高效晶体硅太阳能电池结构分析
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作者: 肖友鹏
摘 要：晶体硅太阳能电池占据了光伏市场的主要份额，在产业化的道路上一直追求高效低成本。晶体硅太阳能电池的性能与其结构息息相关，文章介绍了几种高效晶体硅太阳能电池的结构，分析了其结构特征和性能参数。
关键词：晶体硅太阳能电池；高效；电池结构
晶体硅太阳能电池要获得大面积推广，关键在于如何降低成本和提高转换效率。降低成本主要是降低原材料成本特别是硅片成本。设计高效的太阳能电池结构，不仅能提升太阳能电池的转换效率，也在一定程度上能降低成本。文章对几种高效晶体硅太阳能电池逐一作介绍。
1 PESC太阳能电池
钝化发射极太阳能电池（Passivated-Emitter Solar Cell，PESC）是第一个转换效率超过20%的晶体硅太阳能电池[1]。PESC太阳能电池效率的提升得益于微型槽技术，也就是选择性刻蚀暴露晶面的表面纹理技术。微型槽能够减少光线在电池表面的反射；垂直光线首先到达微型槽表面，经表面折射后以41°角进入硅片内部，使光生载流子更接近太阳能电池的发射结，因而提高了光生载流子的收集效率，还使得发射极横向电阻降低了3倍，降低发射结电阻可提高电池的填充因子。
PESC太阳能电池的主要特征是表面氧化层钝化技术。经磷扩散制得发射结后，在太阳能电池背面沉积上一层铝并使Al和硅形成合金制得Al背场，Al背场既可以起到吸杂的作用，又在电池背面建立起一个电场，阻止载流子向背面迁移，降低了背表面的复合。接着采用氧化工艺在表面生长一层二氧化硅，正面氧化层可大大降低载流子的表面复合速率，因此提高了太阳能电池的开路电压。PESC太阳能电池的金属电极先由剥离方法形成Ti-Pd接触，然后电镀Ag构成。这种接触有大的高宽比和小的接触面积，镀Ag也提高了电极的导电能力，因此PESC太阳能电池的填充因子可以做到大于83%，转换效率也达到了20.8%（AM1.5）。
2 PERL太阳能电池
钝化发射极、背面局部扩散（Passivated-Emitter and Rear-Locally diffused，PERL）太阳能电池是转换效率的保持者，其转换效率高达25%[3]。
PERL太阳能电池的特色设计是采用逆金字塔绒面结构，绒面上沉积MgF2与ZnS双层抗反射膜，该结构使太阳光在第一次到达金字塔的一侧时就有机会进入太阳能电池内部。反射的部分太阳光经另一个金字塔侧面反射又能有机会进入电池内部，从而增加太阳光进入太阳能电池内部的机会。太阳光进入太阳能电池后，在朝着太阳能电池背面行进的过程中大部分被吸收，而未被吸收的长波段的入射光在到达背面时会被反射重新回到太阳能电池中来，这是因为背面蒸镀了一层铝之后，能形成一个有效的反射系统。倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的陷光结构，可增加太阳光在电池内部的光学长度，提高电池的短路电流。
PERL太阳能电池利用热氧化层双面钝化发射极和背面，降低了表面态，减少了少数载流子的复合，降低反向饱和电流密度，改善了太阳能电池的光谱响应。使用BBr3和PBr3液态源进行分区扩散掺杂，栅线电极下进行浓磷扩散，减少电极接触电阻；受光面进行淡磷扩散，降低横向电阻功耗，改善短波响应。
3 埋栅太阳能电池
埋栅太阳能电池（Buried-Contact Solar Cell，BCSC）制作过程[4]是先去除损伤层和制绒，再在整个硅片表面进行浅扩散和氧化。制作过程无需经过除磷硅玻璃的步骤，而是利用激光将太阳能电池表面刻蚀出沟槽，这也是埋栅太阳能电池最具特色的设计，其沟槽深度不可太大，否则会影响到电池的开路电压。化学腐蚀的方法对沟槽进行了清洗后，进行第二次扩散，即实现在接触区域选择性的磷扩散，此次扩散浓度比第一次浓得多。接下来就是用化学镀将金属嵌入太阳能电池表面的一系列狭窄槽内。
埋栅太阳能电池电极位于电池内部，减少了电极的遮蔽面积，不仅增加了入射光的吸收，改善了开路电压，也改善了串联电阻效应，降低了电极的载流子复合速率，也使得填充因子增加，所以整体而言太阳电池效率提高了很多，达到了19.9%。
4 背面点接触太阳能电池
背面点接触（Interdigitated Back-contact）太阳能电池利用了点接触（Point-contact cell，PCC）及丝网印刷技术[5]。Sunpower公司采用n型区熔硅作为衬底材料，前表面无栅线，没有电极的遮挡，并通过金字塔结构和减反射膜来增强太阳光的吸收，提高了太阳能电池的陷光效应。电池的表面采用热氧化工艺生成二氧化硅钝化层，降低了表面复合，提高了电池的开路电压。背面电极与硅片之间通过二氧化硅钝化层中的接触孔实现了局部性的背面点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，进一步降低了载流子在电极表面的复合速率，提高了电池的开路电压，也使得电池效率最高达到了23%。后来为了降低成本，已逐步采用n型直拉单晶硅材料作为衬底材料，太阳能电池效率也可达到19%以上。
5 HIT太阳能电池
HIT太阳能电池采用异质结结构[6]，结构的特色是在非晶硅和晶体硅之间夹有一层本征非晶硅层。结构的实现是基于三洋公司在制备高质量低损伤非晶硅薄膜和非晶硅太阳能电池时采用的等离子体薄膜沉积技术。
制作流程是首先进行硅片的清洗，接着用PECVD法形成非晶硅薄膜层，表面一侧形成i型非晶硅层以及p型非晶硅层，背面形成i型非晶硅层以及n型非晶硅层，再在两面形成的非晶硅层上沉积透明导电膜和金属电极，完成整个电池片的制作。
HIT太阳能电池的高效率，是由太阳能电池的短路电流、开路电压和填充因子优化得到的。使用优化的绒面增强对太阳光的俘获，采用高质量宽禁带宽度的合金窗口材料以减少窗口层的光吸收，开发具有高载流子迁移率的透明导电膜，优化电池的背面场设计，制备优良的栅线电极等都有利于获得高短路电流。在沉积非晶硅之前清洁晶体硅的表面，沉积高质量本征非晶硅薄膜实现对晶体硅表面缺陷的有效钝化，在非晶硅薄膜沉积过程中尽量减少对晶体硅表面的等离子体损伤，优化非晶硅与晶体硅之间界面的能带结构都有利于提高电池的开路电压。获得高的填充因子的方法是使用低电阻的电极材料，设计具有大的高宽比的栅线和高导电性的P型窗口层，还有就是减小透明导电膜的串联电阻。
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