硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)高效太陽(yáng)電池研究.pdf

1、太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換是新能源利用的最重要組成部分之一，它在解決傳統(tǒng)化石能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)方面起著不可替代的作用。太陽(yáng)電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池高的能量轉(zhuǎn)換效率，需要盡量提高器件的光學(xué)增益和盡量降低器件的電學(xué)損失。晶硅太陽(yáng)電池在太陽(yáng)能光伏利用中占有絕大部分的市場(chǎng)份額，提高轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本是晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的永恒主題。
　　硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)，是硅微米絨面和硅納米結(jié)構(gòu)兩者的結(jié)合，它既具有硅納米結(jié)構(gòu)陣列幾乎不依賴于

2、入射角度的極低表面反射，也可以在保持等量的反射下進(jìn)行形貌的控制和優(yōu)化，從而在電學(xué)復(fù)合損失控制上體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。在硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方面，分成兩步，第一，采用和現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)一致的堿或酸刻蝕工藝制備金字塔（單晶）或“蠕蟲(chóng)”狀（多晶）硅微米絨面；第二，在微米絨面的基礎(chǔ)上，采用金屬輔助化學(xué)刻蝕(Metal-assisted Chemical Etching，MACE)法制備硅納米結(jié)構(gòu)陣列。MACE法工藝簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)大面積制備以及反應(yīng)

3、物可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。更為重要的是，MACE方法與現(xiàn)有產(chǎn)線工藝完全兼容，這意味著硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)的整套工藝流程與現(xiàn)有產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，為實(shí)現(xiàn)硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)高效太陽(yáng)電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　在本文中，我們基于MACE刻蝕方法，分別在大面積單晶硅和多晶硅片上制備了硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并用不同的鈍化介質(zhì)膜對(duì)它們實(shí)施鈍化。我們研究了它們的光學(xué)和電學(xué)特性，并將之應(yīng)用在單晶硅和多晶硅高效太陽(yáng)電池上，最終在硅基納微米復(fù)合結(jié)

4、構(gòu)太陽(yáng)電池器件效率上取得了突破。具體研究進(jìn)展可概括如下：
　　首先，我們基于原子層沉積（ALD）氧化鋁（Al2O3）鈍化的單晶硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)（面積125×125 mm2），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最低的光學(xué)減反（1.38%）和最低的表面復(fù)合速率（44.72 cm/s），解決了硅納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池中需要對(duì)光學(xué)增益和電學(xué)損失精細(xì)平衡這一難題。成功的關(guān)鍵在于ALD-Al2O3鈍化的硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)具有反常的電學(xué)特性，即具有更細(xì)納米線的復(fù)合結(jié)構(gòu)少子

5、壽命更高，原因是強(qiáng)的場(chǎng)效應(yīng)鈍化在更細(xì)的納米線上表現(xiàn)出來(lái)的鈍化效果更強(qiáng)；根據(jù)光學(xué)特性的研究，具有更長(zhǎng)（同時(shí)也更細(xì)）納米線的復(fù)合結(jié)構(gòu)光學(xué)反射更低，這主要來(lái)自納微米結(jié)構(gòu)和 SiNx:H薄膜互補(bǔ)的減反。根據(jù)這種光電最優(yōu)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了n型大面積單晶硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，并基于實(shí)驗(yàn)中得到的光電性能參數(shù)，模擬了這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池性能。結(jié)果顯示，最高的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到21.04%。該研究將為大面積高效納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池研究打開(kāi)了廣闊的空

6、間。
　　其次，我們通過(guò)對(duì)正面硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)射極和電池背面同時(shí)實(shí)施SiO2/SiNx疊層鈍化，成功制備了156×156 mm2標(biāo)準(zhǔn)尺寸、效率為20.0%硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)單晶硅太陽(yáng)電池。這一高轉(zhuǎn)換效率得益于太陽(yáng)電池的優(yōu)異寬光譜響應(yīng)。對(duì)電池正面和背面光電性能的研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異的寬光譜響應(yīng)來(lái)自于疊層鈍化的硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)射極良好短波光譜響應(yīng)和疊層鈍化背面的優(yōu)異長(zhǎng)波光譜響應(yīng)?；谠诙滩ê烷L(zhǎng)波段光譜響應(yīng)的改善，我們獲得了20.0%

7、的高轉(zhuǎn)換效率、0.653 V的高開(kāi)路電壓和39.0 mA/cm2的大短路電流密度。這種基于絲網(wǎng)印刷的高效太陽(yáng)電池在大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用方面顯示出廣闊前景。
　　最后，我們采用一步法銀輔助化學(xué)刻蝕技術(shù)，生長(zhǎng)了表面形貌光滑的多晶硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在大面積的156×156 mm2多晶硅片上，制備出了最高效率為17.63%的多晶硅基納微米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，超越了常規(guī)酸制絨多晶太陽(yáng)電池17.45%的效率。硅基納微米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的光電性能研究結(jié)果表

8、明：光學(xué)增益方面，硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)和 SiNx薄膜的聯(lián)合減反射使得電池具有更好的光學(xué)性能；電學(xué)損失控制方面，通過(guò)一步法對(duì)形貌的光滑（消除多孔硅）和形貌的優(yōu)化（采用更短的納米結(jié)構(gòu)），從而將器件的表面、俄歇和Shockley-Read-Hall復(fù)合損失控制到最低。光學(xué)增益和電學(xué)復(fù)合損失兩者之間的精細(xì)平衡是實(shí)現(xiàn)超越常規(guī)電池效率的關(guān)鍵。一步法MACE大面積多晶硅基納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的成功將會(huì)大大推進(jìn)納米結(jié)構(gòu)在多晶硅太陽(yáng)電池上的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。