硅與不定型硅雜化太陽能電池(HIT電池)前沿調(diào)研

*陳鴻翔

(遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué) 遼寧 116000)

硅與不定型硅雜化太陽能電池(HIT電池)前沿調(diào)研

*陳鴻翔

(遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué) 遼寧 116000)

光伏發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式,其不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體,因此不會對環(huán)境造成污染.如今,以硅電池為主的太陽能電池已經(jīng)商業(yè)化.市場常見的單晶硅電池效率大約是22%.近期,Sanyo研發(fā)的硅/不定形硅雜化太陽能電池(HIT電池)效率可達25%,且成本更低.本文以文獻綜述為主,探討了太陽能電池的理論效率,介紹、分析并提出優(yōu)化HIT電池效率的幾點方法.

太陽能電池;硅太陽能電池;HIT電池

1.背景介紹

目前,人類生產(chǎn)生活所主要依賴的化石能源正在快速消耗.據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,以現(xiàn)有世界對化石能源的消耗速度,石油剩余約50年,天然氣剩余約50年,煤炭剩余約200年.同時,由于開采和燃燒化石燃料所造成的環(huán)境污染也日趨嚴重.因此,必須尋求有效且環(huán)保的新能源.水能,核能,風(fēng)能等是當(dāng)前的熱潮,然而這些能源可能會對局部生態(tài)系統(tǒng)造成較大的影響.除此之外,45億年持續(xù)燃燒的太陽,無疑也是優(yōu)秀的候選者.太陽光穿越大氣層到達地球表面的能量功率是1.8X1014kW,大約是全球年平均電力消耗的幾十萬倍.目前太陽能電池效率約為20%,遠遠高于太陽能熱電效率或者光合作用效率.盡管太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率很高,其制備過程會消耗大量能源并且產(chǎn)生大量污染,制約了太陽能光電的大范圍應(yīng)用.因此為了在增高太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的同時減少制造成本和污染,新型太陽能電池以薄膜導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料為主.其中,有機半導(dǎo)體材料和部分無機半導(dǎo)體(CdTe,CIGS)有更高的光吸收系數(shù),因此所需光吸收層更薄(lt;1um);硅電池通過引入新型結(jié)構(gòu)和工藝,在提高能量轉(zhuǎn)換效率的同時,降低成本:預(yù)計在2017年底,硅電池的有效價格可以低至US$0.36/Wp.

2.S-Q(Shockley-Queisser)極限

1961年,Shockley和Queisser計算了單節(jié)太陽能電池的極限效率(S-Q極限):在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5太陽光照輻射下,太陽能電池的極限PCE為33.7%(對應(yīng)Eg=1.3eV).這一重要的理論極限基于以下因素:

(1)光能收集損失

①反射光損失;

②電極遮擋損失;

③透射光損失.

(2)電子-空穴對復(fù)合損失

電子吸收光子收激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對后,有幾率退激發(fā),叫做電子-空穴對的復(fù)合.復(fù)合分為直接復(fù)合與間接復(fù)合.直接復(fù)合是處于導(dǎo)帶的電子直接與處于價帶的空穴結(jié)合.間接復(fù)合是電子與空穴在禁帶中的某一缺陷能級復(fù)合,該缺陷能級為復(fù)合中心.

由于硅晶體缺陷的存在,間接復(fù)合效率遠遠大于直接復(fù)合(SRH),大約減少10%-20%的電池效率.因而,間接復(fù)合是硅太陽能電池主要研究的問題.間接復(fù)合中,常見的是表面復(fù)合.這是由于硅表面層原子存在大量懸浮鍵,產(chǎn)生大量缺陷(Dit≈1014cm-2eV-1).這些缺陷能級處于硅半導(dǎo)體禁帶中,作為間接復(fù)合的復(fù)合中心,復(fù)合速率為1000cm/s左右.在良好的鈍化處理下,由硅表面懸浮鍵產(chǎn)生的復(fù)合速度可降低至6-10cm/s.

基本的鈍化方法主要有熱氧化法和低溫沉積法.熱氧化法是將硅在高溫條件下氧化形成SiO2薄膜,采取這種方法鈍化效果好,但是長時間的高溫過程容易使質(zhì)量較差的單、多晶硅襯底產(chǎn)生缺陷,復(fù)合加強,從而影響電池性能.此外,長時間的高溫過程使操作復(fù)雜、成本高昂.低溫沉積法(PEVCD法)則是利用等離子體中具有高能量的電子提供化學(xué)氣相沉積所需的能量,使得沉積在低溫環(huán)境就可以進行.主要用SiNx做鈍化層.這種方法沉積溫度低,能耗較低,并且沉積速度較快,生產(chǎn)能力高.

