引言

硅仍然是光伏的首選材料，因為它豐富、無毒、電池效率高且穩(wěn)定、生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施成熟，而且硅器件的技術(shù)水平深厚且廣泛。模塊價格的快速下降意味著與面積相關(guān)的系統(tǒng)成本平衡在光伏系統(tǒng)價格中所占比例越來越大。這使得高效電池更受重視。近年來，在高質(zhì)量晶片的大規(guī)模生產(chǎn)、處理薄晶片的能力、保持高少數(shù)載流子壽命、表面鈍化、光學(xué)損耗最小化、器件特性以及其他領(lǐng)域都有了很大的改進(jìn)。其中許多改進(jìn)在大規(guī)模生產(chǎn)中是可行的。硅太陽能電池效率上限為29%，大大高于最好的實驗室(25%) [1]和大面積商用(24%) [2，3]電池。在實驗室和商業(yè)環(huán)境中，電池效率高于25%似乎是可行的。由于薄襯底與非常高的少數(shù)載流子壽命的結(jié)合，這種電池將具有最小的體復(fù)合；極好的表面鈍化；符合低接觸復(fù)合、自由載流子吸收和接觸電阻的小面積電接觸；通過使用紋理、防反射涂層和后表面反射器，實現(xiàn)出色的光學(xué)控制；通過使用更薄的晶片、更大的電池和邊緣鈍化來輔助低邊緣復(fù)合；和足夠的金屬覆蓋以最小化電阻損耗。本文將概述目前在高性能硅太陽能電池設(shè)計和制造方面的工作，并討論提高效率的方法。

介紹

成千上萬的研究人員和公司在晶體硅領(lǐng)域工作，將他們的能力投入到晶體硅材料、電池和模塊的制造中。迅速出現(xiàn)的問題和機會引起了許多技術(shù)人員和公司的注意，從而產(chǎn)生了商業(yè)解決方案。公司迅速創(chuàng)新，創(chuàng)造出可以在商業(yè)環(huán)境中實施實驗室改進(jìn)的機器。幾十年來，滿足認(rèn)證要求的晶體硅光伏模塊被廣泛認(rèn)為性能符合預(yù)期。他們的失敗模式是很好理解和可以避免的。晶體硅模塊具有比市場上任何非集中模塊高得多的效率，這降低了系統(tǒng)組件的面積相關(guān)平衡的成本。隨著模塊成本的下降，后者成為光伏發(fā)電的主要成本。這些屬性在競爭材料中的共享程度不同。

在主導(dǎo)技術(shù)具有許多有利屬性的情況下很難改變，晶體硅就是這種情況。許多分析師預(yù)計，晶體硅技術(shù)過去和現(xiàn)在對光伏市場的主導(dǎo)將持續(xù)到無限的未來。

晶體硅太陽能電池在非聚集陽光下的理論極限效率約為29%。對于任何單結(jié)太陽能電池來說，這都不會遠(yuǎn)低于理論極限。最大效率的計算假設(shè)零反射損耗、朗伯光俘獲、零電阻損耗、零表面復(fù)合和僅由俄歇和輻射模式產(chǎn)生的體積復(fù)合。串聯(lián)太陽能電池和其他理論概念可能有更高的效率。在集中陽光照射下，最好的ⅲ-ⅴ串聯(lián)電池達(dá)到44%(NREL報道的太陽能結(jié))。然而，單位面積的成本比晶體硅電池高幾個數(shù)量級。目前最好的實驗室和商用硅太陽能電池在非集中日光下達(dá)到24-25%的效率，約為理論極限的85%。

開發(fā)更高電池效率的主要商業(yè)動機是降低面積相關(guān)成本。這些包括模塊材料(硅、電池制造、電池互連、玻璃、陶瓷、背板、框架)和系統(tǒng)成本(運輸、圍欄、土地準(zhǔn)備、支撐結(jié)構(gòu)、模塊安裝、布線)。次要動機包括從建筑物屋頂?shù)刃^(qū)域獲得更大的功率輸出，以及從高開路電壓電池獲得降低的效率溫度系數(shù)。鑒于上文總結(jié)的晶體硅的誘人屬性，提高效率的兩個預(yù)期途徑是改進(jìn)電池設(shè)計和制造，以及基于硅的串聯(lián)電池。

