.67$1.67$1.11$0.83成本效率晶体硅太阳能电池的发展趋势Page6晶体硅太阳能电池的发展趋势两个主要因素1、提高转换效率2、降低成本发展趋势：1、高效化2、薄片化日本NEDO晶体硅太阳能电池至2010年的技术开发目标:超薄型超高效率电池的开发寿命30年的实现原料问题的解决低成本化的实现

澳大利亚新南威尔士大学研发钝化发射区和背面局部扩散（PERL）单晶硅电池＝24.7%单晶硅高效化：PERL电池PERL电池有七个工艺特点（目前制造实验室高效电池的主要技术之一）1、表面采用倒金字塔结构，减小光在前表面反射2、硅表面磷掺杂的浓度较低，减少表面的复合，避免表面“死层”3、电极下面局部采用高浓度扩散，减小电极区复合，形成好的欧姆接触4、表面电极很窄，电极间距变窄，遮光面积降低，减少横向导电电阻的损失；5、电极采用更匹配的金属如钛、钯、银金属组合以进一步减小电极与硅的接触电阻；6、电池的前后表面采用SiO2和点接触的方法以减少电池的表面复合；7、利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。制造过程相当烦琐，涉及到多道光刻工艺，工艺高，很难应用于大规模工业生产。单晶硅高效化：PERL电池单晶硅高效化：PPC电池斯坦福大学研发

背面点接触（PCC）电池＝22.3％PPC电池特点1、正负电极在同一面，没有栅线阴影损失2、TCA生长氧化层钝化电池正反面3、正面光刻制成的金字塔（绒面）结构4、背面的发射区被设计成点状，50m间距，10m扩散区，5μm接触孔径5、基区也设计成点状，减小背面复合6、衬底n型低阻材料，表面及体内复合低7、衬底减薄到约100m

，减小体内复合。单晶硅高效化：LBSF电池德国Fraunhofer研究所研发深结局部背场（LBSF）电池

2cm×2cm电池效率达到＝23.3%LBSF电池特点（与PERL类似）1、TCA生长氧化层钝化电池正反面2、正面光刻制成的金字塔（绒面）结构3、背面硼扩散一般造成高表面复合4、局部铝扩散制作电池的表面接触◆该电池完全采用背电极接触方式，正负极交叉排列在背面，前表面没有任何遮挡，p-n结位于背面。最初最高效率可以达到23％，但是成本很高，只是满足一些特殊需要，如太阳能飞机和太阳能汽车等。为了降低成本、扩大市场，在美国塞浦路斯半导体公司帮助下，Sunpower公司做了大量的研究，终于推出了低成本高效太阳电池A-300，效率为20.0％以上。

单晶硅高效化：BIB电池美国Sunpower公司研发双面指叉背接触（BifacialInterdigitatedBack-contact）太阳电池效率达到20%以上◆激光刻槽埋栅电池新南威尔士大学北京太阳能研究所＝19.6%＝18.6%晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化这个电池结构的特点是表面电极通过化学镀埋在硅衬底的沟槽里，电极与沟槽接触部位采用重掺杂，表面的其它地方进行淡磷扩散。埋栅电池具有高效的原因是：（1）绒面、减反射膜和背面反射器的结合使太阳光充分被利用；（2）栅指电极只占电池表面积2～4％，遮光率很小，提高短路电流密度；（3）栅指电极排列紧密减小发射极电阻；（4）淡磷扩散避免形成“死层”，增加对短波的吸收；（5）埋栅电极处实行重掺杂使接触电阻降低，有利于欧姆接触；（6）埋栅电极深入到硅衬底内部增加对基区光生电子的收集；（7）浓磷扩散降低浓磷区电阻功耗和栅指电极与衬底的接触电阻功耗，提高电池的开路电压。

晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化此电池由澳大利亚新南威尔士大学光伏器件实验室最先研制成功的，由于具有高效、低成本和适合大批量生产的特点，很快引起注意。西班牙BPSolar公司购买了其专利，成功地进行了产业化生产。◆日本Sanyo－a-Si/c-Si异质结（HIT）电池实验室最好效率：＝21.2%，面积100cm×100cm晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化HIT电池具有高效的原理是：

