摘 要：晶體硅太陽能電池占據(jù)了光伏市場(chǎng)的主要份額，在產(chǎn)業(yè)化的道路上一直追求高效低成本。晶體硅太陽能電池的性能與其結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，文章介紹了幾種高效晶體硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)，分析了其結(jié)構(gòu)特征和性能參數(shù)。

關(guān)鍵詞：晶體硅太陽能電池；高效；電池結(jié)構(gòu)

晶體硅太陽能電池要獲得大面積推廣，關(guān)鍵在于如何降低成本和提高轉(zhuǎn)換效率。降低成本主要是降低原材料成本特別是硅片成本。設(shè)計(jì)高效的太陽能電池結(jié)構(gòu)，不僅能提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，也在一定程度上能降低成本。文章對(duì)幾種高效晶體硅太陽能電池逐一作介紹。

1 PESC太陽能電池

鈍化發(fā)射極太陽能電池（Passivated-Emitter Solar Cell，PESC）是第一個(gè)轉(zhuǎn)換效率超過20%的晶體硅太陽能電池[1]。PESC太陽能電池效率的提升得益于微型槽技術(shù)，也就是選擇性刻蝕暴露晶面的表面紋理技術(shù)。微型槽能夠減少光線在電池表面的反射；垂直光線首先到達(dá)微型槽表面，經(jīng)表面折射后以41°角進(jìn)入硅片內(nèi)部，使光生載流子更接近太陽能電池的發(fā)射結(jié)，因而提高了光生載流子的收集效率，還使得發(fā)射極橫向電阻降低了3倍，降低發(fā)射結(jié)電阻可提高電池的填充因子。

PESC太陽能電池的主要特征是表面氧化層鈍化技術(shù)。經(jīng)磷擴(kuò)散制得發(fā)射結(jié)后，在太陽能電池背面沉積上一層鋁并使Al和硅形成合金制得Al背場(chǎng)，Al背場(chǎng)既可以起到吸雜的作用，又在電池背面建立起一個(gè)電場(chǎng)，阻止載流子向背面遷移，降低了背表面的復(fù)合。接著采用氧化工藝在表面生長(zhǎng)一層二氧化硅，正面氧化層可大大降低載流子的表面復(fù)合速率，因此提高了太陽能電池的開路電壓。PESC太陽能電池的金屬電極先由剝離方法形成Ti-Pd接觸，然后電鍍Ag構(gòu)成。這種接觸有大的高寬比和小的接觸面積，鍍Ag也提高了電極的導(dǎo)電能力，因此PESC太陽能電池的填充因子可以做到大于83%，轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了20.8%（AM1.5）。

2 PERL太陽能電池

鈍化發(fā)射極、背面局部擴(kuò)散（Passivated-Emitter and Rear-Locally diffused，PERL）太陽能電池是轉(zhuǎn)換效率的保持者，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%[3]。

PERL太陽能電池的特色設(shè)計(jì)是采用逆金字塔絨面結(jié)構(gòu)，絨面上沉積MgF2與ZnS雙層抗反射膜，該結(jié)構(gòu)使太陽光在第一次到達(dá)金字塔的一側(cè)時(shí)就有機(jī)會(huì)進(jìn)入太陽能電池內(nèi)部。反射的部分太陽光經(jīng)另一個(gè)金字塔側(cè)面反射又能有機(jī)會(huì)進(jìn)入電池內(nèi)部，從而增加太陽光進(jìn)入太陽能電池內(nèi)部的機(jī)會(huì)。太陽光進(jìn)入太陽能電池后，在朝著太陽能電池背面行進(jìn)的過程中大部分被吸收，而未被吸收的長(zhǎng)波段的入射光在到達(dá)背面時(shí)會(huì)被反射重新回到太陽能電池中來，這是因?yàn)楸趁嬲翦兞艘粚愉X之后，能形成一個(gè)有效的反射系統(tǒng)。倒金字塔和背面反射的相互結(jié)合形成了有效的陷光結(jié)構(gòu)，可增加太陽光在電池內(nèi)部的光學(xué)長(zhǎng)度，提高電池的短路電流。

PERL太陽能電池利用熱氧化層雙面鈍化發(fā)射極和背面，降低了表面態(tài)，減少了少數(shù)載流子的復(fù)合，降低反向飽和電流密度，改善了太陽能電池的光譜響應(yīng)。使用BBr3和PBr3液態(tài)源進(jìn)行分區(qū)擴(kuò)散摻雜，柵線電極下進(jìn)行濃磷擴(kuò)散，減少電極接觸電阻；受光面進(jìn)行淡磷擴(kuò)散，降低橫向電阻功耗，改善短波響應(yīng)。

3 埋柵太陽能電池

埋柵太陽能電池（Buried-Contact Solar Cell，BCSC）制作過程[4]是先去除損傷層和制絨，再在整個(gè)硅片表面進(jìn)行淺擴(kuò)散和氧化。制作過程無需經(jīng)過除磷硅玻璃的步驟，而是利用激光將太陽能電池表面刻蝕出溝槽，這也是埋柵太陽能電池最具特色的設(shè)計(jì)，其溝槽深度不可太大，否則會(huì)影響到電池的開路電壓?；瘜W(xué)腐蝕的方法對(duì)溝槽進(jìn)行了清洗后，進(jìn)行第二次擴(kuò)散，即實(shí)現(xiàn)在接觸區(qū)域選擇性的磷擴(kuò)散，此次擴(kuò)散濃度比第一次濃得多。接下來就是用化學(xué)鍍將金屬嵌入太陽能電池表面的一系列狹窄槽內(nèi)。

