高比能太阳能电池含异质结的研究

高比能太阳能电池含异质结的研究

自世界上石油危机以来，所有国家都在研究新能源，以缓解能源危机。太阳电池这种新型能源越来越备受关注。HIT太阳电池具有转换效率高,制备工艺简单,温度低等特点,是大规模应用的低价电池之一。提高转化效率和降低生产成本依然是太阳电池大规模应用的关键。同时,由于基底薄,重量轻,HIT太阳电池目前大量用于建筑集成(Building-IntegratedPhototvoltaic,BIPV),有望成为未来最具发展潜力的电池之一。Sanyo公司,目前实验室效率最高为23.7%(100.4cm2),其中开路电压Voc=0.729v,Jsc=39.5mA/cm2,FF=0.8。中山大学科研组测定在六种太阳电池光伏阵列实际发电性能比较中得出结论:单晶硅、HIT组件在太阳能辐射提高时性能最优,适合太阳辐射强,多晴天的地区使用。HIT太阳电池在制备工艺和材料上的优势,加上其转换效率高,因此它有好的发展前景。1实验室效率和改进措施1974年Sanyo公司开始着手研究非晶硅太阳电池技术,当年的效率为10%(600mmx90mm),1983年提出的非晶硅/晶体硅堆积电池结构设计,这是HIT太阳电池的雏形。1994年HIT太阳电池的实验室效率达到18.7%(100cm2),利用清洁技术、栅电极的优化及表面织构技术,HIT电池的组件效率达到了17.3%。2003年实验室效率达到了21.3%(100cm2)QUOTE。通过改进制备工艺,降低表面复合率,提高少子的寿命,保持栅线的体积不变从而抑制栅线电阻的增加等措施,来提高转换效率。2004年,实验室效率达到21.5%(100cm2),改进措施:改善导电胶材料,优化丝网印刷技术。2007年,实验室效率达到了22.3%,此次采取了对a-Si/c-Si.界面及光陷阱结构的改进的优化。2008年,EUPVSEC(Europeanphotovoltaicsolarenergyconference)报道HIT电池的厚度已降至85μm。2009年5月,sanyo公司宣布实现了23%的实验室效率,通过提高钝化a-Si:H/Si界面,优化透明导电膜等措施来提高转换效率,具体细节没透露。2010年,sanyo公司HIT电池实验室效率宣布达到了23.7%,这次还是采取的对界面钝化质量等措施,但具体技术改进信息仍然没有透漏。各国研究的HIT太阳电池的研究现状如下所示2电池结构设计HIT结构太阳电池(heter-junctionwithintrinsicthin-layersolarcells),以n型Si基底为例,结构如图1所示:HIT电池的突出特点:在制备pn结时,通过插入薄本征非晶硅层,降低了太阳电池的界面态密度,从而减少了复合电流,继而提高转换效率。HIT太阳电池具有很多独特的优点,如低温工艺;高转换效率;高稳定性;低成本等。2.1禁带宽度egHIT电池工艺在低温环境下制备,其低温环境使得a-Si:H薄膜掺杂,禁带宽度Eg和厚度能得到有效的控制。整个工艺过程温度低(不超过250℃),单晶硅片受低温影响小其弯曲度小,其厚度可满足光吸收材料光学要求的最小厚度(80μm);低温制备也降低了生产成本。2.2fig的新产品—HIT电池高的转换效率HIT独特的本征层结构它不仅起到对表面的钝化,同时也降低了表面界面漏电流,提高电池的转换效率。目前,HIT电池的实验室效率已经达到23.7%。三洋公司推出其新款HIT组件产品。该组件的总体转换效率达到了18.6%。2.3池没有s-w现象HIT电池的光照特性稳定,研究发现,HIT太阳电池没有S-W现象。测试表明,由于HIT电池的温度系数比单晶硅太阳电池的温度系数低,即使太阳电池在光照升温情况下,HIT太阳电池仍然会有良好的输出。2.4节约硅材料,可减少能量的消耗HIT太阳电池的厚度薄,其工艺完全可以在低温下制备完成,故,可以节省硅材料,又能减少能量的消耗,并且还可以允许采用“低品质”的廉价基底。