外延薄膜硅太陽能電池的研究分析

第一種技術(shù)是制作外延(epitaxial)薄膜太陽能電池，從高摻雜的晶體硅片(例如優(yōu)級冶金硅或廢料)開始，然后利用化學(xué)氣相淀積(CVD)方法來淀積外延層。除成本和可用性等優(yōu)勢以外，這種方法還可以使硅太陽能電池從基于硅片的技術(shù)逐漸過渡到薄膜技術(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)有工藝線上實現(xiàn)。

第二種是基于層轉(zhuǎn)移(layer transfer)的薄膜太陽能電池技術(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將單晶硅層從襯底上分離下來。這種技術(shù)的思路是多次重復(fù)利用母襯底，從而使每個太陽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，并嘗試無支撐薄膜工藝的可能性。

最后一種是薄膜多晶硅太陽能電池，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，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。接著利用生長速率超過1 mm/min的高溫CVD技術(shù)，將種子層外延生長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是因為它的生長速率高，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)能夠提高太陽能電池的效率或簡化其工藝，并將降低其成本。但目前還沒有人能夠同時將這兩方面結(jié)合起來。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了必要的一步。

外延電池的改進

外延薄膜硅太陽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)界對這種電池類型的關(guān)注程度。它可以獲得與體硅太陽能電池相當(dāng)?shù)拈_路電壓和填充因子(單晶硅太陽能電池為±77.8%)。然而，短路電流(Jsc )受限于薄的光學(xué)有源層(20mm)。穿透外延層的光會被高摻雜、低質(zhì)量的襯底收集而損失掉。因此，這兩種太陽能電池技術(shù)之間的短路電流相差7 mA/cm2并不少見。體硅太陽能電池的Jsc典型值約為33 mA/cm2，而外延薄膜電池的平均值約為26 mA/cm2。

然而，兩項獨立的電池級開發(fā)成果已經(jīng)使這種狀況有所改善2。通過增大薄的有源層內(nèi)的光程長度，我們報導(dǎo)的絲網(wǎng)印刷外延電池的Jsc達到30 mA/cm2，效率達到13.8%。

對這些結(jié)果有貢獻的第一項改進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)過粗糙處理的有源層表面會使光100%地漫射 (即Lambertian折射器)。這使得光子能夠以60°的平均角穿過有源層，使光程長度增大為原來的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)點很多，包括更低的反射(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 (因為硅襯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絕對增長，而效率增加0.5-1.0%。

第二項改進是通過引入多孔硅布拉格反射器來進行內(nèi)部光捕獲。為了降低長波長的光進入到襯底的透射，在襯底和外延層之間的界面上放置一個中間反射器。這樣一來，到達該界面的光子就會被反射而第二次穿過有源層。由于光在進入電池的瞬間就開始漫射(這是由等離體粗糙處理的Lambertian特性所決定的)，很大比例的光子會以大于逃逸角的角度打在前表面上。因此，大部分的光子會再次向內(nèi)反射而第三次穿過有源層。這種情況不斷地重復(fù)，使得光子有可能多次穿越外延層。

在實踐中，這種反射器是通過電化學(xué)生長孔隙率高低交替變化的多孔硅疊層(多重布拉格反射器)來制作的。

延生長有源層的過程中，多孔硅疊層自動轉(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。對于一個 15層的多孔硅疊層，計算表明光程長度增大為原來的14倍。也就是說，15 mm薄層的光學(xué)表現(xiàn)相當(dāng)于厚度為210mm的硅層。

為了驗證這兩種改進方法的有效性，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%，填充因子達到77.8%，這表明使用重組織多孔硅疊層不存在電導(dǎo)問題。而在低質(zhì)量的硅襯底上獲得的實驗結(jié)果略低，效率是13.5%，填充因子為77.7%。對于多孔硅而言，在多晶襯底上生長的外延層質(zhì)量較差，這個事實可以解釋性能下降的原因。目前正在優(yōu)化工藝，在不久的將來有望獲得更高效率的增益。

多晶硅薄膜的改進

對于另一種類型的太陽能電池，也就是基于鋁誘導(dǎo)晶化的多晶薄膜太陽能電池，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。獲得多晶硅太陽能電池的另一種方法。然而，這種方法需要極高的溫度(超過1400℃)，這就要求襯底具有非常好的熱穩(wěn)定性，而且被污染的風(fēng)險也很大。取得這些成績的關(guān)鍵在于專門設(shè)計并實現(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)適用于多晶硅太陽能電池的高溫襯底都是絕緣體，所以必須開發(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?？梢允褂貌煌墓に囆蛄衼慝@得這種新穎的接觸結(jié)構(gòu)。目前使用的是一種簡單的兩步實驗室工藝，將光刻與金屬蒸發(fā)結(jié)合起來。而在大規(guī)模生產(chǎn)中，金屬化可以通過單步工藝來實現(xiàn)，比如利用掩膜來進行絲網(wǎng)印刷或蒸發(fā)。

這種專門設(shè)計的接觸結(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行比較。兩種接觸類型的開路電壓(Voc)基本相當(dāng)，但是叉指狀接觸的電池在短路電流(Jsc