L iaoning Pr ovince, Da lian 116024; 4 Institut e o f M ater ials Engineering , Sieg en U niversit y, Siegen 57076, G ermany)
Abstract T he structur e and cha racteristics o f HIT so lar cells ar e intro duced and summarized the status o f technolog y development f rom the aspects belo w: the o pt imization of hetero junction band str ucture, the preparat ion method of amor phous silicon lay er , the study o f the back surface field, t he selection of subst rate mat erial and the inno vatio ns o f emitter mater ial. A t last the status of their indust rializatio n and pr ospects of the H IT solar cells have been rev iewed.
关键词 H IT 太阳能电池 异质结结构
中图分类号: TM 615
文献标识码: A
Overview of the Development of HIT Solar Cells
SH I Shaofei1, 2 , WU Aim in1, 2, 3 , ZH A NG Xueyu1, 2 , JIANG Xin1, 4
膜形成背面场。T oru Saw ada 等[ 17] 用 PECVD 法在 n 型衬底 上制备出 H IT 结构( i/ n a S i) 的背面场。该背面场利用了异 质结的特性, 不需要重掺杂就能形成。结果显示, H IT 结构 背面场达到了比热 氧钝化更好 的表面钝化 效果。Y. Ves chet ti 等[18] 还用光刻、硼离子注入实现了局部背面场( L ocal BSF) , 与全面积( Full) 铝合金背面场相比, 开路电压大大提 高, 达到了 676m V, 为 p 型 H IT 电 池开路电 压的最 高值。 H . D. Goldbach 等[19] 用 p+ + c Si 制作了 p 型 H IT 电池的背 面场。因为 c Si 比 a S i 有更高的掺杂效率, 所以能实现高 浓度的掺杂, 从而降低激活能, 形成性能优良的背面场, 提高 电池转换效率。数值模拟结果表明, 在 n 型衬底 H IT 电池的 背面增加一层重掺杂的 n+ 层可以起到背面场的作用, 使电 池的效率提高到 24. 35% [ 20] 。
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材料导报 A: 综述篇
2011 年 7 月( 上) 第 25 卷第 7 期
H IT 太阳能电池的发展概况*
史少飞1, 2 , 吴爱民1, 2, 3, 张学宇1, 2 , 姜 辛1, 4
( 1 大连理工大学 材料科学与工程学院, 大连 116024; 2 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室, 大连 116024; 3 辽宁省太阳能光伏系统重点实验室, 大连 116024; 4 德国锡根大学材料工程学院, 德国 锡根 57056)
侧的 p i 型 a Si H 膜( 膜厚 5~ 10nm ) 和背面侧的 i n 型 a Si H 膜( 膜厚 5~ 10nm) 夹住晶体硅片, 在两侧的顶层形成 透明的电极和集电极, 构成具有对称结构的 H IT 太阳能电 池[1,2] 。
图 1 HIT 太阳能电池结构示意图 Fig. 1 The structure schematic of HIT solar cell
( 1) 异质结能带结构的优化 H IT 电池与传统电池最大的区别就是非晶硅与晶体硅 构成的异质结结构。通过设计异质结界面的势垒高度获得 合适的能带结构, 以提高电池的转换 效率。以 Sanyo 公司 H IT 电池为例[10] , 在( p ) a Si/ ( i) a Si/ ( n) c Si 的异质结结构 中, 非晶硅与单晶硅界面价带位错要小, 以便收集空穴, 同时 导带的位错要尽可能大, 以阻止 电子的通过。异质结 势垒 高度的设计主要是通过控制非晶硅薄膜的沉积参数来实现 的。
2 H IT 太阳能电池的发展现状
2. 1 H IT 太阳能电池的技术发展状况 1990 年, 日本 Sanyo 公司最早开始研究异质结太阳能电
池[ 5] 。1992 年, T anaka 等就创下 p a S i H / i a S i H / n c Si 结构太阳能电池光电转换效率 18. 1% 的纪录, 并将这种带 有本征薄层的结构称之为 H IT 结构[6] 。此后, 中国、美国、德 国、法国、意大利、荷兰等国家也相继投入到 H IT 太阳能电 池的研究中( 表 1[ 3, 4,7- 9] 为各国研究的 H IT 电池的种类、制 备工艺以及电池所能达到的转换效率情况) 。为进一步提高 电池的效率, 其研究主要侧重于以下几个方面。
