外延薄膜硅太陽(yáng)能電池的研究分析

第一種技術(shù)是制作外延(epitaxial)薄膜太陽(yáng)能電池，從高摻雜的晶體硅片(例如優(yōu)級冶金硅或廢料)開(kāi)始，然后利用化學(xué)氣相淀積(CVD)方法來(lái)淀積外延層。除成本和可用性等優(yōu)勢以外，這種方法還可以使硅太陽(yáng)能電池從基于硅片的技術(shù)逐漸過(guò)渡到薄膜技術(shù)。由于具有與傳統體硅工藝類(lèi)似的工藝過(guò)程，與其它的薄膜技術(shù)相比，這種技術(shù)更容易在現有工藝線(xiàn)上實(shí)現。

第二種是基于層轉移(layer transfer)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，它在多孔硅薄膜上外延淀積單晶硅層，從而可以在工藝中的某一點(diǎn)將單晶硅層從襯底上分離下來(lái)。這種技術(shù)的思路是多次重復利用母襯底，從而使每個(gè)太陽(yáng)能電池的最終硅片成本很低。正在研究中的一種有趣的選擇方案是在外延之前就分離出多孔硅薄膜，并嘗試無(wú)支撐薄膜工藝的可能性。

最后一種是薄膜多晶硅太陽(yáng)能電池，即將一層厚度只有幾微米的晶體硅淀積在便宜的異質(zhì)襯底上，比如陶瓷(圖2)或高溫玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之間的多晶硅薄膜是一種很好的選擇。我們已經(jīng)證實(shí)，利用非晶硅的鋁誘導晶化可以獲得高質(zhì)量的多晶硅太陽(yáng)能電池。這種工藝可以獲得平均晶粒尺寸約為5 mm的很薄的多晶硅層。接著(zhù)利用生長(cháng)速率超過(guò)1 mm/min的高溫CVD技術(shù)，將種子層外延生長(cháng)成幾微米厚的吸收層，襯底為陶瓷氧化鋁或玻璃陶瓷。選擇熱CVD是因為它的生長(cháng)速率高，而且可以獲得高質(zhì)量的晶體。然而這樣的選擇卻限定了只能使用陶瓷等耐熱襯底材料。這項技術(shù)還不像其它薄膜技術(shù)那樣成熟，但已經(jīng)表現出使成本降低的巨大潛力。

采用薄膜PV技術(shù)已經(jīng)能夠提高太陽(yáng)能電池的效率或簡(jiǎn)化其工藝，并將降低其成本。但目前還沒(méi)有人能夠同時(shí)將這兩方面結合起來(lái)。然而，最近的一些研究結果已經(jīng)在正確的方向上又前進(jìn)了必要的一步。

外延電池的改進(jìn)

外延薄膜硅太陽(yáng)能電池的效率不算太高(半工業(yè)化絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作的電池約為12%)，這限制了光伏業(yè)界對這種電池類(lèi)型的關(guān)注程度。它可以獲得與體硅太陽(yáng)能電池相當的開(kāi)路電壓和填充因子(單晶硅太陽(yáng)能電池為±77.8%)。然而，短路電流(Jsc )受限于薄的光學(xué)有源層(20mm)。穿透外延層的光會(huì )被高摻雜、低質(zhì)量的襯底收集而損失掉。因此，這兩種太陽(yáng)能電池技術(shù)之間的短路電流相差7 mA/cm2并不少見(jiàn)。體硅太陽(yáng)能電池的Jsc典型值約為33 mA/cm2，而外延薄膜電池的平均值約為26 mA/cm2。

然而，兩項獨立的電池級開(kāi)發(fā)成果已經(jīng)使這種狀況有所改善2。通過(guò)增大薄的有源層內的光程長(cháng)度，我們報導的絲網(wǎng)印刷外延電池的Jsc達到30 mA/cm2，效率達到13.8%。

對這些結果有貢獻的第一項改進(jìn)是采用氟基等離子體粗糙處理得到的表面光散射(圖3)。理想情況下，這種經(jīng)過(guò)粗糙處理的有源層表面會(huì )使光100%地漫射 (即Lambertian折射器)。這使得光子能夠以60°的平均角穿過(guò)有源層，使光程長(cháng)度增大為原來(lái)的2倍。換而言之，使20 mm薄層的光學(xué)表現相當于40mm厚的有源層。我們發(fā)現，通過(guò)去除僅僅1.75 mm的硅就可以獲得這種全光散射。等離子體粗糙處理的優(yōu)點(diǎn)很多，包括更低的反射(從粗糙處理之前的35%下降到10%)、斜入射光耦合和更低的接觸電阻 (因為硅襯底和銀電極之間的接觸面積更大)。我們觀(guān)察到1.0-1.5的Jsc絕對增長(cháng)，而效率增加0.5-1.0%。

