高比能太陽(yáng)能電池含異質(zhì)結(jié)的研究

高比能太陽(yáng)能電池含異質(zhì)結(jié)的研究

自世界上石油危機(jī)以來(lái)，所有國(guó)家都在研究新能源，以緩解能源危機(jī)。太陽(yáng)電池這種新型能源越來(lái)越備受關(guān)注。HIT太陽(yáng)電池具有轉(zhuǎn)換效率高,制備工藝簡(jiǎn)單,溫度低等特點(diǎn),是大規(guī)模應(yīng)用的低價(jià)電池之一。提高轉(zhuǎn)化效率和降低生產(chǎn)成本依然是太陽(yáng)電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。同時(shí),由于基底薄,重量輕,HIT太陽(yáng)電池目前大量用于建筑集成(Building-IntegratedPhototvoltaic,BIPV),有望成為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵刂?。Sanyo公司,目前實(shí)驗(yàn)室效率最高為23.7%(100.4cm2),其中開路電壓Voc=0.729v,Jsc=39.5mA/cm2,FF=0.8。中山大學(xué)科研組測(cè)定在六種太陽(yáng)電池光伏陣列實(shí)際發(fā)電性能比較中得出結(jié)論:單晶硅、HIT組件在太陽(yáng)能輻射提高時(shí)性能最優(yōu),適合太陽(yáng)輻射強(qiáng),多晴天的地區(qū)使用。HIT太陽(yáng)電池在制備工藝和材料上的優(yōu)勢(shì),加上其轉(zhuǎn)換效率高,因此它有好的發(fā)展前景。1實(shí)驗(yàn)室效率和改進(jìn)措施1974年Sanyo公司開始著手研究非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù),當(dāng)年的效率為10%(600mmx90mm),1983年提出的非晶硅/晶體硅堆積電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這是HIT太陽(yáng)電池的雛形。1994年HIT太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到18.7%(100cm2),利用清潔技術(shù)、柵電極的優(yōu)化及表面織構(gòu)技術(shù),HIT電池的組件效率達(dá)到了17.3%。2003年實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到了21.3%(100cm2)QUOTE。通過(guò)改進(jìn)制備工藝,降低表面復(fù)合率,提高少子的壽命,保持柵線的體積不變從而抑制柵線電阻的增加等措施,來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率。2004年,實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到21.5%(100cm2),改進(jìn)措施:改善導(dǎo)電膠材料,優(yōu)化絲網(wǎng)印刷技術(shù)。2007年,實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到了22.3%,此次采取了對(duì)a-Si/c-Si.界面及光陷阱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的優(yōu)化。2008年,EUPVSEC(Europeanphotovoltaicsolarenergyconference)報(bào)道HIT電池的厚度已降至85μm。2009年5月,sanyo公司宣布實(shí)現(xiàn)了23%的實(shí)驗(yàn)室效率,通過(guò)提高鈍化a-Si:H/Si界面,優(yōu)化透明導(dǎo)電膜等措施來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率,具體細(xì)節(jié)沒(méi)透露。2010年,sanyo公司HIT電池實(shí)驗(yàn)室效率宣布達(dá)到了23.7%,這次還是采取的對(duì)界面鈍化質(zhì)量等措施,但具體技術(shù)改進(jìn)信息仍然沒(méi)有透漏。各國(guó)研究的HIT太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀如下所示2電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HIT結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池(heter-junctionwithintrinsicthin-layersolarcells),以n型Si基底為例,結(jié)構(gòu)如圖1所示:HIT電池的突出特點(diǎn):在制備pn結(jié)時(shí),通過(guò)插入薄本征非晶硅層,降低了太陽(yáng)電池的界面態(tài)密度,從而減少了復(fù)合電流,繼而提高轉(zhuǎn)換效率。HIT太陽(yáng)電池具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如低溫工藝;高轉(zhuǎn)換效率;高穩(wěn)定性;低成本等。2.1禁帶寬度egHIT電池工藝在低溫環(huán)境下制備,其低溫環(huán)境使得a-Si:H薄膜摻雜,禁帶寬度Eg和厚度能得到有效的控制。整個(gè)工藝過(guò)程溫度低(不超過(guò)250℃),單晶硅片受低溫影響小其彎曲度小,其厚度可滿足光吸收材料光學(xué)要求的最小厚度(80μm);低溫制備也降低了生產(chǎn)成本。2.2fig的新產(chǎn)品—HIT電池高的轉(zhuǎn)換效率HIT獨(dú)特的本征層結(jié)構(gòu)它不僅起到對(duì)表面的鈍化,同時(shí)也降低了表面界面漏電流,提高電池的轉(zhuǎn)換效率。目前,HIT電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到23.7%。三洋公司推出其新款HIT組件產(chǎn)品。該組件的總體轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了18.6%。2.3池沒(méi)有s-w現(xiàn)象HIT電池的光照特性穩(wěn)定,研究發(fā)現(xiàn),HIT太陽(yáng)電池沒(méi)有S-W現(xiàn)象。測(cè)試表明,由于HIT電池的溫度系數(shù)比單晶硅太陽(yáng)電池的溫度系數(shù)低,即使太陽(yáng)電池在光照升溫情況下,HIT太陽(yáng)電池仍然會(huì)有良好的輸出。