1、高效晶體硅太陽電池何少琪太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件,運(yùn)行可靠,少維護(hù),壽命長,而且電能易利用、易輸送、易儲(chǔ)存,光伏發(fā)電是太陽能利用中最具活力的領(lǐng)域,它引起世界各國的關(guān)注,成為各發(fā)達(dá)國家研究開發(fā)的熱點(diǎn)。澳大利亞新南威爾士大學(xué)已研制出效率達(dá)20%的太陽電池組件,美國、日本、德國和英國等都建立了該電池的中試生產(chǎn)線,其電池效率達(dá)到1718%,生產(chǎn)規(guī)模正在迅速擴(kuò)大。 圖1平面單晶硅高效電池結(jié)構(gòu)示意圖我國現(xiàn)有太陽電池研制和生產(chǎn)水平與國際先進(jìn)水平相比還有很大的差距,尋求新技術(shù)、新材料、新工藝,以提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率,大幅度降低生產(chǎn)成本,是我國太陽能光伏界面臨的緊迫任務(wù)。北京市太陽能研究所在研究和開發(fā)多晶硅

2、薄膜太陽電池的同時(shí),積極進(jìn)行高效晶體硅太陽電池的研究和開發(fā),探索影響電池轉(zhuǎn)換效率的因素和相關(guān)的工藝,將成熟技術(shù)轉(zhuǎn)換到太陽電池的生產(chǎn)中,以達(dá)到生產(chǎn)高效率低成本太陽電池的目的。自1992年開展高效電池研究以來,我們已取得可喜的進(jìn)展,平面高效單晶硅電池(2cm 2cm 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19179%,刻槽埋柵電極晶體硅電池(5cm 5cm 轉(zhuǎn)移效率達(dá)1816%,多晶硅電池(1cm 1cm 轉(zhuǎn)換效率達(dá)14153%。一、平面單晶硅高效電池為了達(dá)到高效的目的,在電池制作中采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)。電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池表面織構(gòu)化采用光刻腐蝕工藝,制成倒金字塔結(jié)構(gòu),表面開口尺寸為10m 10m

3、 ,發(fā)射區(qū)鈍化采用含氯氧化。分區(qū)摻雜采用兩次氧化,經(jīng)光刻后分別形成輕、重?fù)诫s區(qū),再控制摻雜工藝條件實(shí)現(xiàn)。電池的金屬化采用熱蒸發(fā)Ti 、Pd 、Ag ,上電極采用光刻腐蝕,剝離形成柵狀電極后再脈沖鍍銀。經(jīng)過工藝的優(yōu)化和改進(jìn),我們研制的電池(2cm 2cm ,其性能達(dá)到I sc =15111mA ,V oc =65611mV ,F 1F =018062,=19179%。電池的I 2V 曲線如圖2所示。圖2平面單晶硅高效電池I -V 曲線二、刻槽埋柵電極單晶硅電池刻槽埋柵電極單晶硅太陽電池因其埋柵電極的獨(dú)特結(jié)構(gòu),使電極陰影面積由常規(guī)電池的1015%下圖3刻槽埋柵電極電池結(jié)構(gòu)示意圖降至24%,短路電流

4、可上升12%,同時(shí)槽內(nèi)采用重?cái)U(kuò)散,使金屬2硅界面的面積增大,接觸電阻降低,從而使填充因子提高10%。在電池制作中,既保留了21高效電池的特點(diǎn),又省去了高效單晶電池制作中光刻等工藝,使得刻槽埋柵電極電池在保持高轉(zhuǎn)換效率和適合大規(guī)模生產(chǎn)方面,成為連接實(shí)驗(yàn)室高效單晶硅太陽電池和常規(guī)電池生產(chǎn)之間的紐帶?？滩勐駯烹姵氐慕Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該電池表面織構(gòu)化采用化學(xué)腐蝕方法,利用晶體硅的各向異性,將表面腐蝕成大小不同、排列不規(guī)則的四面方錐體。分區(qū)摻雜采用機(jī)械或激光刻槽后進(jìn)行重?cái)U(kuò)散的方式實(shí)現(xiàn)。電池的金屬化通過化學(xué)鍍鎳、鍍銅后浸銀完成。經(jīng)過工藝優(yōu)化和改進(jìn),我們用區(qū)熔(FZ 單晶硅制作的電池(5cm 5cm ,經(jīng)美國

5、可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL 測(cè)定,J sc =34184mA/cm 2,Voc =66318mV ,F 1F =018058,=1816 %,該電池的I -V 曲線如圖4所示。用直拉單晶(CZ 制作的電池,效率達(dá)17122%;批量投產(chǎn)后,15%的樣片占1617%,16%的樣片占5813%,17%的樣片占25%,表明樣品電池的效率分布比較集中,有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。三、多晶硅電池圖4刻槽埋柵電極電池I -V 曲線在多晶硅電池的研制中,采用了單晶硅電池工藝中的表面鈍化、背場(chǎng)等工藝 ,同時(shí)又根據(jù)多晶硅的特點(diǎn), 增加了用酸性腐蝕液去除表面損傷層、濃磷擴(kuò)散吸雜等工藝,此外為了避免高溫過程激活多晶硅晶粒間界處

6、的缺陷,鈍化時(shí)采用低溫含氯氧化形成SiO 2。電池結(jié)構(gòu)如圖5所示。在經(jīng)過工藝優(yōu)化后,多晶硅電池(1cm 1cm 的性能達(dá)到:I sc =34123mA ,V oc =59517mV ,F 1F =017129,=14153%。電池的I 2V 曲線如圖6所示。圖5多晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖圖6多晶硅電池I -V 曲線高效晶體硅電池研究工作的成果不僅表現(xiàn)在電池轉(zhuǎn)換效率的逐步提高上,更重要的是使我們對(duì)提高電池效率的各種物理機(jī)制和因素有了更深入的認(rèn)識(shí)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室研究工作和太陽電池中試生產(chǎn)線的工作相結(jié)合,既有助于分析和解決中試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題,又可促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究工作的提高,為今后的發(fā)展打好基礎(chǔ)。何少琪副研究員,北京大學(xué)畢業(yè),碩士。曾任北京市太陽能研究所生物質(zhì)能研究室主任,聯(lián)合國“大興工業(yè)沼氣試驗(yàn)站”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,榮獲北京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。1995年以后主要從事太陽電池研究工作。周帥先教授級(jí)高級(jí)工程師,北京大