（1）全部制作工艺都是在低温下完成，有效地保护载流子寿命；（2）双面制结，可以充分利用背面光线；（3）表面的非晶硅层对光线有非常好的吸收特性；（4）采用的n型硅片其载流子寿命很大，远大于p型硅，并且由于硅片较薄，有利于载流子扩散穿过衬底被电极收集；（5）织构化的硅片对太阳光的反射降低；（6）利用PECVD在硅片上沉积非晶硅薄膜过程中产生的原子氢对其界面进行钝化，这是该电池取得高效的重要原因。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化这种电池具有结特性优秀、温度系数低、生产成本低廉和转换效率高等优点，所以在光伏市场上受到青睐，商业化生产速度发展很快，仅仅两三年时间，产品已占整个光伏市场的5％（2）多晶硅高效电池◆多晶硅材料制造成本低于单晶硅CZ材料◆能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，240kg,400kg◆制造过程简单、省电、节约硅材料因此比单晶硅电池具有更大降低成本的潜力。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化◆澳大利亚新南威尔士大学—采用类似PERL电池技术使电池的效率达19.8％，该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程的观念，但电池的制造过程烦琐，不适合商业化。◆美国乔治亚(Geogia)工大—采用磷吸杂和双层反射膜技术，使用电阻率0.65Ωcm、厚度280m的HEM（热交换法）多晶硅片制作电池，使电池的效率达到18.6％。◆德国Fraunhofer研究所20.3%—世界记录，如能在工业生产中大规模使用该新技术，基于成本低廉的优势，预计多晶硅电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化◆日本京瓷（Kyocera）公司采用了PECVD/SiN+表面织构化使15cm15cm大面积多晶硅电池效率达17.7％，已实现商业化。采用的PECVD－SiN钝化技术对商业化多晶硅电池的效率提高起到了关键性的作用。目前此商业化多晶硅电池的效率达到13％－16％。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—高效化（1）硅片减薄硅片是晶体硅电池成本构成中的主要部分。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶体硅太阳能电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面之一。

早期的硅片通常是用内圆锯切割，厚度约350-400m

，切片损耗约50%左右。线锯发明后，不但硅片大大减薄，而且切片损耗大大降低。目前硅片的一般厚度为180-240m

，未来可以薄到150-180，甚至更薄，从而大大降低成本.B：向薄片化方向发展晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化30多年来，太阳电池硅片厚度从70年的450～500m

降低到目前的180～240m。硅片厚度的发展晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化◆日本Sharp单晶硅组件晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化◆德国Fraunhofer-超薄多晶硅高效太阳能电池–20.3%-世界记录晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化◆澳大利亚OriginEnergy公司高效长条薄片太阳电池（SliverSolarCells）比目前普通晶硅太阳电池组件能够节省高达90%的硅的消耗，长条薄片厚度不到70微米，效率可以达到19.5%，该产品还具有柔性和能够卷曲的性能。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化◆Kyocera公司于2008年6月11日宣布，开发了新的太阳能电池制造工艺，该工艺可在其用于制造光伏太阳能电池和模块用的多晶硅同样消费量情况下使效率提高。

新的大规模生产工艺可使Kyocera公司制造的太阳能电池厚度减薄至180m，采用了硅锭切片和晶片涂层的最新技术。

采用这一技术可使该公司在今后3年内使太阳能模块生产能力翻一倍以上，而使其硅的消费减少至最大限度。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化（2）带状多晶硅制造技术

为了减少切片损失，在过去几十年里开发过很多种制造片状硅或带硅的技术。在80年代国际上曾出现过很多种生长硅带的方法，但大部分都处于实验室阶段，其原因是：1、在高温过程中通过设备引入了过多杂质，达不到要求的纯度；2、在再结晶过程中要求的高冷却速率会使晶体中产生过多的缺陷。在生长速度与硅带质量之间寻找平衡，其降低成本的技术难度比晶锭硅高。下边介绍几种比较成熟的带硅技术。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化①限边喂膜（EFG）带硅技术采用适当的石墨模具－电池效率13％－15％。该技术于90年代初实现了商业化生产，目前属于ASE公司所有。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化用限边喂膜法进行大批量生产时，应满足的主要技术条件为：①采用自动控制温度梯度、固液交界的新月形的高度及硅带的宽度等，以有效地保证晶体生长的稳定性。②在模具对硅料的污染方面进行控制。该技术的工艺过程如下：采用适当的石墨模具从熔硅中直接拉出正八角硅筒，正八角的边长比10cm略长，总管径约30cm，管壁厚度（硅片厚）与石墨模具毛细形状、拉制温度和速度有关，约200一400m，管长约5m。采用激光切割法将硅管切成10cm×l0cm方形硅片。电池工艺中采用针头注入法制备电池栅线，其它工艺与常规电池工艺相同。晶体硅太阳能电池的技术发展趋势—薄片化②枝蔓蹼状（WEB）带硅技术 在表面张力的作用下,插在熔硅中的两条枝蔓晶的中间会同时长出一层如蹼状的薄片,所以称为蹼状晶。切去两边的枝晶，用中间的片状晶制作太阳电池。蹼状晶为各种硅带中质量最好，但其生长速度相对较慢。③Delaware大学多晶片状硅制造技术

该技术基于液相外延工艺，衬底为可以重复使用的廉价陶瓷。在电池制作中采用了Al和POCl3，吸杂和低温PECVD-Si3N