薛水蓮，殷志龍

（西安德納檢驗(yàn)檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

隨著環(huán)境壓力與能源危機(jī)的加大，人們逐漸增加了對太陽電池的投入與研究。當(dāng)前單晶硅太陽電池是最為成熟的技術(shù)，在光伏市場中占據(jù)重要比例。由于單晶硅寬度較小、結(jié)構(gòu)完善且原材料較豐富，因而成為太陽電池內(nèi)部的理想材料。其多樣化的結(jié)構(gòu)種類正引領(lǐng)著未來電池的發(fā)展。

1 高效單晶硅太陽電池的發(fā)展現(xiàn)狀

首先，高效單晶硅太陽電池含有諸多種類，如PERC、IBC、SHJ以及HBC等。其理論效率通常為33%，但在實(shí)際發(fā)展中未考慮到本征吸收損失與非輻射復(fù)合，如寄生吸收或俄歇復(fù)合等。技術(shù)人員經(jīng)過分析與研究找到了改善其極限效率的方式，將帶隙變窄、載流子復(fù)合、硅片性能以及太陽光譜等納入考量范疇中，當(dāng)硅片厚度為110 μm時(shí)，單晶硅太陽電池理論效率可達(dá)到29.43%。此外，技術(shù)人員采用硅異質(zhì)結(jié)式（SHJ）太陽電池進(jìn)行模擬試驗(yàn)，最佳背場結(jié)構(gòu)對Voc與Jse起到促進(jìn)作用，另外硅片厚度直接影響當(dāng)前電池性能，其理論效率可在27.02%。

其次，近年來，技術(shù)人員經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)存在影響太陽電池理論極限效率因素，，如帶隙補(bǔ)償和界面態(tài)缺陷等。當(dāng)此類參數(shù)影響其傳輸性能時(shí)，理論效率值會受到較大影響。工作人員運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)試驗(yàn)中的背場結(jié)構(gòu)、摻雜濃度以及厚度等，改變太陽電池中的轉(zhuǎn)移性，模擬出27.07%的理論極限效率。借助技術(shù)人員的研究，當(dāng)試驗(yàn)中的背場情況較好時(shí)，其載流子輸運(yùn)會獲得極大改善，并在提升遷移性能后改進(jìn)電池中的轉(zhuǎn)化效率。

最后，單晶硅太陽電池在運(yùn)行時(shí)會發(fā)生效率損失，其原因主要可分成5個(gè)方面。第一，當(dāng)電池吸收的寬度光子超過其內(nèi)部能量時(shí)，難以將電子激發(fā)出來，進(jìn)而發(fā)生穿透現(xiàn)象；第二，若太陽電池的內(nèi)部能量高于該電池吸收的寬度光子，則出現(xiàn)的空穴與電子被激發(fā)到價(jià)帶與導(dǎo)帶的高能態(tài)中，并采用聲子形式釋放多余能量，待其釋放后，空穴與電子則處在價(jià)帶與導(dǎo)帶的底部，致使能量損失；第三，當(dāng)光生載流子中的電荷進(jìn)行輸運(yùn)與分離時(shí)，由于二者性能的分離，導(dǎo)致其在PN中發(fā)生結(jié)構(gòu)性損失；第四，金屬電極在與半導(dǎo)體材料接觸出引起電壓降級損失；第五，光生載流子輸運(yùn)時(shí)由材料缺陷引起復(fù)合損失。單晶硅太陽電池在實(shí)際運(yùn)行過程中常會遭遇多重?fù)p失，如圖1所示。因此，技術(shù)人員需掌握不同種類太陽電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并運(yùn)用針對性方式改善當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，明確其正確的發(fā)展趨勢與方向。具體來說，太陽電池內(nèi)部的能量損失途徑主要為電學(xué)損失和光學(xué)損失。為改善電池的運(yùn)行效率，技術(shù)人員需采用相應(yīng)措施降低電學(xué)與光學(xué)損失。電學(xué)損失的改善應(yīng)從改進(jìn)硅片質(zhì)量入手，通過采用離子注入技術(shù)、鈍化技術(shù)以及金屬接觸等技術(shù)，加強(qiáng)新型材料的使用，將電學(xué)損失降到最低。光學(xué)損失需借助全背接觸技術(shù)，運(yùn)用減反射膜和陷光技術(shù)等，不斷修復(fù)與改善其表面的低折射率問題，從而提升入射光的利用效率[1]。

圖1 太陽電池中的5種能量損失途徑

2 不同種類的高效單晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 PERC類電池

PERC類太陽電池的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到24.7%。相較于傳統(tǒng)單晶硅，其內(nèi)部由氧化硅作為鈍化層，界面中的復(fù)合速率出現(xiàn)較為明顯的下降。PERC中的背金屬電極借助不同類型的小孔接觸到摻雜量較高的發(fā)射極，此結(jié)構(gòu)的效果較好，并會出現(xiàn)極為理想的歐姆接觸，使電阻的損失降到最小。此外，PERC電池的陷光結(jié)構(gòu)是倒金字塔，其陷光效果較為顯著，在減少光反射后，內(nèi)部的短路電流會得到極大改善?；诒旧斫Y(jié)構(gòu)，其制備技術(shù)與鈍化性的優(yōu)勢較大，在當(dāng)前業(yè)界應(yīng)用較為廣泛。在開展PERC太陽電池的制備工藝時(shí)，合理設(shè)計(jì)其背部電極、硅基底以及金屬電極間的歐姆接觸性能成為其運(yùn)用的關(guān)鍵。

