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外延薄膜硅太陽能電池的研究分析

发布时间:2019-11-09 06:10:30

外延薄膜硅太阳能电池的研究分析

第一种技术是制作外延(epitaxial)薄膜太阳能电池,从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始,然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层除成本和可用性等优势以外,这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程,与其它的薄膜技术相比,这种技术更容易在现有工艺线上实现

第二种是基于层转移(layer transfer)的薄膜太阳能电池技术,它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层,从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来这种技术的思路是多次重复利用母衬底,从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜,并尝试无支撑薄膜工艺的可能性

最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池,即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上,比如陶瓷(图2)或高温玻璃等晶粒尺寸在mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择我们已经证实,利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm的很薄的多晶硅层接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术,将种子层外延生长成几微米厚的吸收层,衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷选择热CVD是因为它的生长速率高,而且可以获得高质量的晶体然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟,但已经表现出使成本降低的巨大潜力

采用薄膜PV技术已经能够提高太阳能电池的效率或简化其工艺,并将降低其成本但目前还没有人能够同时将这两方面结合起来然而,最近的一些研究结果已经在正确的方向上又前进了必要的一步

外延电池的改进

外延薄膜硅太阳能电池的效率不算太高(半工业化丝印刷技术制作的电池约为12%),这限制了光伏业界对这种电池类型的关注程度它可以获得与体硅太阳能电池相当的开路电压和填充因子(单晶硅太阳能电池为±77.8%)然而,短路电流(Jsc )受限于薄的光学有源层(

多晶硅薄膜的改进

对于另一种类型的太阳能电池,也就是基于铝诱导晶化的多晶薄膜太阳能电池,我们最近获得了创纪录的7%的效率该电池制作在高温衬底上,使用基于铝诱导晶化非晶硅的种子层,在1130℃下将种子层外延增厚成吸收层需要指出的是,在这种工艺中硅不需要重新熔化而在陶瓷衬底上将硅重新熔化

获得多晶硅太阳能电池的另一种方法然而,这种方法需要极高的温度(超过1400℃),这就要求衬底具有非常好的热稳定性,而且被污染的风险也很大取得这些成绩的关键在于专门设计并实现的电池接触,并结合以等离子体粗糙处理的表面

大多数适用于多晶硅太阳能电池的高温衬底都是绝缘体,所以必须开发新的金属接触方案以避免使用背接触考虑到制造模块的低成本性,最方便的方法是将电池的互连工艺集成到电池制作过程中我们采用的是将电池互连与电池接触相结合的单模块工艺所有的接触都制作在电池顶部的叉指状图案中可以使用不同的工艺序列来获得这种新颖的接触结构目前使用的是一种简单的两步实验室工艺,将光刻与金属蒸发结合起来而在大规模生产中,金属化可以通过单步工艺来实现,比如利用掩膜来进行丝印刷或蒸发

这种专门设计的接触结构被应用到有源层面积为1 cm2的电池中,并与带有外围基极接触的电池进行比较两种接触类型的开路电压(Voc)基本相当,但是叉指状接触的电池在短路电流(Jsc)和填充因子方面的表现要好得多根据晶粒尺寸和层厚的不同,电池效率可以达到5.6%3

为了进一步提高电流密度,进而提高电池的效率,我们使用等离子体粗糙处理来实现新型的电池概念迄今为止,在多晶硅太阳能电池的衬底结构中,衬底都用作背反射器通过对电池前表面进行粗糙处理,可以降低电池的前反射率,并更好地将光耦合到电池中,从而能够更有效地俘获光子等离子体粗糙处理是通过使用氟基化学物质在一个反应器中来完成的结果表明,电流密度增加了约15%(在氧化铝衬底上得到这一结果)增大的电流密度将电池的效率推进到创纪录的7%

然而,虽然所获得的Voc (506 mV)和填充因子(71%)可谓达到了目前最好的工艺水平,但是电流密度(19.7 mA/cm2)和电池效率对于商业化而言仍然太低通过优化等离子体粗糙处理工艺并降低电池背面场层的厚度,我们希望在不久的将来获得远超过7.0%的效率

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