2.4節(jié)約硅材料,可減少能量的消耗HIT太陽(yáng)電池的厚度薄,其工藝完全可以在低溫下制備完成,故,可以節(jié)省硅材料,又能減少能量的消耗,并且還可以允許采用“低品質(zhì)”的廉價(jià)基底。高的效率使得在功率相同下,比其它類型的太陽(yáng)電池占用的面積少。3太陽(yáng)電池面載流子的織構(gòu)化對(duì)HIT電池的單晶硅基底進(jìn)行表面腐蝕可以達(dá)到既可以對(duì)硅表面進(jìn)行織構(gòu)化形成絨面結(jié)構(gòu)以降低反射又可以通過(guò)腐蝕對(duì)硅片減薄,提高太陽(yáng)電池背電極對(duì)載流子收集效率。3.1it太陽(yáng)電池采取一種新的雙面織構(gòu)化的硅基底所形成HIT太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu),電池背面可以吸收來(lái)自地面的光,同等條件下,它發(fā)出的電比其他單面電池多8.1%。其反射原理圖如下:3.2入射光學(xué)的太薄HIT電池厚度是影響太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素。太薄,入射光穿透電池的有源區(qū),造成太陽(yáng)光的浪費(fèi);太厚,部分載流子在未到達(dá)電極就被復(fù)合掉。故,應(yīng)該選擇合適的太陽(yáng)電池厚度,使其達(dá)到最優(yōu)。4提高太陽(yáng)電池效率的途徑提高轉(zhuǎn)換效率和降低電池生產(chǎn)成本是太陽(yáng)電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵,為了提高效率,我們從以下方面來(lái)討論。4.1太陽(yáng)電池的光管理光陷阱結(jié)構(gòu)是提高電池性能的有效途徑。國(guó)內(nèi)南開大學(xué)張曉丹的團(tuán)隊(duì)專門從事對(duì)“光管理”的研究。把光管理的技術(shù)應(yīng)用到太陽(yáng)電池上來(lái)提高光的利用是非常重要。清洗可以降低HIT電池界面態(tài)密度。將常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池中的制絨技術(shù)稍加改進(jìn)即可用于對(duì)HIT電池的制絨,得到正金字塔的結(jié)構(gòu)。4.2本征緩沖層的設(shè)計(jì)對(duì)非晶硅薄層的鈍化的研究,是制備高效HIT電池的關(guān)鍵。在太陽(yáng)電池的p-n結(jié)中插入一個(gè)本征緩沖層,它起到對(duì)硅片表面的鈍化的效果,使界面特性得到改善,少子壽命的變長(zhǎng)。由光伏理論可知:少子壽命越高,Jsc、Voc越大。4.3光伏特性及其模擬內(nèi)蒙古師范大學(xué)運(yùn)用AFORS-HET程序模擬分析,μc-Si(p)/μc-Si(i)/c-Si(n)HIT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的光伏特性模擬表明:隨本征層厚度增加,電池性能降低。當(dāng)插入5nm薄微晶硅本征層時(shí),電池的光電性能最好。故優(yōu)化本征層的厚度可以提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。4.4it太陽(yáng)電池電池的轉(zhuǎn)換效率與單晶硅基底的類型有關(guān)。NERL用HWCVD方法在FZ襯底上制備HIT太陽(yáng)電池,它的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%。基底類型分為P型、N型,不同摻雜類型對(duì)應(yīng)著不同的電池結(jié)構(gòu),N型基底的HIT電池由于異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu),其轉(zhuǎn)換效率要略高于P型基底的太陽(yáng)能電池,但從制備的難易程度來(lái)看,P型基底材料較N型基底材料易于制備。4.5電池模型的建立為了減少a-Si層對(duì)入射光的吸收,可采用寬帶隙、低光學(xué)吸收系數(shù)的微晶硅、納米硅等作發(fā)射極,提高光的透過(guò)率。發(fā)射極厚度太薄不能形成有效的PN結(jié),通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),厚度5nm最為適宜。Caternasummonate用RF-PECVD,在P型基制備了n型μc-Si發(fā)射極,通過(guò)提高氫氣稀釋率,所制備的電池的轉(zhuǎn)換效率比a-Si有明顯的提高。中科院張群芳用HWCVD制備出nc-Si電池發(fā)射極和緩沖層,研究表明:隨著緩沖層厚度的增加,太陽(yáng)電池的開路電壓增加,故,晶態(tài)比能有效增加了電流的收集,從而增大短路電流。4.6復(fù)合限制膜的優(yōu)點(diǎn)在單晶硅背面場(chǎng)沉積中摻雜非晶硅薄膜形成背面場(chǎng),背面場(chǎng)能改善背面復(fù)合速率和背面發(fā)射,性能優(yōu)良的背面場(chǎng),可以提高太陽(yáng)電池的長(zhǎng)波響應(yīng),提高Jsc和Voc,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。4.7ag厚度對(duì)ag初始不透性的影響對(duì)制備HIT電池上的ZAO/Ag/ZAO復(fù)合透明導(dǎo)電膜的光學(xué)特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。要得到低反射率和高的透過(guò)率,需要對(duì)Ag的厚度進(jìn)行優(yōu)化,使其既得到最低的反射率又能有優(yōu)良的透明導(dǎo)電性。因此,需要選擇一個(gè)合適的折衷厚度,達(dá)到最大限度優(yōu)化太陽(yáng)電池。4.8利用ewt技術(shù)增加光照面積,提高光照效率電池表面的柵線遮蔽了部分光線,為了降低光照遮蔽面積,我們可以借鑒云南師范大學(xué)的趙恒利采用EWT技術(shù)的方法,把電極放在背面,能增大光照的面積,增加光生載流子,來(lái)提高HIT太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率。5太陽(yáng)電池可實(shí)現(xiàn)更多電能(1)HIT電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝成本低,轉(zhuǎn)換效率高,具