薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池的潛力

1、薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池的潛力    目前在工業(yè)上，硅的成本大約占硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的一半。為減少硅的消耗量，光伏（PV）產(chǎn)業(yè)正期待著一些處于研究開(kāi)發(fā)中的選擇方案。其中最顯然的一種就是轉(zhuǎn)向更薄的硅襯底?，F(xiàn)在，用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的硅襯底厚度略大于200mm，而襯底厚度略小于100mm的技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。為使硅有源層薄至5-20mm，可以在成本較低的硅襯底上淀積硅有源層，這樣制得的電池被稱為薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池。為使其具有工業(yè)可行性，主要的挑戰(zhàn)是在適于大規(guī)目前在工業(yè)上，硅的成本大約占硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的一半。為減少硅的消耗量，光伏（PV）產(chǎn)業(yè)正期待著一些處于研

2、究開(kāi)發(fā)中的選擇方案。其中最顯然的一種就是轉(zhuǎn)向更薄的硅襯底?，F(xiàn)在，用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的硅襯底厚度略大于200mm，而襯底厚度略小于100mm的技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。為使硅有源層薄至5-20 mm，可以在成本較低的硅襯底上淀積硅有源層，這樣制得的電池被稱為薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池。為使其具有工業(yè)可行性，主要的挑戰(zhàn)是在適于大規(guī)模生產(chǎn)的工藝中，怎樣找到提高效率和降低成本之間的理想平衡。已經(jīng)存在幾種制造硅有源層的技術(shù)1，本文將討論其中的三種。薄膜PV基礎(chǔ)第一種技術(shù)是制作外延（epitaxial）薄膜太陽(yáng)能電池（圖1），從高摻雜的晶體硅片（例如優(yōu)級(jí)冶金硅或廢料）開(kāi)始，然后利用化學(xué)氣相淀積（CVD）方法來(lái)淀積外延層。

3、除成本和可用性等優(yōu)勢(shì)以外，這種方法還可以使硅太陽(yáng)能電池從基于硅片的技術(shù)逐漸過(guò)渡到薄膜技術(shù)。由于具有與傳統(tǒng)體硅工藝類似的工藝過(guò)程，與其它的薄膜技術(shù)相比，這種技術(shù)更容易在現(xiàn)有工藝線上實(shí)現(xiàn)。第二種是基于層轉(zhuǎn)移（layer transfer）的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，它在多孔硅薄膜上外延淀積單晶硅層，從而可以在工藝中的某一點(diǎn)將單晶硅層從襯底上分離下來(lái)。這種技術(shù)的思路是多次重復(fù)利用母襯底，從而使每個(gè)太陽(yáng)能電池的最終硅片成本很低。正在研究中的一種有趣的選擇方案是在外延之前就分離出多孔硅薄膜，并嘗試無(wú)支撐薄膜工藝的可能性。最后一種是薄膜多晶硅太陽(yáng)能電池，即將一層厚度只有幾微米的晶體硅淀積在便宜的異質(zhì)襯底上，比如

4、陶瓷（圖2）或高溫玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之間的多晶硅薄膜是一種很好的選擇。我們已經(jīng)證實(shí)，利用非晶硅的鋁誘導(dǎo)晶化可以獲得高質(zhì)量的多晶硅太陽(yáng)能電池。這種工藝可以獲得平均晶粒尺寸約為5 mm的很薄的多晶硅層。接著利用生長(zhǎng)速率超過(guò)1 mm/min的高溫CVD技術(shù)，將種子層外延生長(zhǎng)成幾微米厚的吸收層，襯底為陶瓷氧化鋁或玻璃陶瓷。選擇熱CVD是因?yàn)樗纳L(zhǎng)速率高，而且可以獲得高質(zhì)量的晶體。然而這樣的選擇卻限定了只能使用陶瓷等耐熱襯底材料。這項(xiàng)技術(shù)還不像其它薄膜技術(shù)那樣成熟，但已經(jīng)表現(xiàn)出使成本降低的巨大潛力。采用薄膜PV技術(shù)已經(jīng)能夠提高太陽(yáng)能電池的效率或簡(jiǎn)化其工藝，并將降低其成本。但目前還沒(méi)有人能

