带本征薄层硅异质结HIT太阳能电池的研究与发展

文国知,范吉军,李相虎

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430023)

带本征薄层硅异质结HIT太阳能电池的研究与发展

文国知,范吉军,李相虎

(武汉轻工大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430023)

介绍了带本征薄层硅异质结HIT太阳能电池的研究与产业化进程。阐述了提高硅异质结HIT太阳能电池光电转换效率的关键技术，如单晶硅片表面的织构化技术、异质结界面的钝化技术、栅电极制备技术和双面电池技术。最后，介绍了基于量子限域效应的硅量子点异质结HIT太阳能电池的设计理论及研究进展。

硅异质结；本征层；钝化；转换效率；太阳能电池

1 引言

近年来，受能源安全和环保问题困扰，光伏发电越来越受到重视[1,2]。全球对太阳能的需求增长迅猛，太阳能光伏产业获得了巨大的发展。2008年全球太阳能电池产量达到7.9 GW , 2009年达到10.4 GW，2010年达到27.2 GW。随着光伏电池技术持续进步和加快研发，世界能源组织(International Energy Association, IEA)预测，到2040年光伏发电将占总电力的20%。欧洲联合研究中心(European Joint Research Center, JRC) 及欧洲光伏工业协会(European Photovoltaic Industry Association, EPIA)预测，到本世纪末，太阳能发电将占到60%以上，太阳能光伏将作为人类最主要的能源来源[3,4]。已商业化量产的以高纯硅料为主要原材料的晶体硅太阳能电池实验室效率达25.0%，2010年批量生产的晶体硅太阳能电池实际转换效率达18%-22%。晶体硅太阳能电池由于资源丰富，高效率，性能稳定，一直占有绝大部分光伏市场份额[5,6]。根据Shockley-Queisser的理论计算，晶体硅太阳电池的极限转换效率只有31%，不可能无限提高[7]。目前晶体硅太阳电池的价格每瓦超过1.5美元，成本偏高。

受美国、欧洲、日本等国政府大力推动，多晶硅、非晶硅等新电池材料不断被研发出来。多晶硅薄膜太阳能电池的优点是制备工艺简单，能在廉价衬底上制备，成本较低，性能高，实验室转换效率达到20.3%，批量生产转换效率16%-18%，接近晶体硅太阳能电池。但多晶硅薄膜太阳电池的效率也难以进一步提升，主要原因在于，第一，构成电池的多晶硅材料中存在大量的位错晶界和过渡族金属，表面存在大量的表面态。这些缺陷、表面态，和过渡族金属构成少数载流子的复合中心，导致开路电压显著下降；第二，工业生产中多晶硅表面织构化难以实现，短路电流降低[8]。非晶硅薄膜太阳能电池的优点是低温工艺，问题在于光电转换效率比较低。目前实验室最高效率只有13%，批量生产的转换效率为8%-10%。而且随着时间的推移(一般十几天)，转换效率出现下降，即出现所谓的Staebler-Wronski光致衰退现象[9-11]。

2 硅异质结HIT太阳能电池

1991年，日本Sanyo电气有限公司的Mikio Taguchi等通过研究，首次提出将单晶硅(c-Si)和非晶硅(a-Si)薄膜结合在一起，在中间插入一薄层本征层的结构，并取名为带本征层的异质结(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer, HIT)太阳能电池[12]。现在，硅异质结HIT太阳能电池是在p型CZ单晶硅片上沉积一本征氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜，再沉积一n型a-Si:H薄膜，形成p-n结。在硅片的另一面，沉积一本征a-Si:H薄膜和一p型a-Si:H薄膜，形成背表面场。然后在两个表面沉积透明导电氧化层(Transparent Conductive Oxidation, TCO)，再用丝网印刷法镀上金属栅电极，如图1所示[13]。通过插入高质量的本征a-Si:H层，将单晶硅片和n型a-Si:H薄膜隔开，可以有效钝化p-n结界面的缺陷，避免载流子在界面复合，使开路电压Voc和转换效率得到提高。硅异质结HIT太阳能电池的优点包括：第一，工艺简单。可以通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)，用低能量等离子体形成高质量的a-Si:H薄膜，全部工艺在200℃左右完成，避免了高能量等离子体和热应力造成的对硅片的损伤[14]；第二，光电转换效率较高。由于非晶硅对光的吸收能力比单晶硅强，本征a-Si:H层使单晶硅Si表面得到可靠钝化，使载流子寿命得到提高，界面对光生载流子的俘获得到降低，从而电池的开路电压和转换效率得到提高[13]；第三，温度特性优良。硅异质结HIT太阳能电池效率的温度系数降低到-0.25%/℃，比扩散p-n 结电池效率温度系数-0.5%/℃低。这意味着当温度较高时，硅异质结HIT太阳能电池组件将比传统p-n 结电池组件产生更多的电能[11]；第四，电池的光照稳定性好。在非晶a-Si:H薄膜/单晶硅c-Si异质结中没有发现Staebler-Wronski效应，从而不会出现类似非晶硅电池转换效率因光照而衰退的现象[15]；最后，成本低。异质结HIT电池低温沉积过程中，单晶硅c-Si片弯曲变形小, 其厚度可取为本底光吸收材料所要求的最低值(约80 μm), 从而可节省c-Si材料，消除电池在高温处理中的性能退化，使电池重量大大减轻。同时改善少数载流子扩散长度与电池总厚度比值, 允许采用“低品质” 单晶硅c-Si及多晶硅Si材料，从而降低成本[16,17]。