埋柵太陽能電池電極位于電池內(nèi)部，減少了電極的遮蔽面積，不僅增加了入射光的吸收，改善了開路電壓，也改善了串聯(lián)電阻效應(yīng)，降低了電極的載流子復(fù)合速率，也使得填充因子增加，所以整體而言太陽電池效率提高了很多，達(dá)到了19.9%。

4 背面點(diǎn)接觸太陽能電池

背面點(diǎn)接觸（Interdigitated Back-contact）太陽能電池利用了點(diǎn)接觸（Point-contact cell，PCC）及絲網(wǎng)印刷技術(shù)[5]。Sunpower公司采用n型區(qū)熔硅作為襯底材料，前表面無柵線，沒有電極的遮擋，并通過金字塔結(jié)構(gòu)和減反射膜來增強(qiáng)太陽光的吸收，提高了太陽能電池的陷光效應(yīng)。電池的表面采用熱氧化工藝生成二氧化硅鈍化層，降低了表面復(fù)合，提高了電池的開路電壓。背面電極與硅片之間通過二氧化硅鈍化層中的接觸孔實(shí)現(xiàn)了局部性的背面點(diǎn)接觸，減少了金屬電極與硅片的接觸面積，進(jìn)一步降低了載流子在電極表面的復(fù)合速率，提高了電池的開路電壓，也使得電池效率最高達(dá)到了23%。后來為了降低成本，已逐步采用n型直拉單晶硅材料作為襯底材料，太陽能電池效率也可達(dá)到19%以上。

5 HIT太陽能電池

HIT太陽能電池采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)[6]，結(jié)構(gòu)的特色是在非晶硅和晶體硅之間夾有一層本征非晶硅層。結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是基于三洋公司在制備高質(zhì)量低損傷非晶硅薄膜和非晶硅太陽能電池時(shí)采用的等離子體薄膜沉積技術(shù)。

制作流程是首先進(jìn)行硅片的清洗，接著用PECVD法形成非晶硅薄膜層，表面一側(cè)形成i型非晶硅層以及p型非晶硅層，背面形成i型非晶硅層以及n型非晶硅層，再在兩面形成的非晶硅層上沉積透明導(dǎo)電膜和金屬電極，完成整個(gè)電池片的制作。

HIT太陽能電池的高效率，是由太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因子優(yōu)化得到的。使用優(yōu)化的絨面增強(qiáng)對(duì)太陽光的俘獲，采用高質(zhì)量寬禁帶寬度的合金窗口材料以減少窗口層的光吸收，開發(fā)具有高載流子遷移率的透明導(dǎo)電膜，優(yōu)化電池的背面場(chǎng)設(shè)計(jì)，制備優(yōu)良的柵線電極等都有利于獲得高短路電流。在沉積非晶硅之前清潔晶體硅的表面，沉積高質(zhì)量本征非晶硅薄膜實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體硅表面缺陷的有效鈍化，在非晶硅薄膜沉積過程中盡量減少對(duì)晶體硅表面的等離子體損傷，優(yōu)化非晶硅與晶體硅之間界面的能帶結(jié)構(gòu)都有利于提高電池的開路電壓。獲得高的填充因子的方法是使用低電阻的電極材料，設(shè)計(jì)具有大的高寬比的柵線和高導(dǎo)電性的P型窗口層，還有就是減小透明導(dǎo)電膜的串聯(lián)電阻。

最后，需要提到的是日本的三菱公司開發(fā)的多晶硅太陽能電池，該電池采用新的制程與材料，首先是利用納米掩膜和RIE刻蝕技術(shù)進(jìn)行微加工制絨，可以降低硅片光面的反射，藉此增加光吸收量。采用新材料來制作柵線電極，降低連接電阻，并且還細(xì)化了柵線，使得發(fā)電面積增大，發(fā)電量增加。也正是由于這些細(xì)節(jié)改變，使得新開發(fā)出來的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率可以一口氣提升到18.9%[6]。

參考文獻(xiàn)

[1]A.W. Blakers ， M.A. Green. 20% Efficiency silicon solar cells[J]. Appl. Phys. Lett. 48 （1986）215-217.

[2]Martin A. Green .The Path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency： History of Silicon Cell Evolution[J]. Progress in Photovoltaics： Research and Applications，Volume 17， Issue 3， pages 183-189，May 2009.

[3]S.R. Wenham，C.B. Honsberg，M.A. Green.Buried contact silicon solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar CellsVolume 34， Issues 1-4， 1 September 1994， Pages 101-110.

[4]Emmanuel Van Kerschaver， Guy Beaucarne. Back-contact solar cells： a review[J].Progress in Photovoltaics： Research and Applications，Volume 14， Issue 2， pages 107-123，March 2006.

[5]Takahiro Mishima， Mikio Taguchi， Hitoshi Sakata， Eiji Maruyama. Development status of high-efficiency HIT solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， Volume 95， Issue 1， January 2011， Pages 18-21.

[6]Shigeru Matsuno， Akihiko Iwata， and Hirofumi Fujioka. Advanced Technologies for High Efficiency Photovoltaic Systems[OL]. http：//www.mitsubishielectric.com/company/rd/advance/pdf/vol122/vol122_tr6.pdf.

作者簡(jiǎn)介：肖友鵬，學(xué)歷：碩士，職稱：助教，研究方向：光伏材料與器件。