适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池

潘振，呼文韬，王寅，郭林，付增英

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.中国航天空气动力技术研究院，北京100074)

适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池

潘振1，呼文韬1，王寅1，郭林2，付增英1

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.中国航天空气动力技术研究院，北京100074)

综述了适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池的国内外研究进展，主要介绍包括IBC、HIT、HBC、PERC等高效太阳电池的器件结构、研制工艺、性能特点以及在太阳能飞行器能源领域的应用。结合可能存在的临近空间环境特点，从转换效率、环境适应性和可靠性等方面对这几种太阳电池进行了比较分析。

单晶硅；太阳电池；太阳能；无人机；太阳能飞行器

太阳能飞行器能够实施超高空长航时飞行，具备持久的对地观测、侦察、通讯中继等能力，能源清洁环保，在军用和民用领域极具发展前景。太阳能飞行器通过其表面铺设的太阳电池阵，将太阳辐射能转变为电能供动力系统和载荷设备使用[1]。而受太阳辐射能量密度低，太阳电池阵铺装面积有限，以及飞行器质量和飞行环境等诸多条件限制，太阳能飞行器的进一步发展对其最基本发电单元——太阳电池的性能提出了更高的要求，主要包括效率、质量比功率、可靠性等方面。单晶硅太阳电池具有研发制造相对成熟、效率较高、性能稳定、成本低廉等优势，适于太阳能飞行器，特别是太阳能飞机、无人机使用。

1 高效率单晶硅太阳电池

1.1 IBC太阳电池

IBC意为叉指型背接触(Interdigitated Back Contact)，IBC电池的pn结、背表面场和相对应的金属接触电极都在背面[2-6]。如图1所示，由于光照产生的少数载流子需要扩散通过整个硅片厚度方可到达p-n结区，IBC电池必须使用少子寿命高的硅片作为衬底，一般选用n型区熔单晶硅。硅片正面制成绒面陷光结构，具有n+前表面场和钝化减反射层(如SiO2、SiNx等)。而背面分布着叉指状的磷和硼局部扩散区分别作为n+背表面场和p发射区，二者之间需被一个未扩散的区域分隔开。金属电极并不是与n+背场或p发射区全部接触，而是通过绝缘钝化薄膜的局域开口与扩散区局部接触。该结构设计最大程度降低了少子复合率，从而提高了电池的效率，但会使制备工艺步骤多而复杂。背面钝化层可采用Al2O3或SiO2等薄膜，制程中需多步掩膜或激光刻划工艺以隔离不同极性的区域及相应的电极。电极制备如选用丝网印刷工艺则需要与钝化层开槽精确对准，另外可采用沉积金属种子层然后电镀加厚的方法。

图1 IBC太阳电池结构

IBC太阳电池优点是：(1)前表面无金属栅线，因此没有遮光，可专注于陷光结构和钝化性能的设计，利于提升短路电流；(2)背面电极设计可单纯考虑提升接触特性、降低串阻，能使用更宽的电极，从而提高填充因子；(3)效率高，输出功率高，可靠性好；(4)正负电极均在背面，组合较为容易，利于实现自动化程度更高的表面贴装技术(SMT)制备组件，同时提高了电池封装密度，使整体组件的转换效率提升；(5)组件外观一致、美观。

2014年澳大利亚国立大学研发的小面积IBC电池效率达24.4%[5]。SunPower公司是最知名的IBC太阳电池生产商，电极采用电镀工艺，实验室效率高达25%[6]，该公司已为国际上多架太阳能飞行器和赛车提供IBC电池。IBC电池用于太阳能飞行器光伏电源目前已有多个报道。近期的阳光动力2号(Solar Impulse II)太阳能飞机其电力来源于机翼、机身和水平尾翼上安装的总共17 248片SunPower的厚度为135 μm、效率为22.7%的IBC高效太阳电池。美国Titan Aerospace公司开发的小型版Solara无人机，根据公布的相关视频可判断其使用的是IBC电池。2001年创下无燃料飞行器飞行高度纪录(29 524米)的“太阳神”号(Helios)无人机使用的也是IBC电池。