图1 硅异质结太阳能电池结构示意图

3 硅异质结HIT太阳能电池的研究进展与关键技术

硅异质结HIT太阳能电池的转换效率一直在顺利提高。1992年，Tanaka等采用(Artificially Constructed Junction, ACJ)技术制备了p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-c-Si结构电池，取得18.1%的光电转换效率[18]。此后相继有多个国家和单位投入到硅异质结HIT太阳能电池的研究当中[14,19]。如图2所示为硅异质结HIT太阳能电池单元模块光电转换效率进展情况。2007年，Tsunomura等通过提高a-Si:H/c-Si的界面特性及采用陷光技术，取得22.3%的转换效率[20]。2009年，Inoue等通过进一步提高界面钝化质量，减小透明导电层和栅电极光学吸收损失和电阻损失，取得22.8%的光电转换效率[21]。2011年，98 μm厚的HIT薄型硅单元太阳能电池，实现了23.7%的转换效率[20]。Sanyo公司下一步计划将硅异质结HIT太阳能电池效率提高到25%。

图2 硅异质结HIT太阳能电池转换效率变化图

在提高硅异质结HIT太阳能电池的光电转换效率的过程中，开路电压Voc非常关键[20,21]。在传统的p-a-Si:H/n-c-Si异质结太阳能电池中，表面和界面存在大量局域复合路径和悬挂键，掺杂层中有大量局域态，载流子易发生局域复合和隧穿[22]。通过对单晶硅片表面织构化后进行化学钝化处理，可以获得优秀的界面。这种高质量的本征层，可以减小表面和界面复合速率，抑制局域复合和隧穿现象的发生，如图3所示。在背面，通过在本征a-Si:H薄膜和p型a-Si:H薄膜i-a-Si:H/p+-a-Si之间插入高质量的本征层，使背面的复合得到有效抑制，这样可以获得高的开路电压Voc[13]。

图3 5-15μm织构化c-Si硅片的SEM图

在实际应用中，太阳能电池光电转换效率与温度的关系被认为是决定电池输出功率最重要参数之一。图4所示为25 ℃归一化硅异质结HIT光电转换效率与温度的关系。一般掺杂的p/n型异质结太阳能电池的温度系数是-0.45%/℃，硅异质结HIT太阳能电池的温度系数是-0.33%/℃，现在已经减小到-0.25%/℃[23]。经验表明，异质结表面钝化效果越好，温度系数越低，输出电压越高。图5所示为多种硅异质结HIT太阳能电池及SunPower[14]电池的开路电压Voc与温度系数的关系。很明显，使用更高开路电压Voc的电池，就可能获得更多的输出功率。但是要理解电池的开路电压与温度系数的关系,还需要进一步进行研究。

图4 晶体硅、硅异质结HIT、最新硅异质结HIT电池光电转换效率与温度的关系

图5 硅异质结HIT太阳能电池及SunPower太阳能电池开路电压Voc与温度系数的关系

同时，短路电流ISC在提高硅异质结HIT太阳能电池的转换效率的过程中也非常关键。为降低电阻损失和光学损失，要求栅电极用电阻率尽可能低的材料和减少栅电极对光的反射。图6所示为用丝网印刷技术制作的栅电极，材料是银浆。这种方法制作的栅电极通常有一个扩展面，这个扩展面会造成光学损失。必须尽可能改进布线部分，减小扩展面积和提高长宽比，减小布线暗影的影响，以获得更大光照面积[24]。同时提高透明导电氧化层对短波长光的反应，降低电阻值，提高载流子迁移率。

图6 栅电极示意图

异质结的对称结构特征使双面硅异质结HIT太阳能电池的制备成为可能。图7所示为双面硅异质结HIT太阳能电池与单面硅异质结HIT太阳能电池输出功率的比较。可以看出，双面电池比单面电池的输出功率高。据估算，双面硅异质结HIT太阳能电池比单面硅异质结HIT太阳能电池一年多输出10.9%的能量[13]。因此，研发双面硅异质结HIT太阳能电池也是提高硅异质结HIT太阳能电池性能的重要方法。

图7 双面硅异质结HIT太阳能电池与单面硅异质结HIT太阳能电池效率比较

4 硅异质结HIT太阳能电池的产业化进程

通过研究和采纳一些新技术，规模化生产中的硅异质结HIT太阳能电池的转换效率持续得到提高，硅片厚度大幅度降低。自1994年Sanyo电机公司在1 cm2面积上制备出转换效率为 20.0%的硅异质结HIT太阳能电池以来，就展开了其产业化研究，并于1997年实现工业化生产。所生产的面积超过100 cm2的硅异质结HIT太阳能电池转换效率高达17.3%。商业化硅异质结HIT太阳能电池组件HIT Power2l如图8所示，能替代屋顶瓦片的电池模块HIT Power Roof如图9所示[25]。

