太阳能电池的开发

    阳能电池是一种有效地稀收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件.下面介绍北京太阳能光电研究中心对太阳能电池的研究情况.晶体硅高效太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池的研究开发以及研究成果向产业化转化.
    1.高效晶体硅太阳电池
    光电中心高效晶体硅太阳电池研究开发项目有钝化发射区太阳电池(PESC)、埋栅太阳电池(BCSC)及多晶硅太阳电池.
    ●钝化发射区太阳电池(PESC)光电中心研究钝化发射区太阳电池(PESC)的基本目的是探索影响电池效率的各种机制,为降低太阳电池成本提供理论和工艺依据,推动太阳电池理论的发展.实验中采用的材料为区熔(FZ)、p-型(掺硼)[100]单晶硅,电阻率ρ=0.2～1.2Ωcm,厚度t=280-350μm,双面抛光.电池工艺包括正面倒金字塔织构化、前后表面钝化、制备选择性发射区、减反射表面、背场、前后金属接触等.目前电池达到的水平见表1.
    表1 PESC电池的性能(测试条件AM1.5,25℃)
    Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 测试单位
    656.1 37.4 0.806 19.79 4.04 北京市太阳能研究所
    * VOC 开路电压,JSC 短路电流密度,FF 填充因子,
    η 转换效率,A 太阳电池面积(下同)
    ●埋栅太阳电池(BCSC)埋栅电池的制作工艺省去了复杂的多次光刻和蒸发电极步骤,减少了高温氧化次数,使整个电池制作工艺大大简化;埋栅不仅减小了电极阴影面积,还可减小欧姆接触电阻,是一种可实现产业化的高效电池技术.实验中使用的材料分别为:①区熔(FZ)、p-型(掺硼)[100]单晶硅,厚度t=300-400μm;②直拉(CZ)、p-型(掺硼)[100]单晶硅,厚度t=300-400μm;③太阳级(复拉)、p-型p[100]单晶硅,厚度t=300-400μm.电池的工艺包括表面织构化、钝化,制备选择性发射区、减反射表面、背表面场和金属化等.目前电池所达到的水平见表2.
    表2 不同材料的BCSC电池的性能(测试条件:AM1.5,25℃)
    材料(刻槽) Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF(%) η(%) A(cm2) ρ(Ω.cm) 测试单位
    FZ(激光) 663.8 35.6 80.58 18.6 25 0.2 A
    FZ(机械) 621.9 37.0 80.02 18.47 4 0.5 B
    CZ(激光) 622.9 35.2 79.27 17.22 25 0.8 B
    太阳级 (激光) 624.1 35.4 75.44 16.59 25 0.4 B
    * A:美国国家可再生能源实验室,
    B:北京市太阳能研究所
    ●多晶硅太阳电池在PESC电池和BCSC电池的基础上,光电中心开展了多晶硅太阳电池的研究,以适应我国未来多晶硅太阳电池发展的需要.实验中使用的材料为Bayer公司p-型多晶硅片,厚340μm,电池制作工艺过程包括吸杂、制备p-n结、钝化、形成背场和金属化等.实验制备的最好电池的特性见表3.
    表3 PESC电池的性能(测试条件:AM1.5,25℃)
    Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 测试单位
    595.0 34.23 0.7129 14.53 1.0 北京市太阳能研究所
    581.0 29.92 0.6787 11.8 10×10 (与北京有色金属研究总院合作项目)
    2.多晶硅薄膜太阳电池
    多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点,又有大幅度减少材料用量从而大幅度降低成本的潜力,因而成为目前光伏界的研究热点.
    光电中心采用快速热化学气相沉积(RTCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和a-Si/μc-Si迭层电池等不同工艺对多晶硅薄膜太阳电池进行了研究.RTCVD多晶硅薄膜SiH2Cl2或SiCl4为原料气体在石英管反应室内沉积而成.研究工作初期,以重掺杂非活性硅为衬底,电池性能列于表4.
    图1 RTCVD多晶硅薄膜太阳电池的结构
    PECVD多晶硅薄膜太阳电池的结构为:(Al/Ag)/ITO/p-a-Si:H/n-a-Si:H/n-poly-Si/n++非活性Si衬底(0.005Ωcm)/Ti-Pd-Ag.
    其中n型Poly-Si薄膜(～10μm)采用快速PECVD和固相晶化法制备.电池的性能列于表4.
    a-Si/μc-Si迭层电池(与中国科学院半导体研究所合作)结构为:玻璃/SnO2膜/p-i-n a-Si:H电池炖p-i-n μc-Si:H电池炖Al.电池的性能列于表4.
    表4 多晶硅薄膜太阳电池的性能(测试条件:AM1.5,25℃)
    Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF η(%) A(cm2) 电池工艺
    625.64 26.3 0.7357 12.11 1.0 RTCVD
    455.0 21.18 0.6474 6.15 1.0 PECVD
    1160 11.4 0.6740 8.91 0.126 RECVD(a-Si/pc-si)
    3.太阳电池性能测试
    中心已建立太阳电池和材料测试实验室,购置了必要设备.这些设备包括I-V测试系统,光谱响应测试系统,C-V测试系统,原子力显微镜,膜厚测试系统,保证了研究开发工作的需要.