1.2 HIT太阳电池

HIT是Heterojunction with Intrinsic Thin Layer的缩写，意为本征薄层异质结。HIT太阳电池是以光照射侧的p/i型非晶硅(a-Si)薄层(5～10 nm)作为发射区和背面的i/n型a-Si薄层(5～10 nm)作为背场，中间夹住单晶硅片(通常为n型)基区，两侧顶层为透明导电氧化物层(TCO)和电极，具有对称的结构[7](图2)。

图2 HIT太阳电池结构

HIT太阳电池的a-Si薄层与单晶硅(c-Si)形成p-n异质结。a-Si禁带宽度比c-Si更宽，二者形成的异质结内建电场比c-Si同质结更强。此外，所插入的高质量本征非晶硅(i型a-Si)薄层还起到了如传统硅电池中的SiO2、SiNx等绝缘介质层一样对晶体硅表面的钝化作用。较高的异质结内建电场和优良的钝化性能，能更大程度地减少光生载流子的非辐射复合，降低表面、界面漏电流，提高开路电压(Voc)，为提高HIT电池光电转换效率创造了条件[8-9]。

太阳电池Voc越高，输出性能的温度依存性越小。高Voc的HIT电池具有较低的温度系数，通常为－0.25%/℃，明显优于普通晶硅电池，这使得HIT电池在较高的工作温度下与普通晶硅电池相比可产生更高的功率输出。

HIT电池采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备a-Si薄层，能够在～200℃的较低温度下进行，明显低于传统晶硅电池的扩散工艺温度(一般在800℃以上)。这种低温工艺特性和对称的器件结构减少了成膜时因热量而产生的硅晶片的形变和损伤，对实现电池器件的减薄化、轻质化和高效化极为有利。

HIT电池可实现器件的薄型化，这不但能提高质量比功率，而且使电池片具有一定柔性，可承受一定程度的弯曲(图3)，这一优点非常有利于其在太阳能飞行器方面的应用。

图3 可弯曲的薄型HIT太阳电池

2013年报道了松下/三洋公司研制的101.8 cm2的HIT电池效率为24.7%[9]，Voc=750 mV(其他参数Jsc=39.5 mA/cm2，FF=0.832)，批产转换效率可达22.5%。

1.3 HBC太阳电池

HBC即异质结背接触(Heterojunction Back Contact)，实际上就是HIT和IBC结构相结合(HIT+IBC)的太阳电池[10]。

2014年日本松下/三洋公布了其研发成果，143.7 cm2面积的HBC太阳电池效率达到了25.6%[11]，打破了尘封15年的硅基太阳电池世界纪录(原纪录为钝化发射区和背面局部扩散p型单晶硅电池(PERL)[12-14]，面积4 cm2，效率24.7%[14]，经光谱重新校准后效率为25%)。在大面积硅片上实现这一高效率表明了其今后实际应用的巨大潜力(图4)。

图4 HBC太阳电池结构

HBC太阳电池保留了a-Si本征层和异质结，而将受光面的发射区和电极移到了电池背面。c-Si/a-Si异质结能够保证较高的内建电场和优良的钝化效果，提高了开路电压；去掉前表面遮光的栅线，而在异质结基础上组合使用背接触电极的结构，增加了短路电流并提高了填充因子。该类电池集合了HIT和IBC各自的优势，实现了光电转换效率的突破。

在融合异质结和背接触结构上开展工作的还有日本夏普和韩国LG电子等公司。夏普公布了小面积(3.72 cm2)HBC电池效率达到25.1%[15]。目前HBC电池正处于研制阶段，尚未大规模量产，然而效率>25%的成果接连发布，可以预见其研究开发今后将会非常活跃，该技术也将得到更为广泛的应用。

1.4 p型PERC单晶硅太阳电池

PERC为钝化发射极与背面电池(Passivated Emitter and Rear Cell)[16]。HIT和IBC技术通常用于制备n型高效太阳电池，而PERC适用范围广，p型、n型单晶硅以及多晶硅硅片均可作为衬底。PERC是目前较为成熟的能够用于量产制备效率超过20%的p型电池(衬底基区为p型)的技术，工艺复杂度和成本均低于HIT和IBC技术(图5)。

