單晶電池簡史

:近年來，能源危機(jī)與環(huán)境壓力促進(jìn)了太陽電池研究和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。目前，晶體硅太陽電池是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽電池，在光伏市場中的比例超過90%，并且在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)都將占據(jù)主導(dǎo)地位［1-2］。其中，單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)完美，禁帶寬度僅為1．12eV，自然界中的原材料豐富，特別是N型單晶硅具有雜質(zhì)少、純度高、少子壽命高、無晶界位錯(cuò)缺陷以及電阻率容易控制等優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)高效率太陽電池的理想材料［1-2］。

如何提高轉(zhuǎn)換效率是太陽電池研究的核心問題。1954年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室首次制備出效率為6%的單晶硅太陽電池［3］。此后，全世界的研究機(jī)構(gòu)開始探索新的材料、技術(shù)與器件結(jié)構(gòu)。1999年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)宣布單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了24．7%［4］，2009年太陽光譜修正后達(dá)到25%［5］，成為單晶硅太陽電池研究中的里程碑。新南威爾士大學(xué)取得的25%的轉(zhuǎn)換效率記錄保持了十五年之久，直到2014年日本Panasonic公司和美國SunPower公司相繼報(bào)道了25．6%［6］和25．2%［7］的效率。此后，日本Kaneka公司［9，14-15］、德國Fraunhofer研究中心［10-11］、德國哈梅林太陽能研究所［12-13］等陸續(xù)報(bào)道了效率超過25%的單晶硅太陽電池，具體參數(shù)如表1所示。

1單晶硅太陽電池的理論效率

對于同質(zhì)結(jié)單晶硅太陽電池，2004年，Shockley和Queisser理論上計(jì)算的單晶硅太陽電池極限效率達(dá)33%，也稱之為Shockley-Queisser(SQ)效率［16］，但是該效率僅僅考慮了輻射復(fù)合，忽略了非輻射復(fù)合與本征吸收損失(例如俄歇復(fù)合與寄生吸收等)［17］。2013年，Richter等提出一種新穎且精確的計(jì)算單晶硅太陽電池的極限效率的方法，考慮了新標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜、硅片光學(xué)性能、自由載流子吸收參數(shù)以及載流子復(fù)合與帶隙變窄的影響，當(dāng)硅片厚度為110μm時(shí)，單晶硅太陽電池理論效率為29．43%［17］。硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池的模擬指出，最佳背場結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)提高其Voc與Jsc，以及硅片厚度對電池性能的意義，對稱結(jié)構(gòu)的SHJ電池的理論極限效率為27．02%［18］。2013年，Wen等分析得出，界面態(tài)缺陷、帶隙補(bǔ)償與透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的功函數(shù)都會(huì)影響a-Si∶H(p)/n-CzSi的界面?zhèn)鬏斝阅?，并由此模擬出27．37%的理論極限效率［19］。2015年，劉劍等進(jìn)一步提出了合適的a-Si∶H的厚度、摻雜濃度與背場結(jié)構(gòu)都會(huì)改善a-Si∶H/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的載流子轉(zhuǎn)移性能，模擬出理論極限效率為27．07%［20］。上述的研究都認(rèn)為，最佳的背場能夠改善載流子的輸運(yùn)，降低載流子在PN結(jié)中的損失，并指出載流子遷移性能是提高SHJ電池轉(zhuǎn)化效率的重要條件［18-20］。

對于新型的無摻雜硅異質(zhì)結(jié)電池，2014年，Islam等采用金屬氧化物作為新型載流子選擇性鈍化接觸層，降低了載流子在“PN結(jié)”中的損失，同時(shí)改善了與金屬接觸的電壓降損失，模擬計(jì)算的極限效率達(dá)到27．98%［21］。表2總結(jié)了理想情況下單晶硅太陽電池的理論極限效率。

2高效單晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析

MartinGreen分析了造成電池效率損失的原因，包括如圖1所示的五個(gè)可能途徑［1，22］:(1)能量小于電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，會(huì)直接穿透出去。

