單晶硅太陽能電池
硅系列太陽能電池中,單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?,F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟,在電池制作中,一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù),開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面,德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化,制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合.通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率:通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%,是大值可達(dá)23.3%。Kyocera公司制備的大面積(225cm2)單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為19.44%,國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā),研制的平面高效單晶硅電池(2cm X 2cm)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%,刻槽埋柵電極晶體硅電池(5cm X 5cm)轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。
單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的,在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位,但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響,致使單晶硅成本價(jià)格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料,尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池,其中多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池就是典型代表。
多晶硅薄膜太陽能電池
通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350-450μm的高質(zhì)量硅片上制成的,這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料,人們從70年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜,但由于生長的硅膜晶粒大小,未能制成有價(jià)值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜,人們一直沒有停止過研究,并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法,包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝。此外,液相外延法(LPPE)和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。
化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn),在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層,再將這層非晶硅層退火,得到較大的晶粒,然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,因此,再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外,另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù),這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國費(fèi)萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZ Si襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%,日本三菱公司用該法制備電池,效率達(dá)16.42%。
液相外延(LPE)法的原理是通過將硅熔融在母體里,降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12.2%。中國光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長出硅晶粒,并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池,稱之為“硅粒”太陽能電池,但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見到。
多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少,又無效率衰退問題,并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,而效率高于非晶硅薄膜電池,因此,多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。
非晶硅薄膜太陽能電池
開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是:提高轉(zhuǎn)換效率和 降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低,便于大規(guī)模生產(chǎn),普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展,其實(shí)早在70年代初,Carlson等就已經(jīng)開始了對(duì)非晶硅電池的研制工作,近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展,目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。
非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料,但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV, 使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感,這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外,其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退S一W效應(yīng),使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池,疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于:①它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起,提高了光譜的響應(yīng)范圍;②頂電池的i層較薄,光照產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化不大,保證i層中的光生載流子抽出;③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半,光致衰退效應(yīng)減小;④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。
非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多,其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法、LPCVD法等,反應(yīng)原料氣體為H2稀釋的SiH4,襯底主要為玻璃及不銹鋼片,制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進(jìn)展:第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13%,創(chuàng)下新的記錄;第二.三疊層太陽能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國聯(lián)合太陽能公司(VSSC)制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%,三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13%。
上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積(0.25cm2)電池上取得的。曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過12.5%,日本中央研究院采用一系列新措施,制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13.2%。國內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多,南開大學(xué)的耿新華等采用工業(yè)用材料,以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為8.28%的a-Si/a-Si疊層太陽能電池。
非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn),有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高,直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題,那么,非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。
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