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薄膜晶体硅太阳能电池分析

导读:  外延薄膜硅太阳能电池的效率不算太高(半工业化丝网印刷技术制作的电池约为12%),这限制了光伏业界对这种电池类型的关注程度。

  已经存在几种制造硅有源层的技术,本文将讨论其中的三种。

  薄膜PV基础

  第一种技术是制作外延(epitaxial)薄膜太阳能电池,从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始,然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外,这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程,与其它的薄膜技术相比,这种技术更容易在现有工艺线上实现。

  第二种是基于层转移(layer transfer)的薄膜太阳能电池技术,它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层,从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底,从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜,并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。

  最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池,即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上,比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实,利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术,将种子层外延生长成几微米厚的吸收层,衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高,而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟,但已经表现出使成本降低的巨大潜力。

  采用薄膜PV技术已经能够提高太阳能电池的效率或简化其工艺,并将降低其成本。但目前还没有人能够同时将这两方面结合起来。然而,最近的一些研究结果已经在正确的方向上又前进了必要的一步。

  外延电池的改进

  外延薄膜硅太阳能电池的效率不算太高(半工业化丝网印刷技术制作的电池约为12%),这限制了光伏业界对这种电池类型的关注程度。它可以获得与体硅太阳能电池相当的开路电压和填充因子(单晶硅太阳能电池为±77.8%)。然而,短路电流(Jsc )受限于薄的光学有源层(<20mm)。穿透外延层的光会被高掺杂、低质量的衬底收集而损失掉。因此,这两种太阳能电池技术之间的短路电流相差7 mA/cm2并不少见。体硅太阳能电池的Jsc典型值约为33 mA/cm2,而外延薄膜电池的平均值约为26 mA/cm2。

  然而,两项独立的电池级开发成果已经使这种状况有所改善2。通过增大薄的有源层内的光程长度,我们报导的丝网印刷外延电池的Jsc达到30 mA/cm2,效率达到13.8%。

  对这些结果有贡献的第一项改进是采用氟基等离子体粗糙处理得到的表面光散射(图3)。理想情况下,这种经过粗糙处理的有源层表面会使光100%地漫射(即Lambertian折射器)。这使得光子能够以60°的平均角穿过有源层,使光程长度增大为原来的2倍。换而言之,使20 mm薄层的光学表现相当于40mm厚的有源层。我们发现,通过去除仅仅1.75 mm的硅就可以获得这种全光散射。等离子体粗糙处理的优点很多,包括更低的反射(从粗糙处理之前的35%下降到10%)、斜入射光耦合和更低的接触电阻(因为硅衬底和银电极之间的接触面积更大)。我们观察到1.0-1.5的Jsc绝对增长,而效率增加0.5-1.0%。

  第二项改进是通过引入多孔硅布拉格反射器来进行内部光捕获。为了降低长波长的光进入到衬底的透射,在衬底和外延层之间的界面上放置一个中间反射器。这样一来,到达该界面的光子就会被反射而第二次穿过有源层。由于光在进入电池的瞬间就开始漫射(这是由等离体粗糙处理的Lambertian特性所决定的),很大比例的光子会以大于逃逸角的角度打在前表面上。因此,大部分的光子会再次向内反射而第三次穿过有源层。这种情况不断地重复,使得光子有可能多次穿越外延层。

  在实践中,这种反射器是通过电化学生长孔隙率高低交替变化的多孔硅叠层(多重布拉格反射器)来制作的。

  延生长有源层的过程中,多孔硅叠层自动转变成包含不同尺寸大小的孔洞的交替层(图4)。这种结构已经被证明是一种理想的基于构造干涉的反射器。对于一个15层的多孔硅叠层,计算表明光程长度增大为原来的14倍。也就是说,15 mm薄层的光学表现相当于厚度为210mm的硅层。

  为了验证这两种改进方法的有效性,在三种不同的载体衬底上制作表面积为18 cm2的外延电池。在作为验证概念的单晶硅衬底上,电池的效率提高到13.8%,填充因子达到77.8%,这表明使用重组织多孔硅叠层不存在电导问题。而在低质量的硅衬底上获得的实验结果略低,效率是13.5%,填充因子为77.7%。对于多孔硅而言,在多晶衬底上生长的外延层质量较差,这个事实可以解释性能下降的原因。目前正在优化工艺,在不久的将来有望获得更高效率的增益。

  多晶硅薄膜的改进

  对于另一种类型的太阳能电池,也就是基于铝诱导晶化的多晶薄膜太阳能电池,我们最近获得了创纪录的7%的效率。该电池制作在高温衬底上,使用基于铝诱导晶化非晶硅的种子层,在1130℃下将种子层外延增厚成吸收层。需要指出的是,在这种工艺中硅不需要重新熔化。而在陶瓷衬底上将硅重新熔化。

  获得多晶硅太阳能电池的另一种方法。然而,这种方法需要极高的温度(超过1400℃),这就要求衬底具有非常好的热稳定性,而且被污染的风险也很大。取得这些成绩的关键在于专门设计并实现的电池接触,并结合以等离子体粗糙处理的表面。

  大多数适用于多晶硅太阳能电池的高温衬底都是绝缘体,所以必须开发新的金属接触方案以避免使用背接触。考虑到制造模块的低成本性,最方便的方法是将电池的互连工艺集成到电池制作过程中。我们采用的是将电池互连与电池接触相结合的单模块工艺。所有的接触都制作在电池顶部的叉指状图案中。可以使用不同的工艺序列来获得这种新颖的接触结构。目前使用的是一种简单的两步实验室工艺,将光刻与金属蒸发结合起来。而在大规模生产中,金属化可以通过单步工艺来实现,比如利用掩膜来进行丝网印刷或蒸发。

  这种专门设计的接触结构被应用到有源层面积为1 cm2的电池中,并与带有外围基极接触的电池进行比较。两种接触类型的开路电压(Voc)基本相当,但是叉指状接触的电池在短路电流(Jsc)和填充因子方面的表现要好得多。根据晶粒尺寸和层厚的不同,电池效率可以达到5.6%3。

  为了进一步提高电流密度,进而提高电池的效率,我们使用等离子体粗糙处理来实现新型的电池概念。迄今为止,在多晶硅太阳能电池的衬底结构中,衬底都用作背反射器。通过对电池前表面进行粗糙处理,可以降低电池的前反射率,并更好地将光耦合到电池中,从而能够更有效地俘获光子。等离子体粗糙处理是通过使用氟基化学物质在一个反应器中来完成的。结果表明,电流密度增加了约15%(在氧化铝衬底上得到这一结果)。增大的电流密度将电池的效率推进到创纪录的7%。

  然而,虽然所获得的Voc (506 mV)和填充因子(71%)可谓达到了目前最好的工艺水平,但是电流密度(19.7 mA/cm2)和电池效率对于商业化而言仍然太低。通过优化等离子体粗糙处理工艺并降低电池背面场层的厚度,我们希望在不久的将来获得远超过7.0%的效率。

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