高的效率使得在功率相同下,比其它类型的太阳电池占用的面积少。3太阳电池面载流子的织构化对HIT电池的单晶硅基底进行表面腐蚀可以达到既可以对硅表面进行织构化形成绒面结构以降低反射又可以通过腐蚀对硅片减薄,提高太阳电池背电极对载流子收集效率。3.1it太阳电池采取一种新的双面织构化的硅基底所形成HIT太阳电池的结构,电池背面可以吸收来自地面的光,同等条件下,它发出的电比其他单面电池多8.1%。其反射原理图如下:3.2入射光学的太薄HIT电池厚度是影响太阳电池转换效率的重要因素。太薄,入射光穿透电池的有源区,造成太阳光的浪费;太厚,部分载流子在未到达电极就被复合掉。故,应该选择合适的太阳电池厚度,使其达到最优。4提高太阳电池效率的途径提高转换效率和降低电池生产成本是太阳电池大规模应用的关键,为了提高效率,我们从以下方面来讨论。4.1太阳电池的光管理光陷阱结构是提高电池性能的有效途径。国内南开大学张晓丹的团队专门从事对“光管理”的研究。把光管理的技术应用到太阳电池上来提高光的利用是非常重要。清洗可以降低HIT电池界面态密度。将常规晶体硅太阳电池中的制绒技术稍加改进即可用于对HIT电池的制绒,得到正金字塔的结构。4.2本征缓冲层的设计对非晶硅薄层的钝化的研究,是制备高效HIT电池的关键。在太阳电池的p-n结中插入一个本征缓冲层,它起到对硅片表面的钝化的效果,使界面特性得到改善,少子寿命的变长。由光伏理论可知:少子寿命越高,Jsc、Voc越大。4.3光伏特性及其模拟内蒙古师范大学运用AFORS-HET程序模拟分析,μc-Si(p)/μc-Si(i)/c-Si(n)HIT结构异质结太阳电池的光伏特性模拟表明:随本征层厚度增加,电池性能降低。当插入5nm薄微晶硅本征层时,电池的光电性能最好。故优化本征层的厚度可以提高太阳电池的转换效率。4.4it太阳电池电池的转换效率与单晶硅基底的类型有关。NERL用HWCVD方法在FZ衬底上制备HIT太阳电池,它的转换效率达到18.2%。基底类型分为P型、N型,不同掺杂类型对应着不同的电池结构,N型基底的HIT电池由于异质结能带结构,其转换效率要略高于P型基底的太阳能电池,但从制备的难易程度来看,P型基底材料较N型基底材料易于制备。4.5电池模型的建立为了减少a-Si层对入射光的吸收,可采用宽带隙、低光学吸收系数的微晶硅、纳米硅等作发射极,提高光的透过率。发射极厚度太薄不能形成有效的PN结,通过模拟发现,厚度5nm最为适宜。Caternasummonate用RF-PECVD,在P型基制备了n型μc-Si发射极,通过提高氢气稀释率,所制备的电池的转换效率比a-Si有明显的提高。中科院张群芳用HWCVD制备出nc-Si电池发射极和缓冲层,研究表明:随着缓冲层厚度的增加,太阳电池的开路电压增加,故,晶态比能有效增加了电流的收集,从而增大短路电流。4.6复合限制膜的优点在单晶硅背面场沉积中掺杂非晶硅薄膜形成背面场,背面场能改善背面复合速率和背面发射,性能优良的背面场,可以提高太阳电池的长波响应,提高Jsc和Voc,从而提高电池的转换效率。4.7ag厚度对ag初始不透性的影响对制备HIT电池上的ZAO/Ag/ZAO复合透明导电膜的光学特性进行了优化设计。要得到低反射率和高的透过率,需要对Ag的厚度进行优化,使其既得到最低的反射率又能有优良的透明导电性。因此,需要选择一个合适的折衷厚度,达到最大限度优化太阳电池。4.8利用ewt技术增加光照面积,提高光照效率电池表面的栅线遮蔽了部分光线,为了降低光照遮蔽面积,我们可以借鉴云南师范大学的赵恒利采用EWT技术的方法,把电极放在背面,能增大光照的面积,增加光生载流子,来提高HIT太阳电池转换效率。5太阳电池可实现更多电能(1)HIT电池结构简单,工艺成本低,转换效率高,具