带有本征薄层的异质结太阳能电池

带有本征薄层的异质结太阳能电池

刘艳红,刘爱民

(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116024)

摘要:带有本征薄层的异质结(HIT)太阳能电池制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好,是低价高效电池的一种。根据相关文献,遵循HIT电池发展的过程,从原理、结构、制备工艺等角度对其进行了深入分析,指出PEC VD技术在制备HIT电池中存在的问题,并对HWC VD 法制备高效HIT电池的前景进行了探讨,同时分析了a2Si∶H/Si界面钝化、双面异质结结构、表面织构及栅线的优化设计等技术手段对制备高效HIT电池的重要性。

关键词:HIT太阳能电池;PEC VD;HWC VD

中图分类号:T M914141 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2010)0120001207

H etero2Junction with I ntrinsic Thin2Layer Solar Cells

Liu Y anhong,Liu Aimin,

(School o f Physics and Optoelectronic Technology,Dalian Univer sity o f Technology,Dalian116024,China)

Abstract:Hetero2junction with intrinsic thin2layer(HIT)s olar cells explored by Sany o G roup is characterized by low processing tem perature,high efficiency and superiority of high2tem perature performances. The principle,structure and technology of HIT are analyzed.The instability of PEC VD,which is the key technology to deposit the a2Si∶H,is thought to limit the further im provement of HIT efficiency.Otherwise, the possibility of HWC VD for high2efficiency HIT is discussed.The interface passivation of a2Si∶H/Si, double hetero2junction structure,surface texture and optimization of grid are als o analyzed to be im portant for high2performance HIT s olar cell.

K ey w ords:HIT s olar cell;PEC VD;HWC VD

EEACC:2550

0　引言

能源危机下光伏产业发展迅速。光伏理论与技术的发展逐渐走向成熟,进一步推广光伏应用的关键是提高电池光电转换效率、降低电池成本。Si衬底上HIT电池是晶体Si上生长非晶Si薄层的异质结电池,具有工艺温度低、转换效率高、高温特性好的特点,是适合于大规模推广应用的低价高效电池之一。在日本Sany o公司得到大力发展。目前,其最高实验室效率为2310%(10014cm2),其中开路电压、短路电流及填充因子分别为01729V, 3915mA・cm-2和01800。1　H IT电池结构及其特性

Si衬底上HIT结构太阳能电池(hetero2junction with intrinsic thin2layer s olar cells)即带有薄本征层的异质结太阳能电池,以n型Si衬底为例,典型结构如图1所示,在n型Si衬底迎光面上先后是薄本征非晶Si层及p型非晶Si发射极层,形成带有薄本征非晶Si夹层的异质pn结;在背面,薄本征a2Si∶H及n型a2Si∶H层形成背表面场;在两面掺杂的非晶Si薄层上用溅射法沉积透明导电氧化物薄膜,最后用丝网印刷技术形成栅状金属电极。所有工艺温度低于200℃。上层的透明导电膜也作为抗反射涂层。抗反射涂层上的栅状电极间距为

趋势与展望

Outlook and Future

doi:1013969/j1issn110032353x120101011001

2mm ,比扩散法制备的体Si 电池要小,以补偿T C O 膜方块电阻较高的问题。它的厚度需要根据其

电阻率及透光率来进行优化。背面电极也是栅状的,这样的对称结构有助于降低整个器件热量及机械应力,还可以作为双面电池来用。对称结构和低温工艺有利于进一步降低电池厚度[1]

。

图1　HIT 电池结构示意图Fig 11　Schemitic of HIT s olar cell structure

HIT 电池突出的特点是:在获得异质pn 结的

同时,得到高质量的异质结界面;HIT 电池本质上是非晶Si/晶体Si 异质结电池,由于a 2S ∶H 的禁带宽度比c 2Si 更高,因此相比于体Si 电池,非晶Si/

晶体Si 电池应该具有较高的开路电压(V oc )。事实上单纯的a 2S ∶H/c 2Si 电池开路电压和填充因子都低于常规的体Si 电池。原因在于a 2Si/c 2Si 界面态密度高,异质结耗尽区中存在较高的复合电流。而插入高质量的薄本征非晶Si 层,极大地降低了界面态密度,降低了复合电流,从而增加了开路电压。另外掺杂a 2Si 中隙态密度达1018

cm

-3

,增加了

暗隧穿泄漏电流,本征a 2Si ∶H 层的隙态密度仅为1015～1016cm -3,能极大地抑制隧穿电流[2],从而

实现真正意义上的高开路电压Si 异质结电池。V oc 高是HIT 电池的一个特征,也是实际发电量较高的一个主要因素。

图2　开路电压与温度系数(αT )的关系

F ig 12　Related between tem perature coe fficience and open v oltage 开路电压高的电池还表现出更好的温度特性,见图2[3]。实际应用中决定输出功率最重要参数之

一是电池参数的温度特性,降低温度系数意味着在较高的工作温度下电池效率退化较小。对V oc 超过600mV 的HIT 电池,其温度系数为-0133%/℃,而传统体Si 扩散电池的温度系数为-0145%/℃。对V oc 超过710mV 的HIT 电池,其温度系数可以降低至-0125%/℃。

与体Si 电池扩散工艺相比,HIT 电池制备工艺具有的一个突出特点是温度低。目前比较成熟的非晶Si 沉积技术采用的是等离子体增强化学气相沉积(PEC VD )技术,工艺温度低于200℃,避免了晶体Si 衬底的退化,有利于得到突变的异质结,同时更加适用于超薄衬底上电池的制备。

2　H IT 电池发展

Sany o 公司1974年开始研究a 2Si 基太阳能电池

技术,在60mm ×90mm 上实现了10%的稳定效率,

基于此,他们发展了HIT 电池。HIT 电池源于1983年提出的非晶Si 有/晶体Si 堆垛电池结构设计。1990年Sany o 公司最早推出了HIT 结构电池,当时采用的薄本征层是微晶结构。1991年他们用未掺杂a 2Si ∶H 薄层代替未掺杂的μc 2Si 薄层,大大降低了界面态密度,提高了c 2Si 表面的钝化质量,同时将通过掺杂a 2Si ∶H 薄层的隧穿泄漏电流降低下来。1994年实验室效率达1817%(1cm 2,V oc :638m V ,I sc :3719m A/cm 2,FF :01755,η:1817%)。Sany o 公司

很快意识到这种简单的结构既能达到较高的效率又

很适合大规模生产,并把目标锁定在大规模生产技术的研发上。将HIT 结构成功地应用在电池背面做背表面场,结合表面清洁技术、表面织构技术及栅电极的优化,HIT 电池的实验室效率及组件效率逐渐提高。1997年第一批供货的产品效率就达到1713%。2003年在100cm 2面积上实现了2113%实验室效率(I sc :3816m A/cm 2,V oc :717m V ,FF :01770),这次效率的突破,Sany o 公司采取的措施包括改进工艺,减小表面复合,提高少子寿命,提高开路电压至710m V 以上;降低a 2Si 及T C O 的光吸收;降低栅线宽度,增加有效吸收面积;保持栅线的体积不变以避免电极电阻的增加[4]。当年200W 组件的模块效率平均达1915%。这在规模化生产中是相当高的。2004年12月,实验室效率2115%(10013cm 2,I sc :3813m A/cm 2,V oc :712m V ,FF :01787,AIST )[5]。所采用的技术包括:导电性更高的

刘艳红　等:带有本征薄层的异质结太阳能电池