2.2 IBC太陽電池

技術(shù)人員經(jīng)過多年的研究與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了背接觸形態(tài)的太陽電池，交叉指式的背接觸技術(shù)IBC應(yīng)運(yùn)而生。此類電池的主要特點(diǎn)是其金屬接觸與PN結(jié)都處在該電池的背部，前面有效防止了電極遮擋。此外，借助減反層與絨面結(jié)構(gòu)結(jié)合的陷光結(jié)構(gòu)，可將入射光的價(jià)值發(fā)揮到最大，降低光學(xué)損失，提升短路電流的性能。與此同時(shí)，由于該太陽電池的背部改進(jìn)了金屬電極，其串聯(lián)電阻的能力下降，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)不但能提升其轉(zhuǎn)化效率，而且電池的外觀美觀，適用于光伏一體化，商業(yè)化前景較為廣闊。當(dāng)前，IBC太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度最大，制作工藝也極為復(fù)雜，標(biāo)志著晶體硅研發(fā)制造的最高水平[2]。

2.3 SHJ太陽電池

雖然IBC與PERC太陽電池的運(yùn)行和轉(zhuǎn)化效率較高，但其多應(yīng)用于同質(zhì)PN結(jié)。當(dāng)應(yīng)用異質(zhì)結(jié)時(shí)，電池的開路電壓會獲得明顯提升，電池效率也會處在較高水平。具體地，不同的異質(zhì)結(jié)會采用對應(yīng)的半導(dǎo)體材料，其吸收系數(shù)、折射率、介電常數(shù)、導(dǎo)電類型以及禁帶寬度都有所不同。當(dāng)前多家公司經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，SHJ太陽電池的結(jié)構(gòu)特征較完整，優(yōu)勢較突出。SHJ電池內(nèi)部的硅片厚度、金屬化柵線、陷光結(jié)構(gòu)、鈍化層以及背部場結(jié)構(gòu)都較為優(yōu)異，歷經(jīng)不斷地調(diào)整與優(yōu)化后，其轉(zhuǎn)化效率會上升到24.7%，而開路電壓也會在750 mV左右，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SHJ電池結(jié)構(gòu)

2.4 HBC太陽電池

運(yùn)用HBC太陽電池可改善其內(nèi)部的鈍化層，在提升電池轉(zhuǎn)化效率的過程中，結(jié)合高開路電壓與高短路電流的優(yōu)勢。異質(zhì)結(jié)會轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊媸?，相較于IBC結(jié)構(gòu)，該電池的摻雜程度較低，減少了內(nèi)部載流子的復(fù)合損失。HBC與SHJ都作用于異質(zhì)結(jié)式的太陽電池中，但二者仍有些許不同，HBC相較SHJ在電池的表面沒有任何電極遮擋，且減反層由TCO轉(zhuǎn)化為SiN，極大地降低了光學(xué)損失。

2.5 TOPCon太陽電池

技術(shù)人員在研制太陽電池的過程中，在電池背面制作了一層氧化硅，其厚度為1.5 mm。通過沉積加入更多的多晶硅，當(dāng)氧化層與多晶硅形成反應(yīng)后產(chǎn)生鈍化結(jié)構(gòu)，借助此技術(shù)開發(fā)出了TOPCon太陽電池。吸收層與多晶硅的功函數(shù)有較大差異，在經(jīng)過反復(fù)作用后，多晶硅會在吸收層表面形成一個(gè)積累層，累積層或者能帶彎曲會產(chǎn)生一個(gè)勢壘阻擋空穴達(dá)到隧穿氧化層，而電子則能夠輕易達(dá)到。一般，TOPCon技術(shù)可運(yùn)用在太陽電池的背部，借用高溫退火，其溫度需在70～900 ℃，改變硅薄膜的形態(tài)。正、反金屬化利用電子蒸發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)Ag/Pd/Ti的疊層與蒸發(fā)，進(jìn)而提升電池內(nèi)部的轉(zhuǎn)化效率，最高可達(dá)25.1%，且其填充因子為83.2%、短路電流在42.1 mA/cm2左右、電壓值在715～720 mV。運(yùn)用TOPCon技術(shù)還能改善電池表面的減反層，挑選出低電阻率和厚度適宜的硅片，進(jìn)一步提升電池效率，縮減光學(xué)損失，該技術(shù)最為關(guān)鍵的應(yīng)用步驟是制備氧化層?；陔姵貎?nèi)部對氧化層的超高要求，技術(shù)人員需采用多項(xiàng)制備方式，如高溫?zé)嵫趸⒒瘜W(xué)方法氧化、等離子體氧化以及紫外臭氧氧化技術(shù)等。此外，在制備TOPCon電池的過程中，技術(shù)人員需將試驗(yàn)放置在特定環(huán)境中，其表面的發(fā)射極復(fù)合會對電池性能造成較大影響，因而該技術(shù)多運(yùn)用在工業(yè)化生產(chǎn)中[3]。