圖1.最佳研究單元效率

實驗

來自UNSW的MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)金屬接觸設(shè)計允許引入電池頂面的氧化物鈍化。氧化物鈍化足夠薄，使得金屬觸點和硅之間的電子量子機械隧穿成為可能。在遠(yuǎn)離金屬接觸的區(qū)域中，通過應(yīng)用帶有俘獲正電荷的一氧化硅抗反射涂層來保持反型層。這避免了對磷擴(kuò)散的需要，盡管是以需要緊密間隔的金屬接觸的高有效發(fā)射極薄層電阻為代價的。另一個問題是隨著時間的推移，捕獲的正電荷被靜電中和。光磷發(fā)射器擴(kuò)散的加入消除了這些問題。實現(xiàn)了18-19%范圍內(nèi)的效率，提高了650-670毫伏的Voc以及35-36毫安/平方厘米的Jsc和81%的填充系數(shù)[5]。

高質(zhì)量熱氧化物中的孔，允許硅金屬之間的電通信，同時最小化接觸復(fù)合[6]。熱氧化物最小化了沿向陽表面的金屬觸點之間的復(fù)合。后表面覆蓋有鋁合金，其重要作用是在向陽表面熱氧化期間提供優(yōu)異的吸氣性能。缺乏有效的爐膛清潔技術(shù)使得這一點至關(guān)重要。光捕獲和反射控制由表面特征提供，包括微凹槽和微倒金字塔，同時引入雙層抗反射涂層(硫化鋅/氟化鎂)。效率在20-21%之間，Voc為660-670毫伏，Jsc為37-38毫安/平方厘米，填充系數(shù)為8283%。

少數(shù)載流子擴(kuò)散長度與晶片厚度相似。鋁合金后表面的吸雜優(yōu)勢超過了合金區(qū)域內(nèi)相對較高的復(fù)合和光吸收率。氧化物鈍化和光發(fā)射器磷摻雜導(dǎo)致良好的藍(lán)色響應(yīng)和可信的開路電壓。金屬指包括蒸發(fā)的鈦/鈀觸點，隨后是銀電鍍。電池的面積通常為4 cm2，這避免了與大電池相關(guān)的串聯(lián)電阻損失的增加。在測量之前，它們不是從主晶片上切下來的，而是用孔眼掩模來測量電流。這避免了與切割邊緣相關(guān)的高復(fù)合。較大的電池具有較小的周長與面積比，并且較少受到與主晶片分離的影響，但代價是增加了串聯(lián)電阻。

假設(shè)抑制了所有損耗，圖10顯示了有效可用電流密度與電池寬度的函數(shù)關(guān)系。背接觸太陽能電池的典型厚度為120微米，這必然會導(dǎo)致潛在電流的損失，該損失等于通過去除前金屬接觸所獲得的增益(0.8毫安/平方厘米)?？梢栽诳狗瓷渫繉拥馁|(zhì)量上獲得小的增益，但是由自由載流子吸收和不充分的光捕獲引起的可避免的損失非常小。結(jié)論是，在優(yōu)化的背接觸或雙面接觸太陽能電池中，利用當(dāng)前技術(shù)實際上可以實現(xiàn)略大于43 mA/cm2的電流密度。

結(jié)論：

使用背接觸太陽能電池中的當(dāng)前工藝技術(shù)，在論文(上文)中討論的參數(shù)實際上是可以實現(xiàn)的。背接觸設(shè)計的主要優(yōu)點是降低了電阻損耗。高于720毫伏(35法/平方厘米)的開路電壓兼容26%的效率。考慮到陽光電源、三洋和其他公司的進(jìn)步，實現(xiàn)這種效率的過程要求很可能在商業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)，盡管會有成本溢價。總之，未來幾年，實驗室和商業(yè)效率可能會提高到26-27%。

審核編輯：符乾江