高效硅太阳能电池

引言

   硅仍然是光伏的首选材料，因为它丰富、无毒、电池效率高且稳定、生产基础设施成熟，而且硅器件的技术水平深厚且广泛。模块价格的快速下降意味着与面积相关的系统成本平衡在光伏系统价格中所占比例越来越大。这使得高效电池更受重视。近年来，在高质量晶片的大规模生产、处理薄晶片的能力、保持高少数载流子寿命、表面钝化、光学损耗最小化、器件特性以及其他领域都有了很大的改进。其中许多改进在大规模生产中是可行的。硅太阳能电池效率上限为29%，大大高于最好的实验室(25%) [1]和大面积商用(24%) [2，3]电池。在实验室和商业环境中，电池效率高于25%似乎是可行的。由于薄衬底与非常高的少数载流子寿命的结合，这种电池将具有最小的体复合；极好的表面钝化；符合低接触复合、自由载流子吸收和接触电阻的小面积电接触；通过使用纹理、防反射涂层和后表面反射器，实现出色的光学控制；通过使用更薄的晶片、更大的电池和边缘钝化来辅助低边缘复合；和足够的金属覆盖以最小化电阻损耗。本文将概述目前在高性能硅太阳能电池设计和制造方面的工作，并讨论提高效率的方法。

关键词 ：  高效  背面接触

   成千上万的研究人员和公司在晶体硅领域工作，将他们的能力投入到晶体硅材料、电池和模块的制造中。迅速出现的问题和机会引起了许多技术人员和公司的注意，从而产生了商业解决方案。公司迅速创新，创造出可以在商业环境中实施实验室改进的机器。几十年来，满足认证要求的晶体硅光伏模块被广泛认为性能符合预期。他们的失败模式是很好理解和可以避免的。晶体硅模块具有比市场上任何非集中模块高得多的效率，这降低了系统组件的面积相关平衡的成本。随着模块成本的下降，后者成为光伏发电的主要成本。这些属性在竞争材料中的共享程度不同。

在主导技术具有许多有利属性的情况下很难改变，晶体硅就是这种情况。许多分析师预计，晶体硅技术过去和现在对光伏市场的主导将持续到无限的未来。

 晶体硅太阳能电池在非聚集阳光下的理论极限效率约为29%。对于任何单结太阳能电池来说，这都不会远低于理论极限。最大效率的计算假设零反射损耗、朗伯光俘获、零电阻损耗、零表面复合和仅由俄歇和辐射模式产生的体积复合。串联太阳能电池和其他理论概念可能有更高的效率。在集中阳光照射下，最好的ⅲ-ⅴ串联电池达到44%(NREL报道的太阳能结)。然而，单位面积的成本比晶体硅电池高几个数量级。目前最好的实验室和商用硅太阳能电池在非集中日光下达到24-25%的效率，约为理论极限的85%。

     开发更高电池效率的主要商业动机是降低面积相关成本。这些包括模块材料(硅、电池制造、电池互连、玻璃、陶瓷、背板、框架)和系统成本(运输、围栏、土地准备、支撑结构、模块安装、布线)。次要动机包括从建筑物屋顶等小区域获得更大的功率输出，以及从高开路电压电池获得降低的效率温度系数。鉴于上文总结的晶体硅的诱人属性，提高效率的两个预期途径是改进电池设计和制造，以及基于硅的串联电池。

图1.最佳研究单元效率

 实验

 来自UNSW的MIS(金属-绝缘体-半导体)金属接触设计允许引入电池顶面的氧化物钝化。氧化物钝化足够薄，使得金属触点和硅之间的电子量子机械隧穿成为可能。在远离金属接触的区域中，通过应用带有俘获正电荷的一氧化硅抗反射涂层来保持反型层。这避免了对磷扩散的需要，尽管是以需要紧密间隔的金属接触的高有效发射极薄层电阻为代价的。另一个问题是随着时间的推移，捕获的正电荷被静电中和。光磷发射器扩散的加入消除了这些问题。实现了18-19%范围内的效率，提高了650-670毫伏的Voc以及35-36毫安/平方厘米的Jsc和81%的填充系数[5]。

高质量热氧化物中的孔，允许硅金属之间的电通信，同时最小化接触复合[6]。热氧化物最小化了沿向阳表面的金属触点之间的复合。后表面覆盖有铝合金，其重要作用是在向阳表面热氧化期间提供优异的吸气性能。缺乏有效的炉膛清洁技术使得这一点至关重要。光捕获和反射控制由表面特征提供，包括微凹槽和微倒金字塔，同时引入双层抗反射涂层(硫化锌/氟化镁)。效率在20-21%之间，Voc为660-670毫伏，Jsc为37-38毫安/平方厘米，填充系数为8283%。

少数载流子扩散长度与晶片厚度相似。铝合金后表面的吸杂优势超过了合金区域内相对较高的复合和光吸收率。氧化物钝化和光发射器磷掺杂导致良好的蓝色响应和可信的开路电压。金属指包括蒸发的钛/钯触点，随后是银电镀。电池的面积通常为4 cm2，这避免了与大电池相关的串联电阻损失的增加。在测量之前，它们不是从主晶片上切下来的，而是用孔眼掩模来测量电流。这避免了与切割边缘相关的高复合。较大的电池具有较小的周长与面积比，并且较少受到与主晶片分离的影响，但代价是增加了串联电阻。

假设抑制了所有损耗，图10显示了有效可用电流密度与电池宽度的函数关系。背接触太阳能电池的典型厚度为120微米，这必然会导致潜在电流的损失，该损失等于通过去除前金属接触所获得的增益(0.8毫安/平方厘米)。可以在抗反射涂层的质量上获得小的增益，但是由自由载流子吸收和不充分的光捕获引起的可避免的损失非常小。结论是，在优化的背接触或双面接触太阳能电池中，利用当前技术实际上可以实现略大于43 mA/cm2的电流密度。

图。10.作为电池厚度(宽度)函数的最大有效电流密度

结论：

使用背接触太阳能电池中的当前工艺技术，在论文(上文)中讨论的参数实际上是可以实现的。背接触设计的主要优点是降低了电阻损耗。高于720毫伏(35法/平方厘米)的开路电压兼容26%的效率。考虑到阳光电源、三洋和其他公司的进步，实现这种效率的过程要求很可能在商业环境中实现，尽管会有成本溢价。总之，未来几年，实验室和商业效率可能会提高到26-27%。