表 1 世界 HIT 太阳能电池的研究现状
Table 1 Research stat us of H IT solar cells in the w orld
国家/ 单位
晶体硅 是否Biblioteka 背面场 类型 绒面工艺
效率/ % 文献
日本/ Sanyo CZn 德国/ H M I FZn 德国/ H M I FZp 美国/ NREL FZp 美国/ NREL CZp 中国/ 中科院 CZp
是 i/ n a Si PECVD 23 [ 3] 是 n a Si PECVD 19. 8 [ 7] 是 p a Si PECVD 18. 5 [ 8] 是 n a Si H WCVD 19. 1 [ 9] 是 n a Si H WCVD 18. 7 [ 9] 否 A l H WCVD 17. 36 [ 4]
( 2) 非晶硅层的制备方法 H IT 电池的非晶硅层通常用等离子增强化学气相沉积 ( PECVD) 技术进行制备[ 7,8, 11,12] 。近年来, 中科院研究生院 张群芳等[13,14] 以及美国国家可再生能源实验室( NERL) T. H . Wang 等[ 15] 采用热丝增强化学气相沉积( H WCV D) 技术 制备了 p 型衬底的 H IT 电池。与 PECVD 相比, H WCVD 产 生的等离子能量较低, 能有效避免离子的轰击, 同时可产生 用于预处理硅片表面的低能原子氢, 制备过程中的粉尘 较 少, 不易使 a Si H 薄层短路。此外, 美国纽约州立大学的 B. Jagannathan 等[ 16] 还用 直流 磁 控溅 射技 术制 备 了 p 型 H IT 电池, 在 0. 3cm2 的面积上得到了 550m V 的开路电压和 30mA/ cm2 的短路电流。 ( 3) 背面场( BSF) 的研究 背面场能改善背面复合速率和背表面反射, 从而提高开 路电压、增大短路电流。制备 背面场的传统方法有铝合 金 法、硼扩散法、磷扩散法等, 但这些工艺都需要高温过程, 只 能先制备背面场再沉积非晶硅薄膜。与 H IT 电池低温工艺 兼容的制备工艺主要有在单晶硅背面沉积重掺杂非晶硅薄
晶体硅( 包括单晶硅、多晶硅) 、非晶/ 单晶异质结( H IT ) 、非 晶硅薄膜、碲化镉( CdT e) 薄膜及铜铟硒( CIS) 薄膜太阳电池 等。其中商品化的晶体硅太阳能电池仍占主流, 其光电转化 效率已达 25% , 但受到材料纯度和制备工艺限制, 很难再提 高其转化效率或降低成本; 而非晶硅太阳能电池虽然能大面 积生产, 造价又低廉, 但其转换效率仍比较低, 并且稳定性 差。
H IT 太阳能电池的发展概况/ 史少飞等
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1. 2 H IT 太阳能电池的特点 ( 1) 低温工艺 H IT 电池结合了薄膜太阳能电池低温( < 250 ) 制造的
优点, 从而避免采用传统的高温( > 900 ) 扩散工艺来获得 p n 结。这种技术不 仅节约了 能源, 而且 低温环 境使得 a Si H 基薄膜掺杂、禁带宽度和厚度等可以较精确控制, 工 艺上也易于优化器件特性; 低温沉积过程中, 单晶硅片弯曲 变形小, 因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值 ( 约 80 m) ; 同时低温过程消除了硅衬底在高温处理中的性 能退化, 从而允许采用 低品质 的晶体硅甚至多晶硅来作衬 底。
( 2) 高效率 H IT 电池独有的带本征薄层的异质结结构, 在 p n 结成 结的同时完成了单晶硅的表面钝化, 大大降低了表面、界面 漏电流, 提高了电池效率。目前 H IT 电池的实验室效率已 达到 23% [ 3] , 市售 200W 组件的电池效率达到 19. 5% [ 2] 。 ( 3) 高稳定性 H IT 电池的光照稳定性好, 理论研究表明非晶硅薄膜/ 晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现 Staebler Wronski 效 应, 从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照而 衰退的现 象; H IT 电 池 的温 度 稳 定性 好, 与 单 晶硅 电 池 - 0. 5% / 的温度 系数相比, H IT 电池的温度系 数可达到 - 0. 25% / , 使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输 出[ 4] 。 ( 4) 低成本 H IT 电池的厚度薄, 可以节省硅材料; 低温工艺可以减 少能量的消耗, 并且允许采用廉价衬底; 高效率使得在相同 输出功率的条件下可以减少电池的面积, 从而有效降低了电 池的成本。
( 1 Schoo l of M aterials Science and Eng ineering , Dalian U niver sity o f T echno log y, Dalian 116024; 2 K ey L aborat or y of M ateria ls M odification, Dalian U niver sity o f T echno log y, Dalian 116024; 3 K ey L aborato ry of So lar Photov oltaic Systems,