图5 PERC太阳电池结构

普通晶硅电池中铝背场完全覆盖了电池背面，起到较好的吸杂作用，并作为p+背场一定程度上阻止了少数载流子向背面的迁移。然而电池背面硅与金属铝(Si/Al)接触界面的态密度比较高，而对光的反射率又比较低，因此全铝背场会带来背面复合速率较高以及电池对长波光子利用率低等问题。在硅片减薄情况下这些问题将更为突出，并且还会造成电池片翘曲度增大，很大程度上限制了电池的转换效率。PERC电池上表面仍采用SiNx或SiO2绝缘层钝化电池的发射极，不同之处在于背面用局部接触来代替普通晶硅电池的全铝背场，并采用原子层沉积(ALD)Al2O3和PECVD制备SiNx双层介质膜进行背表面钝化[17-18]。ALD制备的Al2O3对Si表面钝化效果非常好，界面处产生极低的表面态密度，同时还能减少金属杂质和表面层错，从而大大降低背表面处的复合速率，使硅片具有较长的少子寿命。SiNx、Al2O3介质钝化膜位于背面金属层和硅基区之间，避免了两者直接接触，可有效防止电池片的翘曲，同时双层钝化膜的合理组合设计配合底面金属层能够起到很好的背反射作用，增加了电池对长波光子的吸收和利用。这些优势的集中使得大尺寸p型PERC太阳电池能够突破20%的光电转换效率[18-19]。近期德国SolarWorld研制的一款p型PERC电池效率达到21.7%，为目前最高纪录(图6)。

图6 PERC太阳电池与普通单晶硅电池结构对比

1.5 用于太阳能无人机的单晶硅太阳电池组件

用于太阳能无人机的太阳电池组件与地面或空间用光伏组件有所不同。除需满足质量轻、与机翼表面形状贴合等要求外，串并联组合以及封装还应考虑飞行过程中的可靠性，如升空后高低温变化和湿度影响，飞行过程中机翼的振颤形变，着陆时的瞬间冲击等。通常选用透光、阻湿性好且具有一定柔性和机械强度的高分子膜作为组件封装材料。

中国电子科技集团公司第十八研究所开发并掌握了无人机机翼蒙皮一体化单晶硅电池组合封装技术，研制出了半刚性高效太阳电池组件，并通过了力学、低压、湿热等多项可靠性测试(图7)。

图7 太阳能无人机用高效单晶硅太阳电池组件

2 综合分析

飞行器用太阳电池的选择，除需参考其标准输出特性参数外，还应结合飞行环境考虑太阳电池自身性能特点，涉及内容甚至包括电池的器件结构、材料以及具体工艺对可靠性和稳定性的影响，并进行相应的验证和分析。

表1总结了目前单晶硅电池研发和生产的进展情况。高效单晶硅电池的研制持续开展，电池效率稳步提升并迅速向规模化量产推进，这为其应用于太阳能飞行器创造了有利条件。

??????????????????????????????????????? ?????????P?PERL??25%(UNSW) ??P??????18%～19%P?PERC??21.7%(SolarWorld) P?PERC??20%～20.7%N?IBC??25%(SunPower) N?IBC??21%～23%N?HIT??24.7%(Panasonic) N?HIT??20.5%～22%N?HBC??25.6%(Panasonic)

HIT电池除具有比功率高、温度系数低等优势外，还可根据实际需求进行划片，裁剪适宜的形状尺寸进行组合。存在问题是HIT电池片相对脆弱，抗冲击性较差。另外在超高空飞行器应用中，HIT正面的a-Si成分以及丝网印刷电极，其可靠性和长期稳定性方面可能存在一定隐患。太阳光谱中短波长的紫外光主要在太阳电池上表面附近被吸收，HIT电池p/i型a-Si正位于此处。在紫外光很强的超高空光照条件下，a-Si内部微结构可能会发生变化，产生一定数量中性悬挂键等亚稳态缺陷，使复合损失增加，导致性能衰退。而丝网印刷后烘干或烧结工艺制备的电极，其内部会残留一些玻璃层或孔洞，虽具有与金属相近的导电性能，但质地较脆，延展性和抗冲击性较差。这两个因素对HIT电池性能的影响尚不十分明确。

