晶体硅太阳电池及材料

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1、晶体硅太阳电池及材料引言 1839年，法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出Se／CuO光电池。有关硅光电他的报道出现于1941年。贝尔实验室Chapin等人1954年开发出效率为6％的单晶硅光电池，现代硅太阳电池时代从此开始。硅太阳电他于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改进，电他设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引

2、人到电池的制造工艺中，太阳电池转换效率有了较大提高。与此同时，硅太阳电池开始在地面应用，而且不断扩大，到70年代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。80年代初，硅太阳电他进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电他的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大。 在太阳电他的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，如肖特基（Ms）电池，M1S电池，MINP电他；异质结电池（如ITO（n）／Si（p

3、），a-Si／c-Si，Ge／Si）等，其中同质p-n结电池结构自始至终占主导地位，其它结构对太阳电他的发展也有重要影响。 以材料区分，有晶硅电池，非晶硅薄膜电池，铜钢硒（CIS）电池，磅化镐（CdTe）电池，砷化稼电他等，而以晶硅电池为主导，由于硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它研究得最多、技术最成熟，而且晶硅性能稳定、无毒，因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。1 晶硅电他的技术发展1．1地面应用推动各种新型电池的出现和发展 晶硅电池在70年代初引入地面应用。在石油危机和降低成本的推动下，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这

4、个时期不但出现了许多新型电池，而且引入许多新技术。例如： （1）背表面电场（BSF）电池——在电他的背面接触区引入同型重掺杂区，由于改进了接触区附近的收集性能而增加电他的短路电流；背场的作用可以降低饱和电流，从而改善开路电压，提高电池效率。 （2）紫光电他一一这种电池最早（1972）是为通信卫星开发的。因其浅结（0．1一0．2µm）密栅（30／cm）、减反射（Ta2O5—短波透过好）而获得高效率。在一段时间里，浅结被认为是高效的关键技术之一而被采用。 （3）表面织构化电池——也称绒面电池，最早（1974）也是为通讯卫星开发的。其AM0时电池效率η≥15％

5、，AMI时η＞18％。这种技术后来被高效电他和工业化电池普遍采用。 （4）异质结太阳电池——即不同半导体材料在一起形成的太阳电池J瞩SnO／Si，In20／Si，（1n203十SnO2／Si电池等。由于SnO2、In2O3、（In2O3＋SnO2）等带隙宽，透光性好，制作电池工艺简单，曾引起许多研究者的兴趣。目前因效率不高等问题研究者已不多，但SnO2、In2O3、（1n2O3＋SnO2）是许多薄膜电他的重要构成部分，作收集电流和窗口材料用。 （5）M1S电池——是肖特基（MS）电他的改型，即在金属和半导体之间加入1．5一3．0nm绝缘层，使MS电池中多

6、子支配暗电流的情况得到抑制，而变成少子隧穿决定暗电流，与pn结类似。 其中i层起到减少表面复合的作用。经过改进的M1S电池正面有20一40µm的SiO2膜，在膜上真空蒸发金属栅线，整个表面再沉积SiN薄膜。SiN薄膜的作用是：①保护电池，增加耐候性；②作为减反射层（ARC）；降低薄膜复合速度：①在p-型半导体一侧产生一个n型导电反型层。对效率产生决定性影响的是在介电层中使用了银。该电池优点是工艺简单，但反型层的薄层电阻太高。 （6）MINP电池——可以把这种电池看作是M1S电池和p一n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起抑制作用。这种电池对后来的高效电

7、池起到过渡作用。 （7）聚光电池——聚光电他的特点是电池面积小，从而可以降低成本，同时在高光强下可以提高电池开路电压，从而提高转换效率，因此聚光电池一直受到重视。比较典型的聚光电池是斯但福大学的点接触聚电池，其结构与非聚光点接触电池结构相同，不同处是采用200Ωcm高阻n型材料并使电池厚度降低到100一160tLm，使体内复合进一步降低。这种电池在140个太阳下转换效率达到26．5％。1．2晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展  晶硅电池在过去20年里有了很大发展，许多新技术的采用和引入使太阳电池效率有了很大提高。在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的

8、电池结构和技术来改进电池性能，如背表面场，浅结，绒面，氧化膜钝化，Ti／Pd金属