晶体硅太阳电池技术的发展.doc

第二节 晶体硅太阳电池技术的发展2.1简介尽管硅太阳电池的.历史可以追溯到20世纪60年前硅双极性器件刚开发的吋 期，但直到80年代末、90年代初，太阳电池技术才得到高速发展现阶段无论 是电池理论的研究还是实验室研制的电池性能的研究，都取得了很大的进展，电 池性能己经提高到以往难以想象的水平H前实验室单晶硅和多晶硅电池的光电 转换效率已经分别达到25%和20.5%,远远高于过去认为20%的极限值硅太阳电池的设计和对硅材料的要求都不同于其他的硅电子器件为了获得高 转换效率，不仅要求表面有理想的钝化，同时也要求体材料特性均匀、高质量 这是因为较长波段的光必需穿过几百微米的硅层后才被完全吸收，血由这些波长 的光所产牛的载流子必须要有较长的寿命才能被电池收集本节主要冋顾硅太阳电池发展的历史，讨论现代电池设计的特点以及概括未来 可能实现的电池性能改进的方向2.2早期的硅太阳电池最早的晶体硅电池起源于硅在点接触整流器中应用的研究早在1874年金展 接点和各种晶体接触的整流特性就为人所知了在无线电发展的早期，这种晶体 整流器普遍用作无线电接收器的探测元件但是，随着热电子管的普及，除了在 超高频领域，晶体整流器已经被替代。

实践证明，最恰当的方法是鸭接点与硅表 面的接触该发现对提高硅的纯度和对硅特性的进一步研究起到了推动作用贝尔实验室的Russell Ohl在研究纯硅材料的融熔再结晶时，意外发现在很多商 用高纯硅衬底上牛长出的多晶硅锭显示了清晰的势垒这种“牛长结”是重结晶过 程中杂质分凝的产物Ohl还发现，当样品受光照或加热吋，结的-•端会产牛负 电势，而另一端必须在加负偏压吋，才能降低电阻使电流通过“势垒"，这个现象 导致了 pn结的诞牛加负压的这一•端材料被称为“n型”硅，相反的一端则称为“p 型”硅这一初步实验很明确地显示了施主杂质和受主杂质在pn结特性中各的 掺杂效果1941年，首个基于这种“牛长结”的光伏器件被报道图3.1(a)示出了从再结晶材料中截取的电池的几何结构，结与光照表面是平行的，电极分布 在器件顶部外围和整个背表面虽未见当时该电池能量转换效率的数据报道，但 有数据分析显示其光电转换效率应该远低于1%很明显，这种电池很难制备， 因为它缺乏对结区定位的控制图3.1 1941年采用牛长结的方法制备的硅太阳 能电池(a)氮离子注人形成“注人结”的太阳能电池⑹和扩散结太阳电池的结构(c)Kingsbury等在1 952年提出了一种能够更好地控制结形成的方法。

这种电池是 使用纯硅原料牛长的晶体硅制备而得，从而有效阻止了“牛长结"的随机形成如 图3.1(b)所示，1952年用氮离子轰击硅表面形成注入结，电极设计则和前--种电 池类似这种器件展示了良好的光谱响应特性，但仍然没有光电转换效率的相关 报道，据估计大约仅在1%在贝尔实验室，这些早期的成就很快被硅技术的快速发展所取代晶体牛长技 术的进步带来了，单晶硅制造技术的产牛，同时，高温扩散掺杂工艺也被开发出 来在此基础上，1954年，第一块现代意义上的单晶硅太阳电池间世了，它的发明者是贝尔实验室的 Pearson,fuller和Chapin□这一电池采用锂扩散的成结技术，获得的转换效率约 4.5%不久他们又用硼扩散替代锂扩散，使效率提高到6%o图3.1(c)所示的 正是第一个于1954年发表的电池结构的示意图它在单晶硅片上通过扩散掺杂 形成pn结，并在背面配有双电极结构这种电池的出现开创了光伏发电的新纪 元18个刀后，电池结构的改进乂把效率提高至10%o图3.1 (c)中所示的是一种称之为包绕型结，该结构的优点:①顶层没有 电极遮挡;②因为正负电极都在电池的背面上，电极容易连接但它也有缺点, 就是电阻比较高。