IBC太阳电池目前已有较多用于太阳能飞机的成功先例。位于背面的电极较为宽、厚，电极采用电镀工艺制备，其导电性、金属延展性和可靠性明显优于丝网印刷电极。IBC电池片机械强度较好，可靠性高，采用独特的共面互联技术制备的组件，某一部位电池出现裂片时仍能继续发电。而其缺点是不适宜进行划片剪裁，质量比功率比HIT电池略低。

HBC太阳电池目前尚未进入规模化量产阶段，但电池结构以及转换效率的优势显而易见。将a-Si层和电极全部转移到背面就在很大程度上消除了前述HIT电池可靠性方面存在的隐患，且在大面积的电池上实现突破记录的高效率，未来发展和应用空间广阔。

太阳电池发展之初主要应用于航天领域。1963年Bell实验室发现高能粒子辐射下n型电池性能衰减严重，稳定后效率明显低于类似结构的p型电池[20]，各国研究机构也获得了同样结论。因此抗辐射性能更好的p型电池成为空间应用的首选，随后地面光伏也沿用了p型。由于地面应用无需考虑辐射影响，而n型单晶硅相较于p型具有少子寿命长、对杂质容忍度高以及地面光照条件下光致衰退不明显等优点，近几年n型电池研制受到重视，效率已明显超过p型电池。太阳能飞行器如在较低空飞行，高效n型电池具有优势。而对于20 km以上的超高空平流层，紫外线、宇宙射线、高能粒子的辐射将会明显增强[21]，n型太阳电池在这一区域工作，长期可靠性可能存在隐患，因此需考虑一种抗辐射性能好的高效p型电池作为备选方案。PERC技术目前能实现量产转换效率>20%的p型电池，满足备选和补充条件。随着硅原料的提纯、掺杂以及硅单晶生长等技术不断进步，p型硅片的质量和性能将会进一步得到改善，而PERC器件工艺今后如能与选择性发射极(Selective Emitter)以及硅片减薄化等技术相结合，未来将能够制造出效率更高、性能更适合超高空飞行器应用的PERC太阳电池。

需要特别指出的是，为提高产能、降低成本，单晶硅电池制造商大都倾向于采用丝网印刷结合烘干烧结的电极制备工艺，而这类电池应用于飞行器将存在诸多不确定因素。解决该问题，除对电池可靠性进行严格的考量和验证外，还需通过与厂商合作，专门针对电极开发更为可靠的制备工艺，以满足实际应用的需求。

3 展望

太阳电池效率和比功率的提升是太阳能飞行器发展的重要需求之一。单晶硅电池实验室最高效率目前已比较接近理论极限，进一步提高的空间不是很大，未来主要是进行工艺优化和改进使批产电池的效率向实验室效率逐步逼近，而通过硅片减薄或硅外延等技术来提高质量比功率的方案仍具一定潜力。

介于空、天之间的临近空间尚未深入探索，目前对该区域气候以及射线或粒子辐射等环境信息的掌握并不十分充分，太阳电池用于高空飞行器现阶段能够借鉴的经验不多。今后可在飞行器试飞过程中，获取相应高度的环境特征以及对电池性能的影响等信息，进而对太阳电池的设计、工艺进行有针对性的调整和改进，经过多次反馈迭代，最终研制出适用于超高空太阳能飞行器的高效太阳电池。

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Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehicle

PAN Zhen1,HU Wen-tao1,WANG Yin1,GUO Lin2,FU Zeng-ying1
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

The search progress of the monocrystalline silicon solar cells for solar aerial vehicle was reviewed,including IBC,HIT,HBC,PERC solar cells.The device structures,processing technologies,characteristics and application in solar aerial vehicle were introduced.According to possible environmental characteristics of near space,the efficiency,environmental suitability and reliability of these solar cells were contrasted and analyzed.

monocrystalline silicon;solar cell;solar energy;UAV;solar aerial vehicle

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1722-04

2016-01-28

潘振(1983—)，男，天津市人，硕士，工程师，主要研究方向为太阳电池。