5、夠同時(shí)將這兩方面結(jié)合起來(lái)。然而，最近的一些研究結(jié)果已經(jīng)在正確的方向上又前進(jìn)了必要的一步。外延電池的改進(jìn)外延薄膜硅太陽(yáng)能電池的效率不算太高（半工業(yè)化絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作的電池約為12%），這限制了光伏業(yè)界對(duì)這種電池類型的關(guān)注程度。它可以獲得與體硅太陽(yáng)能電池相當(dāng)?shù)拈_(kāi)路電壓和填充因子（單晶硅太陽(yáng)能電池為±77.8%）。然而，短路電流（Jsc ）受限于薄的光學(xué)有源層（<20mm）。穿透外延層的光會(huì)被高摻雜、低質(zhì)量的襯底收集而損失掉。因此，這兩種太陽(yáng)能電池技術(shù)之間的短路電流相差7 mA/cm2并不少見(jiàn)。體硅太陽(yáng)能電池的Jsc典型值約為33mA/cm2，而外延薄膜電池的平均值約為26

6、mA/cm2。然而，兩項(xiàng)獨(dú)立的電池級(jí)開(kāi)發(fā)成果已經(jīng)使這種狀況有所改善2。通過(guò)增大薄的有源層內(nèi)的光程長(zhǎng)度，我們報(bào)導(dǎo)的絲網(wǎng)印刷外延電池的Jsc達(dá)到30 mA/cm2，效率達(dá)到13.8%。對(duì)這些結(jié)果有貢獻(xiàn)的第一項(xiàng)改進(jìn)是采用氟基等離子體粗糙處理得到的表面光散射（圖3）。理想情況下，這種經(jīng)過(guò)粗糙處理的有源層表面會(huì)使光100%地漫射（即Lambertian折射器）。這使得光子能夠以60°的平均角穿過(guò)有源層，使光程長(zhǎng)度增大為原來(lái)的2倍。換而言之，使20 mm薄層的光學(xué)表現(xiàn)相當(dāng)于40mm厚的有源層。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)去除僅僅1.75 mm的硅就可以獲得這種全光散射。等離子體粗糙處理的優(yōu)點(diǎn)很多，包括更低的反

7、射（從粗糙處理之前的35%下降到10%）、斜入射光耦合和更低的接觸電阻（因?yàn)楣枰r底和銀電極之間的接觸面積更大）。我們觀察到1.0-1.5的Jsc絕對(duì)增長(zhǎng)，而效率增加0.5-1.0%。第二項(xiàng)改進(jìn)是通過(guò)引入多孔硅布拉格反射器來(lái)進(jìn)行內(nèi)部光捕獲。為了降低長(zhǎng)波長(zhǎng)的光進(jìn)入到襯底的透射，在襯底和外延層之間的界面上放置一個(gè)中間反射器。這樣一來(lái)，到達(dá)該界面的光子就會(huì)被反射而第二次穿過(guò)有源層。由于光在進(jìn)入電池的瞬間就開(kāi)始漫射（這是由等離體粗糙處理的Lambertian特性所決定的），很大比例的光子會(huì)以大于逃逸角的角度打在前表面上。因此，大部分的光子會(huì)再次向內(nèi)反射而第三次穿過(guò)有源層。這種情況不斷地重復(fù)，使得光子有可

8、能多次穿越外延層。在實(shí)踐中，這種反射器是通過(guò)電化學(xué)生長(zhǎng)孔隙率高低交替變化的多孔硅疊層（多重布拉格反射器）來(lái)制作的。在外延生長(zhǎng)有源層的過(guò)程中，多孔硅疊層自動(dòng)轉(zhuǎn)變成包含不同尺寸大小的孔洞的交替層（圖4）。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明是一種理想的基于構(gòu)造干涉的反射器。對(duì)于一個(gè)15層的多孔硅疊層，計(jì)算表明光程長(zhǎng)度增大為原來(lái)的14倍。也就是說(shuō)，15 mm薄層的光學(xué)表現(xiàn)相當(dāng)于厚度為210mm的硅層。為了驗(yàn)證這兩種改進(jìn)方法的有效性，在三種不同的載體襯底上制作表面積為18 cm2的外延電池。在作為驗(yàn)證概念的單晶硅襯底上，電池的效率提高到13.8%，填充因子達(dá)到77.8%，這表明使用重組織多孔硅疊層不存在電導(dǎo)問(wèn)題。而在低