这是由于这种早期的电池，是制作在整块硅片上.其包绕型结 构使得电流需沿着硅片表层的扩散层传输很长一段距离，才能被背面的电极收 集在20世纪70年代，这种设计概念再次被夏普公司用于制造商业电池，但此 吋每片电池的单晶硅片直径仅为2〜3cm,只有早期电池的一-半，近来，这种电池 结构有可能应用于更大面积的硅片上，一种被称之为“polka・dot的太阳电池的设 计，将硅片腐蚀出一•排排通向背面的孔洞，这就大大缩短了电流收集的通路这 种电池结构，除了以上己经提过的优点外，还能提高用性能较差的硅片所制备太 阳电池的转换效率如带状硅、多晶硅等材料，只要少数载流子的扩散长度能达 到硅片厚度的一半，这种方式几乎可以使整个电池的光牛载流子都被收集太阳电池性能的进一步提升得益于将电极制备在硅片的上表面之上，并最终发 展成栅线电极的新概念由于这项改进，到1960年，地面应用的太阳电池的光 电转换效率已经达到14%,n型电池在地表太阳光及温度为18C吋，测量得到15% 的转化效率儿乎在同一时问，研究的重心从n型衬底开始转向p型衬底，这是 因为人们对太阳电池在宇宙飞船上的应用前景越来越感兴趣，而p型衬底具有更 好的杭辐射特性。

到60年代初，电池的设计已经趋向成熟，随后十年逐步进入 相对的稳定时期2.3、传统的空间电池空问电池的设计如图3.2(町所示主要特点包插，用lOQ.cmp型硅衬底来得到 最大的抗辐射能力，使用约40Q/口的方块电阻，0.5ym结深的磷扩散尽管已 知扩散的结越浅，蓝光响应越好，但此处仍采用了深结结构，主要是为了防止在 上电极金属化过程中引起pn结漏电后来乂添加了把的中问层，这一改进在之后的十年中被证明对于空间电池在其 升空前的环境中提高防潮性有很大帮助对于2cmx2cm的空间应用标准电池， 通常会在电池的一侧设计一条lmm宽的主栅线，与它垂直的是副栅线，--般总 共有六条，这些都是通过金属掩模蒸发形成，以降低电阻、增强电流的收集能力 随后，在电池的上表而镀一层一氧化硅，作为减反膜，有利于减小电池表而的反 射率但是一氧化硅薄膜对0.5Fim以下波长的光吸收性很强这种电池设计作为标准空问电池保持了十多年之久，直到现在还用于某些特定 的空间任务它的光电转换效率在太空辐射环境中为10%〜11%,在地面测试 条件下会相对提高10%〜20%.20世纪70年代初，背面铝处理技术的优势变得明显起来，特别是对于更薄的电 池。

由于铝背场的吸杂作用，空间电池的效率相应地提高到了 124%图3.2在60年代初期典型的硅太阳电池结构设计(a)、浅结“紫”电池(b)化学制绒后零反射的“黑体"电池(c2.4、 背面场Cummerow苗次把Shockley的扩散理论应用到光电能量转换器之中他论述了 少数载流子的反射边界条件并强调指出了减薄电池的重要性Wolf随后论述了 内电场对电池电流收集能力的影响，以及可由梯度掺杂产牛内电场等概念正如 在以上提到的，20世纪70年代初，背面铝处理的优势逐渐被发掘，它的作用主 要体现在提高开路电压、短路电流密度以及转换效率，而这一切应该归功于铝的 吸杂作用更详细的研究工作表明，背面电极的高掺杂区的存在带來了这些有利的影响 起初假定这种作用是因为多数载流子从背而掺杂区进人到电池体内，从而增加了 体内的有效掺杂浓度，降低了电池休内暗态的反向饱和电流，从而提高了开路电 压随后发现正确的解释应该是减少了背表面处的有效复合速率虽然背面场 (BSF)对提高电池开路电压的物理解释前后吋期有所不同，即便如此，BSF的提 法已经被众人所公认在lOQ.cm p型硅衬底上，采用背而场技术可以把效率提高5%--10%,使其达 到此前n型衬底所能得到的性能水平。