(2)能量大于電池吸收層禁帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴對分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，多余的能量以聲子形式放出，高能態(tài)的電子-空穴又回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，導(dǎo)致能量的損失。(3)光生載流子的電荷分離和輸運(yùn)，在PN結(jié)內(nèi)的損失。(4)半導(dǎo)體材料與金屬電極接觸處引起電壓降損失。(5)光生載流子輸運(yùn)過程中由于材料缺陷等導(dǎo)致的復(fù)合損失。

以上各種能量損失的途徑可概括為光學(xué)損失(包括(1)、(2)和(3))和電學(xué)損失(包括(3)、(4)和(5))。為了提高太陽電池效率，需要同時(shí)降低光學(xué)損失和電學(xué)損失。降低光學(xué)損失的有效措施包括前表面低折射率的減反射膜、前表面絨面結(jié)構(gòu)、背部高反射等陷光結(jié)構(gòu)及技術(shù)，而前表面無金屬電極遮擋的全背接觸技術(shù)則可以最大限度地提高入射光的利用率。減少電學(xué)損失則需要從提高硅片質(zhì)量、改善PN結(jié)形成技術(shù)(如離子注入等)、新型鈍化材料與技術(shù)(如TOPCon、POLO等)、金屬接觸技術(shù)等方面入手［1］。針對如何降低光學(xué)損失和電學(xué)損失的問題，人們提出了多種結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池，目前轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池主要包括以下六種。

2．1鈍化發(fā)射極背場點(diǎn)接觸(PEＲC)電池家族

新南威爾士大學(xué)(UNSW)MartinGreen領(lǐng)導(dǎo)的小組提出PERC結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池，在P型FZ硅片上實(shí)現(xiàn)了22．8%的高轉(zhuǎn)換效率［23］，其基本結(jié)構(gòu)如圖2a所示。1999年，UNSW的該團(tuán)隊(duì)再次宣布其PEＲL太陽電池(如圖2b所示)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到24．7%［4-5］。與傳統(tǒng)的單晶硅太陽電池相比，PEＲL太陽電池的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢包括:(1)氧化硅作為PEＲL太陽電池背表面的鈍化層，界面的復(fù)合速率顯著降低。(2)背金屬電極通過小孔接觸到重?fù)诫s的發(fā)射極，這種結(jié)構(gòu)能夠形成良好的歐姆接觸，從而降低電阻損失［4］。(3)倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作為雙減反層減少了光的反射，兩者共同顯著提高了太陽電池的短路電流［23］。為了解決背部接觸不足帶來的等效串阻增大等問題，他們將整個(gè)硅片背面先采用輕硼摻雜，而后再采用定域重硼摻雜制備金屬接觸區(qū)，從而形成PERT電池，其結(jié)構(gòu)如圖2c所示。它可以實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)和低背表面復(fù)合速率，改善了開路電壓和填充因子，在4cm2的P型MCZ硅片上取得24．5%的高效率［25］。而PEＲC太陽電池結(jié)構(gòu)如圖2a所示，它具有背表面鈍化優(yōu)異與其制備技術(shù)的優(yōu)勢，近年來得到產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，成為產(chǎn)業(yè)界下一代高效率高端電池產(chǎn)品。

FraunhoferISE采用一種無光刻、加工速度快、適用各種不同硅襯底的技術(shù)，獲得的PEＲC電池效率超過21%，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景［27］。2017年，隆基樂葉和晶科兩家公司分別報(bào)道了效率達(dá)到23．26%［28］和23．45%［29］的單晶硅PERC電池。2018年，他們又先后報(bào)道了效率為23．6%和23．95%的電池［30］，成為光伏行業(yè)的里程碑。在PEＲC電池的制備工藝中，背部電極的設(shè)計(jì)和金屬電極與硅基底之間形成良好的歐姆接觸是兩個(gè)關(guān)鍵的步驟［1-2］。目前實(shí)現(xiàn)金屬電極與硅基底的歐姆接觸技術(shù)越來越成熟，在生產(chǎn)線上已經(jīng)得到普遍的運(yùn)用。

原標(biāo)題:單晶電池簡史