3.HIT太陽能電池

(1)HIT電池基本結(jié)構(gòu)及特點

目前晶體硅太陽能電池的制備需要高溫摻雜處理,這不僅會提高生產(chǎn)成本,而且會限制轉(zhuǎn)化效率和器件尺寸.相反,非晶硅薄膜太陽能電池有著重量輕,工藝簡單,成本低和耗能少等優(yōu)點,但是非晶硅電池效率低,并且隨著光照的時間其效率會不斷下降.為了制作出效率高且成本更低的太陽能電池,1991年Sanyo公司首次將本征非晶硅薄膜用于非晶硅/晶體硅雜化太陽能電池(HIT),電池效率達18.1%,并在1997年實現(xiàn)HIT電池的批量生產(chǎn).隨著電池結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,效率逐漸提升至25.6%.

HIT的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.HIT(Heterojunction Intrinsic Tunneling),就是異質(zhì)結(jié)和本征薄膜的結(jié)合.異質(zhì)結(jié)是指pn結(jié)的材料不同(硅/不定形硅),本征薄膜是在P型氫化非晶硅和n型氫化非晶硅與n型單晶硅硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜,可明顯提高表面鈍化.

HIT電池的特點是開路電壓(Vov)大、工藝溫度低、復(fù)合率低.其中最大的特點是Voc約為0.75V,明顯大于普通硅電池.這是因為非晶硅能帶寬,摻雜后的費米能級可以跟單晶硅的導(dǎo)帶或者價帶平行,如圖1所示.如果只是用單晶硅,那么摻雜的部分永遠不可能把費米能級和單晶硅的導(dǎo)帶價帶平行,內(nèi)建電場就會明顯小于1.1eV,Voc一般為0.65-0.70V.不同于單晶硅太陽能電池,HIT電池擁有著出色的鈍化效果,通過插入高質(zhì)量的固有a-Si層,c-Si晶片和使用低損傷工藝的摻雜a-Si層,使c-Si的表面懸掛鍵可以很好地鈍化,減小復(fù)合速率(最低可低至2cm/s).此外,HIT電池加工簡單,且不定型硅摻雜可在在200℃進行,因而成本更低.

圖1 HIT電池結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

(2)制約HIT電池發(fā)展的因素及改進措施

①成本

由于單晶硅制造過程存在高能耗和高污染,盡可能使用更薄的晶體Si可以有效提高電池的社會經(jīng)濟效益.然而,薄晶體Si襯底可能存在如下問題:一方面太陽能的容易翹曲,這會降低工藝產(chǎn)量;另一方面光路長度減少所導(dǎo)致的Isc的減少.太陽能電池的Voc由過量載體決定.如果表面復(fù)合速度足夠低,Si越薄晶片可以保持高的過剩載流子密度,導(dǎo)致高Voc.對于HIT電池,當(dāng)表面復(fù)合速度高于100cm/s時,Voc隨Si晶片厚度的減小而降低減少;再一方面,當(dāng)表面復(fù)合時速度低于100cm/s時,Voc增加.所以,一定程度上,可以通過Voc的增加來補償Isc減少對于電池效率的影響.

②優(yōu)化建議

A.在HIT電池中存在著吸收損耗,主要是由于在TCO層中自由載體對光的吸收.通過改變TCO的制備參數(shù)使TCO的晶粒尺寸大于常規(guī)TCO層,以便降低載流子密度而不導(dǎo)致電導(dǎo)率的損失.此外還可減小TCO的厚度以提高透光率.

B.通過高濃度摻雜,增大內(nèi)建電場,增大Voc.

C.精確控制摻雜深度,讓摻雜層的厚度可控,因而所需本征層(原本是10nm)的厚度更小,減小本征層厚度帶來的電阻.

[1]William Shockley and Hans J. Queisser, quot;Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cellsquot;,Journal of Applied Physics, Volume 32 (March 1961), pp. 510-519; doi:10.1063/1.1736034

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[13]董曉剛.太陽能電池用多層膜的制備和研究[D].大連交通大學(xué),2006.

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陳鴻翔(2000-),男,遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué);研究方向:太陽能電池、物理.

Research of Silicon and Amorphous Silicon Hybrid Solar Cells ( HlT Battery )

Chen Hongxiang
(Affiliated High School of Liaoning Normal University, Liaoning, 116000)

Photovoltaic power generation, which is a renewable environmental protection power generation, does not produce carbon dioxide and other greenhouse gases, so it will not cause pollution to the environment. Today, silicon - based solar cells have been commercialized. The efficiency of market common monocrystalline silicon cell is about 22 %. Recently, the silicon / amorphous silicon hybrid solar cell ( HIT battery ) , which is developed by Sanyo, can achieve 25 % efficiency with the lower cost. This paper mainly focuses on the literature review and discusses the theoretical efficiency of solar cell and introduces, analyzes, puts forward some methods to optimize the efficiency of hit battery.

solar cell;silicon solar cell;HIT battery.

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