2.5、 紫电池如前所说，传统的空间电池对0.5pm以下波长的响应相对较差，原因是扩散的 结较深和SiO2减反膜也吸收该波长以下的光在20世纪70年代早期，采用了 浅结(0.2呵)和高方块电阻结，同吋重新设计整个电池来适应这种变化，如图3.2(b) 所示的，这种结构的变化使得电池性能取得了显著的提高图3.3是在恒定扩 散温度和不同扩散吋间的条件下，测得磷电活性沿结的深度分布的实际结果图 中曲线显示，在接近结的表面处有一段平坦的部分，它表示在所选定的扩散温度 下，结内含磷的浓度己经超过了磷在硅小的固溶度在此区域里相对于光伏效应 的有效性而言，磷的电活性非常差图3.3中这个平坦的区域被称为“死层二紫电池就是采用很浅的扩散结，甚至比图3.3中最浅的扩散结还要浅，以避免“死层‘的形成为了与浅扩散层带來的使薄层电阻壇加的弊端相抵，必须改用密集型的栅线电极其结果使电池的电阻将比传统电池的电阻更 低随后对减反膜也做了和应的改善，如选用TiO2及之后的Ta2O5, 都比SiO吸收更少，透明度更好同吋也为电池在做成电池组件吋 和其表面需要覆盖的玻璃间提供了更好的光学匹配性调整膜的厚 度，使其对短波响应优于传统的膜，所以最后电池的外表呈现特有 的紫色。

随后又发展了采用更高折射率的新减反膜材料，以及使用 双层减反膜的技术最后一项设计丄的变化是采用较低电阻率(2Qcm)的衬底材米农 这种改进，使电池在蓝光波段的抗辐射性相当好，而其余波段 的抗辐射性至少也不比传统的电池差，这样整体的电压输出相比原 来就有了提升开路电压的提高(改变了衬底电阻率)、电流输出的 提高(清除了死层，更好的减反膜，更少的表面电极遮挡)和填充因 子的提高(开路电压的提高，电池申联电阻的减小)都有助于电性能 极大的提升，与传统设计的空间电池电性能相比它要提高30%在 空问辐射的条件下，转换效率达13.5%O基于n型衬底的早期电池 的进展则为14%〜15%o图3.3在扩散温度为1000C,随不同扩散时问实测硅表面磷被活化的深度分 布2.6、“黑体电池”在“紫电池”取得优界的电性能后不久，电池正表面制绒的技术使电性能实现了 又一次大幅的提升早期的做法是用机械方法•在电池的受光面(称作上表面)形成 类金字塔形的结构，可以降低表面的反射率而所谓的“黑体电池"是基于类似的 概念，借用单晶硅晶面的各向异性特性，通过对不同晶向的选择性腐蚀，在(100) 晶向的硅衬底上将(111)而露出来，而显露出来的〔111)面交界便在电池表面随机 形成不同尺寸的等边类金字塔形，如图3.4(a)所示。

该技术对提高电池的电性能有两个显著的优势:第一，如图3.4(b)所示，光照射 到金字塔倾斜的表面吋，光是向下方反射的，从而至少可增加一•次光被电池吸收 的机会第二个优势如图中所示，光沿着不同倾斜的角度进人电池大部分的人 射光会在第一次到达金字塔表面吋就被折人电池，这些光会以一定的角度折射， 大大延长了光在电池内传播的路径长度，增加的光吸收部分大约是表面未制绒电 池所能吸收光的1.35倍等效于电池对光的吸收系数或者体内的扩散长度增加 了相同的幅度制绒工艺的第三个特点是可以更多地捕获入射光对于地面用的 电池来说，这是一个优势，因为它提高了电池的长波响应但是，对于空间电池 来说，却是一个弊端因为电池背电极处对低能量光子吸收的增加，所以缺乏有 效的散热措施，致使电池要在一个较高温度的空间的环境下工作，这样会极大地 抵消掉之前得到的增益，同吋在装配过程中也有可能对金字塔的塔尖造成磨损 由于之前在电性能方面体现出的优势并不能得到保证，这也就意味着表面绒面技 术并不能在空间领域得到广泛的应用图3.4当(100)晶面的硅片经过选择性腐蚀以后，显露岀来的(111)晶面所形成的 金字塔示意图(a)和反射光和折射光的光路示意图(b)和空间电池相比，“紫电池”和“黑体电池在电性能方面的优势如图3.5(a)、(b) 所示。

和早期使用的lOQcmo的衬底相比，使用低阻衬底(2Q・cm)在开路电压 方面的优势更为明显使用高阻衬底和背面场也可以实现和同的改进这两种新 电池的优势主要体现在短路电流密度的增加上短路电流密度的。