第二項改進(jìn)是通過(guò)引入多孔硅布拉格反射器來(lái)進(jìn)行內部光捕獲。為了降低長(cháng)波長(cháng)的光進(jìn)入到襯底的透射，在襯底和外延層之間的界面上放置一個(gè)中間反射器。這樣一來(lái)，到達該界面的光子就會(huì )被反射而第二次穿過(guò)有源層。由于光在進(jìn)入電池的瞬間就開(kāi)始漫射(這是由等離體粗糙處理的Lambertian特性所決定的)，很大比例的光子會(huì )以大于逃逸角的角度打在前表面上。因此，大部分的光子會(huì )再次向內反射而第三次穿過(guò)有源層。這種情況不斷地重復，使得光子有可能多次穿越外延層。

在實(shí)踐中，這種反射器是通過(guò)電化學(xué)生長(cháng)孔隙率高低交替變化的多孔硅疊層(多重布拉格反射器)來(lái)制作的。

延生長(cháng)有源層的過(guò)程中，多孔硅疊層自動(dòng)轉變成包含不同尺寸大小的孔洞的交替層(圖4)。這種結構已經(jīng)被證明是一種理想的基于構造干涉的反射器。對于一個(gè) 15層的多孔硅疊層，計算表明光程長(cháng)度增大為原來(lái)的14倍。也就是說(shuō)，15 mm薄層的光學(xué)表現相當于厚度為210mm的硅層。

為了驗證這兩種改進(jìn)方法的有效性，在三種不同的載體襯底上制作表面積為18 cm2的外延電池。在作為驗證概念的單晶硅襯底上，電池的效率提高到13.8%，填充因子達到77.8%，這表明使用重組織多孔硅疊層不存在電導問(wèn)題。而在低質(zhì)量的硅襯底上獲得的實(shí)驗結果略低，效率是13.5%，填充因子為77.7%。對于多孔硅而言，在多晶襯底上生長(cháng)的外延層質(zhì)量較差，這個(gè)事實(shí)可以解釋性能下降的原因。目前正在優(yōu)化工藝，在不久的將來(lái)有望獲得更高效率的增益。

多晶硅薄膜的改進(jìn)

對于另一種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池，也就是基于鋁誘導晶化的多晶薄膜太陽(yáng)能電池，我們最近獲得了創(chuàng )紀錄的7%的效率。該電池制作在高溫襯底上，使用基于鋁誘導晶化非晶硅的種子層，在1130℃下將種子層外延增厚成吸收層。需要指出的是，在這種工藝中硅不需要重新熔化。而在陶瓷襯底上將硅重新熔化。獲得多晶硅太陽(yáng)能電池的另一種方法。然而，這種方法需要極高的溫度(超過(guò)1400℃)，這就要求襯底具有非常好的熱穩定性，而且被污染的風(fēng)險也很大。取得這些成績(jì)的關(guān)鍵在于專(zhuān)門(mén)設計并實(shí)現的電池接觸，并結合以等離子體粗糙處理的表面。

大多數適用于多晶硅太陽(yáng)能電池的高溫襯底都是絕緣體，所以必須開(kāi)發(fā)新的金屬接觸方案以避免使用背接觸?？紤]到制造模塊的低成本性，最方便的方法是將電池的互連工藝集成到電池制作過(guò)程中。我們采用的是將電池互連與電池接觸相結合的單模塊工藝。所有的接觸都制作在電池頂部的叉指狀圖案中?？梢允褂貌煌墓に囆蛄衼?lái)獲得這種新穎的接觸結構。目前使用的是一種簡(jiǎn)單的兩步實(shí)驗室工藝，將光刻與金屬蒸發(fā)結合起來(lái)。而在大規模生產(chǎn)中，金屬化可以通過(guò)單步工藝來(lái)實(shí)現，比如利用掩膜來(lái)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷或蒸發(fā)。

這種專(zhuān)門(mén)設計的接觸結構被應用到有源層面積為1 cm2的電池中，并與帶有外圍基極接觸的電池進(jìn)行比較。兩種接觸類(lèi)型的開(kāi)路電壓(Voc)基本相當，但是叉指狀接觸的電池在短路電流(Jsc