2.6 POLO太陽電池

太陽電池主要分為P類與N類。POLO電池屬于P類，其內(nèi)部的全鈍化技術(shù)依靠氧化與多晶硅的結(jié)合。相較于TOPCon電池，POLO電池有3種不同。第一，POLO電池在沉淀多晶硅時(shí)使用PECVD沉淀法，而TOPCon電池則選用低壓氣象沉淀法。第二，在生長氧化層方面，POLO對氧化層的面積需求較大，電池的兩面要同時(shí)出現(xiàn)氧化層，但TOPCon只要求背部即可。第三，當(dāng)離子注入到電池內(nèi)部后，POLO電池會出現(xiàn)n+/p+c-Si，但TOPCon不會采用任何摻雜技術(shù)，也難以形成n+/p+c-Si。

3 高效單晶硅太陽電池的發(fā)展方向

3.1 鈍化接觸

技術(shù)人員借助試驗(yàn)與資料調(diào)研了解了當(dāng)前多種太陽電池的結(jié)構(gòu)與性能，為改善此類電池的發(fā)展現(xiàn)狀，需適時(shí)掌握多項(xiàng)單晶硅技術(shù)，明確太陽電池的發(fā)展趨勢與整體方向。

首先，技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)c-Si電池的研究，硅片質(zhì)量會對此類電池的性能造成較大影響。硅片質(zhì)量的提高降低了硅體復(fù)合度，當(dāng)前開發(fā)出的鈍化層技術(shù)可極大改善電池表面的復(fù)合程度。具體來說，當(dāng)c-Si與金屬電極產(chǎn)生接觸時(shí)，會立即降低電池運(yùn)行的效率，是電池開發(fā)技術(shù)中的重要限制因素，為降低二者接觸時(shí)的復(fù)合度，既要利用局部開孔縮減其接觸面積，還要設(shè)置出全新的接觸方案。

其次，工作人員在實(shí)行背部開孔的過程中，由于該工藝技術(shù)較復(fù)雜，會影響硅材料的整體性能，因而局部開孔需保障電池內(nèi)部載流子的接觸面積，避免其因開口處擁堵而造成填充因子損耗。為改善電池表面的鈍化層，技術(shù)人員還可選擇部分鈍化，此技術(shù)不但能讓單晶硅表面全部鈍化，還能改善填充因子的形態(tài)，繼而提升轉(zhuǎn)化效率[4]。

最后，當(dāng)前性能最佳的兩種太陽電池分別為SHJ與TOPCon。其內(nèi)部作用的鈍化技術(shù)較佳，主要應(yīng)用摻雜非晶硅與多晶硅實(shí)現(xiàn)其表面鈍化，并運(yùn)用載流子開展輸運(yùn)工作，轉(zhuǎn)化效率在25.1%～25.7%。技術(shù)人員在使用此類電池時(shí)，還摻入IBC技術(shù)，進(jìn)一步改善了電池的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

3.2 改進(jìn)電池效率

當(dāng)前太陽電池已應(yīng)用到多項(xiàng)領(lǐng)域中，而基于產(chǎn)業(yè)化角度，技術(shù)人員仍需改善電池的運(yùn)行效率，借用背部接觸的IBC結(jié)構(gòu)能優(yōu)化當(dāng)前的轉(zhuǎn)化效率。一方面，在目前的生產(chǎn)線上工作人員需開展局部改進(jìn)工作，采用多項(xiàng)技術(shù)，如雙玻組件技術(shù)、光學(xué)優(yōu)化技術(shù)、陷光技術(shù)、發(fā)射電極技術(shù)以及金屬化技術(shù)等。而另一方面，借助不同形態(tài)的電池產(chǎn)品，技術(shù)人員應(yīng)適時(shí)更新產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與鈍化接觸技術(shù)，其中會用到的電池結(jié)構(gòu)包括IBC、TOPCon以及SHJ等，通過研發(fā)與利用相關(guān)設(shè)備，改進(jìn)電池中的整體結(jié)構(gòu)與性能，提升其整體運(yùn)行效率。

3.3 提升N型硅片技術(shù)

太陽電池內(nèi)部的硅片技術(shù)主要分為P型與N型。相較于P型，N型硅片帶有諸多優(yōu)勢，如使用壽命長、致光衰退度低以及對金屬雜質(zhì)要求高等，且其組件內(nèi)部的溫度系數(shù)低，弱光響應(yīng)好，因而在其作用下的電池運(yùn)轉(zhuǎn)效率較高，最高可達(dá)26.6%。

4 結(jié) 論

當(dāng)前運(yùn)用太陽電池已成為了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，通過研究6種不同形態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，技術(shù)人員已掌握該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。為更好地順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，需加強(qiáng)鈍化接觸技術(shù)，提高電池內(nèi)部性能。