HIT太阳能电池

高效HIT太阳能电池的发展现状

2013-5-27 13:17|发布者: 沈秋晨|查看: 1973|评论: 0|原作者: 乔秀梅，贾锐等|来自: Solarzoom

摘要: 摘要：带有本征薄层的异质结（Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm（HIT））太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池，与单晶、非晶硅太阳能电池相比，其具有低温工艺，高的稳定性等优点， ...

摘要：带有本征薄层的异质结（Heterojunctionwith Intrinsic Thinfilm （HIT））太阳能电池起源于Hamakawa等设计的a-Si/c-Si堆叠太阳能电池，与单晶、非晶硅太阳能电池相比，其具有低温工艺，高的稳定性等优点，具有广阔的发展前景。

本文介绍了HIT太阳能电池的基本结构和能带并对其特点进行了深入的分析，根据相关文献从清洗，透明导电氧化层（TCO）的制备，非晶硅层的制备，背表面场的制备等方面深入分析了HIT太阳能电池的技术发展状况，并以三洋公司为引线，简单介绍了HIT太阳能电池的产业发展现状。

关键词：HIT；太阳能电池；结构；特点；技术发展；产业发展

1HIT太阳能电池的结构及其特点

1.1HIT太阳能电池的结构

1.1.1基本结构

HIT电池的本质是异质结太阳能电池，A.I.Gubanov于1951年就已经提出了异质结的概念，并且进行了理论分析，但是由于当时制备异质结的工艺技术十分复杂和困难，所以异质结的样品迟迟没有制备成功。1960年Anderson成功的制备出高质量的异质结样品，还提出了十分详细的理论模型和能带结构图。带本征薄层异质结（HIT）太阳能电池是由MakotoTanaka和MikioTaguchi等人于1992年在三洋公司第一次制备成功。图1为常见的双面异质结电池的结构示意图，其特征是三明治结构，中间为衬底p(n)型晶体Si，光照侧是n(p)-i型a-Si膜，背面侧是i-p+(n+)型a-Si膜，在两侧的顶层溅射TCO膜，电极丝印在TCO膜上，构成具有对称型结构的HIT太阳电池。本征a-Si:H起到钝化晶体硅表面的缺陷的作用。最常见的是p型硅基异质结太阳能电池，其广泛应用于光伏产业，因为p型硅片是常见的光伏材料且以p型单晶硅为衬底的电池接触电阻较低，但是由于硼和间隙氧的存在，使得以p型单晶硅为衬底的太阳电池有较严重的光照衰减问题。且由于c-Si(p)/a-Si(i/p)界面氢化非晶硅价带带阶（0.45ev）要比导带带阶大（0.15ev），n型硅基比p型硅基更适合双面异质结太阳能电池。图2是异质结的能带图。对n型Si衬底HIT电池，前表面处较大的价带带阶形成少子空穴势阱，因势阱中空穴势垒较高，热发射概率小，从而有效地阻止了光生空穴的传输。在背面处，薄本征a-Si:H层以及n型a-Si:H层与n型c-Si形成有效

的背表面场（BSF），其价带处较大的带阶及较厚的本征层形成了空穴反射镜，而导带处较小的带阶差对电子的传输不构成阻碍。即a-Si:H(i/n)提供了完美的多子输运的背接触及少子反射的反射镜。对p型衬底HIT电池，前表面处导带带阶小，电子受到较小的阻碍，比在n型衬底结构中更容易被收集，所以内建电压比n型衬底的低很多。在背面处，导带带阶小，形成的反射镜作用弱得多。另外，价带处大的带阶，在很大程度上阻碍了多子的收集。可见，理论上从带阶的比较中可以看出n型衬底比p型衬底更适合双面异质结太阳能电池。同时，n型衬底电池克服了p型Si衬底上电池的光致衰退现象，而且n型Si材料中高效复合中心的密度远低于p型材料。尽管如此，目前许多研究者还着重研究p型硅衬底异质结太阳能电池，因为p型硅衬底的少子是电子，而在p型材料中电子具有更高的体扩散长度。美国的NREL长期致力于p型硅基异质结太阳能电池的研究，且中国科学院的研究组通过AFORS-HET模拟得到TCO的功函数是影响p型硅基双面异质结太阳能电池的关键因素。

1.1.2衍生结构

HIT太阳能电池结构简单，不需要通过复杂的工艺就可以获得高效率，通常一种工艺可实现多个功能，在a-Si/c-Si之间插入i-a-Si形成pn结的同时低温钝化硅表面，很大程度上减少了c-Si的表面复合。在电池背面用HIT结构钝化表面的同时可以形成背表面场，使得HIT电池有着对称结构，在一定程度上减少了电池的热应力和机械应力，允许薄硅片的使用，同时电池的背面可以利用地面的反射光产生电能。为了避免一般HIT电池的前TCO和a-Si:H发射层对光的吸收，一些科研人员于2007年提出IBC-SJ电池，这种电池的发射极和背接触以异质结的形式放在电池背面（图3），其效率到目前还很低（T.Desrues等人获得15.7%的效率），但是理论研究得到这种电池的效率可超过26%。法国的T.Desrues 等人在研究IBCSi-HJ电池时为了优化a-SI:H层材料提高表面钝化以减少阻抗损失制作了“倒置”Si-HJ电池（图4）。事实上，早在2006年Wünsch等人为了克服寄生吸收，第一次将异质结设计在电池背面。目前，德国的Martin等人设计的具有SHJ背发射极和扩散前表面场（FSF）的小面积n+np+n型硅太阳能电池（图5）已经获得20.6%的效率。

1.2HIT太阳能电池的特点

1.2.1低温工艺

在HIT太阳能电池生产过程中，所有的加工温度都低于250oC，避免了生产效率低而成本高的高温扩散制结的过程，而且低温环境使得a-Si薄膜的光学带隙、沉积速率、吸收系数以及氢含量得到较精确的控制。HIT太阳能电池要求本征非晶硅层有宽的光学带隙，而本征非晶硅薄膜的光学带隙随衬底的温度升高而降低（图6），同时当衬底温度较高时，将降低生长粒子SiH3的扩散能力，此时，非晶硅薄膜以SiH为主（SiH2+SiH4=SiH3+SiH3，SiH+SiH4=SiH2+SiH3，

Si+SiH4=SiH+SiH3），同时留下大量的悬挂键，形成大量悬挂键缺陷态密度（图7），当温度较低时生长粒子SiH3具有较低的表面活性能，不容易找到能量最低的位置成键而结晶，此时，表面氢以稳定的速率析出，而悬挂键的复合速率很小，从而导致悬挂键缺陷态密度的增加（图7）。同时过低的衬底温度会使非晶硅薄