图8 硅异质结HIT太阳能电池组件HIT Power21

图9 硅异质结HIT太阳能电池模块HIT Power Roof

2002年，硅异质结HIT太阳能电池的工业化生产获得18.5%的世界最高光电转换效率，输出功率为190 W的硅异质结HIT太阳能电池组件投放市场；4月，输出功率为200 W的硅异质结HIT太阳能电池模块推出，模块温度特性有了大幅提高，年发电量比传统太阳电池多43%[15]。2006年，光电转换效率为21.8%的270W硅异质结HIT太阳能电池模块上市，工程中电池模块的用量再减少约25%。2009年规模化生产中的硅异质结HIT太阳能光电转换效率达到22.8%[24]。2011年，面积为100.7 cm2厚为98 μm的薄型硅异质结HIT太阳能单元电池研制成功。该公司计划2012年度以后量产单元光电转换效率为23%的薄型硅异质结HIT太阳能产品，并延伸现有技术，使薄型硅异质结HIT太阳能电池单元光电转换效率达到25%[14]。硅异质结HIT太阳能电池自1997 年投入市场以来，短短数年间已占据世界光伏市场的5%，显示了极大的发展潜力。如图10所示为2004年各类太阳能电池所占市场份额。Sanyo公司已将其光伏生产能力从2008年的340 MW扩大到2010年的600 MW，而且计划进一步增加光伏产量来满足世界光伏市场的需求[26]。

图10 主要太阳能电池所占市场份额

5 硅异质结HIT太阳能电池的发展趋势

有看法认为，单晶硅太阳能电池实用水平的转换效率上限是25%左右，再提高转换效率非常困难。单带隙太阳能电池中最重要的能量损失机制在于，能量低于禁带宽度的光子不被吸收，占总入射能量的23%，能量高于禁带宽度的光子被吸收后产生能量高于带隙的电子空穴对，当电子和空穴分别驰豫到导带边和价带边时，多余的能量就以热量的形式被晶格吸收而损失，占总入射能量的33%[27]。为充分利用太阳能，方案之一就是使用不同带隙的材料构成叠层结构。

图11 p型单晶硅衬底硅量子点异质结太阳能电池示意图

研究发现，非晶富硅a-SiCx，a-SiNx或a-SiOx等绝缘织构薄膜，通过高温退火工艺，能使富余硅原子析出成核并生长为硅纳米颗粒(量子点)。硅量子点具有量子局域效应，即硅量子点的有效光学带隙随量子点尺寸的减小而增大。当硅纳米颗粒尺寸小于晶体硅的激子玻耳半径(约7 nm)，且彼此距离很近时，激子波函数的重叠将使激子发生隧穿，薄膜的迁移率和电导率将明显增大。同时，将克服晶体硅非直接带隙半导体的缺点。因此用含不同尺寸的量子点薄膜作为叠层电池的短波长带隙材料，可有效提高太阳光谱的利用率[28,29]。

Green M A课题组研究了含Si量子点层作为单结太阳能电池窗口层和不同量子点层厚度及层数对电池性能的影响[30-32]，如图11所示。由于硅量子点具有有效光学带隙可调的优点，同时具有多激子效应，用含不同尺寸的硅量子点薄膜替代硅异质结HIT太阳能电池本征层的方案也已经提出，并取得了一些研究进展[33-36]。硅量子点本征层异质结HIT太阳能电池能够实现宽光谱吸收和提高光电转换效率。不过，很多方面有待进一步研究，例如，尺寸均匀可控量子点的制备，量子点层结构的设计，量子点层界面的处理等。

6 总结

硅异质结HIT太阳能电池是目前效率较高，成本较低，实现了工业生产并且产业化前景提高潜力较大的一种硅基太阳能电池。结合表面织构化技术、界面钝化技术、栅电极制备技术、双面电池技术和量子点技术等可以进一步提高其光电转换效率。随着光伏技术的进步，光电效率的提高，发电成本的下降，市场需求将出现更大增长，硅异质结HIT太阳能电池发电的研究成为近期乃至超长期的能源开发重点项目。

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A review on the research and development of the silicon-based heterojunction HIT solar cells with intrinsic thin layer

WENGuo-zhi,FANJi-jun,LIXiang-hu

(School of Electronic and Electrical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

A review on the research and the industrialization of silicon-based HIT solar cells with intrinsic thin layer is presented.The key technologies about improving the conversion efficiencies of siticon-based HIT solar cell are introduced, such as the texturization of silicon wafer surface, the passivation of heterojunction interface, the grid electrode fabrication, and the bifacial processes. Research achievements on the theoretical design and the experimental efforts about the silicon quantum dots HIT solar cells, which are based on quantum confinement effects, are explained in the last part.

silicon HIT; intrinsic thin layer; passivation; conversion efficiency; solar cell

2016-12-07.

文国知(1973-),男,博士,讲师,E-mail:wwenguozhi@163.com.

湖北省教育厅科技计划项目资助(B2016074).

2095-7386(2017)02-0001-07

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.02.001

TN245

A