9、質(zhì)量的硅襯底上獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果略低，效率是13.5%，填充因子為77.7%。對(duì)于多孔硅而言，在多晶襯底上生長(zhǎng)的外延層質(zhì)量較差，這個(gè)事實(shí)可以解釋性能下降的原因。目前正在優(yōu)化工藝，在不久的將來(lái)有望獲得更高效率的增益。多晶硅薄膜的改進(jìn)對(duì)于另一種類型的太陽(yáng)能電池，也就是基于鋁誘導(dǎo)晶化的多晶薄膜太陽(yáng)能電池，我們最近獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的7%的效率。該電池制作在高溫襯底上，使用基于鋁誘導(dǎo)晶化非晶硅的種子層，在1130下將種子層外延增厚成吸收層。需要指出的是，在這種工藝中硅不需要重新熔化。而在陶瓷襯底上將硅重新熔化是獲得多晶硅太陽(yáng)能電池的另一種方法。然而，這種方法需要極高的溫度（超過(guò)1400），這就要求襯底具有非常好

10、的熱穩(wěn)定性，而且被污染的風(fēng)險(xiǎn)也很大。取得這些成績(jī)的關(guān)鍵在于專門設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的電池接觸，并結(jié)合以等離子體粗糙處理的表面。大多數(shù)適用于多晶硅太陽(yáng)能電池的高溫襯底都是絕緣體，所以必須開(kāi)發(fā)新的金屬接觸方案以避免使用背接觸。考慮到制造模塊的低成本性，最方便的方法是將電池的互連工藝集成到電池制作過(guò)程中。我們采用的是將電池互連與電池接觸相結(jié)合的單模塊工藝。所有的接觸都制作在電池頂部的叉指狀圖案中（圖5）?？梢允褂貌煌墓に囆蛄衼?lái)獲得這種新穎的接觸結(jié)構(gòu)。目前使用的是一種簡(jiǎn)單的兩步實(shí)驗(yàn)室工藝，將光刻與金屬蒸發(fā)結(jié)合起來(lái)。而在大規(guī)模生產(chǎn)中，金屬化可以通過(guò)單步工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如利用掩膜來(lái)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷或蒸發(fā)。這種專門設(shè)計(jì)的

11、接觸結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到有源層面積為1 cm2的電池中，并與帶有外圍基極接觸的電池進(jìn)行比較（圖6）。兩種接觸類型的開(kāi)路電壓（Voc）基本相當(dāng)，但是叉指狀接觸的電池在短路電流（Jsc）和填充因子方面的表現(xiàn)要好得多。根據(jù)晶粒尺寸和層厚的不同，電池效率可以達(dá)到5.6%3。為了進(jìn)一步提高電流密度，進(jìn)而提高電池的效率，我們使用等離子體粗糙處理來(lái)實(shí)現(xiàn)新型的電池概念。迄今為止，在多晶硅太陽(yáng)能電池的襯底結(jié)構(gòu)中，襯底都用作背反射器。通過(guò)對(duì)電池前表面進(jìn)行粗糙處理，可以降低電池的前反射率，并更好地將光耦合到電池中，從而能夠更有效地俘獲光子。等離子體粗糙處理是通過(guò)使用氟基化學(xué)物質(zhì)在一個(gè)反應(yīng)器中來(lái)完成的。結(jié)果表明，電流密度增加

12、了約15%（在氧化鋁襯底上得到這一結(jié)果）。增大的電流密度將電池的效率推進(jìn)到創(chuàng)紀(jì)錄的7%4。然而，雖然所獲得的Voc （506 mV）和填充因子（71%）可謂達(dá)到了目前最好的工藝水平，但是電流密度（19.7 mA/cm2）和電池效率對(duì)于商業(yè)化而言仍然太低。通過(guò)優(yōu)化等離子體粗糙處理工藝并降低電池背面場(chǎng)層的厚度，我們希望在不久的將來(lái)獲得遠(yuǎn)超過(guò)7.0%的效率。結(jié)論盡管體硅太陽(yáng)能電池的效率仍然要高很多（最近報(bào)導(dǎo)在厚度為130mm的電池上達(dá)到18%），但是薄膜電池的潛在成本要低得多，因此國(guó)際光伏業(yè)界對(duì)它的研究不斷增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2010年，在非硅襯底上的薄膜晶體硅太陽(yáng)能電池的制造成本將低于1歐元/瓦特?，F(xiàn)在還很難預(yù)測(cè)到底哪一種制造方法將最終勝出。每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于外延薄膜硅太陽(yáng)能電池，最近的結(jié)果非常令人期待和鼓舞