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多晶硅高效太阳能电池的产生

2007-07-18 03:26:00| 来源: | 评论:0| 点击: |

 多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,设备比较简单,制造过程简单、省电、节约硅材料,对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电他工艺改善;由于材质和晶界影响,电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。

    近年来吸杂工艺再度受到重视,包括三氯氧磷吸杂及铝吸杂工艺。吸杂工艺也在微电子器件工艺中得到应用,可见其对纯度达到一定水平的单晶硅硅片也有作用,但其所用的条件未必适用于太阳电他,因而要研究适合太阳电池专用的吸杂工艺。研究证明,在多晶硅太阳电池上,不同材料的吸杂作用是不同的,特别是对碳含量高的材料就显不出磷吸杂的作用。有学者提出了磷吸杂模型,即吸杂的速率受控干两个步骤:①金属杂质的释放/扩散决定了吸杂温度的下限;②分凝模型控制了吸杂的最佳温度。另有学者提出,在磷扩散时硅的自间隙电流的产生是吸杂机制的基本因素。

    常规铝吸杂工艺是在电池的背面蒸镀铝膜后经过烧结形成,也可同时形成电他的背场。近几年在吸杂上的工作证明,它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。

    钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化,钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料,氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用pECVD法镀上一层氮化硅减反射膜,由于硅烷分解时产生氢离子,对多晶硅可产生氢钝化的效果。

    在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率,近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果,尤其采用热氧化法效果更明显。使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化,近年来也被使用,具有一定的效果。

    多晶硅太阳电他的表面由于存在多种晶向,不如(100)晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结、构,因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标,其中采用多刀砂轮进行表面刻槽,对10cmX10cm面积硅片的工序时间可降到30秒,具有了一定的实用潜力。

    多孔硅作为多晶硅太阳电他的减反射膜具有实用意义,其减反射的作用已能与双重减反射膜相比,所得多晶硅电他的效率也能达到13。4%。我国北京有色金属研究总院及中科院感光化学研究所共同研制的在丝网印刷的多晶硅太阳电池上使用多孔硅也已达到接近实用的结果。

    由于多晶硅材料制作成本低于单晶硅cZ材料,因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力,因而提高多晶硅电池效率的研究工作也受到普遍重视。近10年来多晶硅高效电他的发展很快,其中比较有代表性的工作是Geogia  Tech.电池,UNSW电池,Kysera电池等。

   (1)Geogia  Tech.电池

    Geogia工业大学光伏中心使用电阻率0.65 Ωcm、厚度280µm的HEM(热交换法)多晶硅片制作电池,n+发射区的形成和磷吸杂结合,采用快速热过程制备铝背场,用lift一off法制备Ti/Pd/Ag前电极,并加双层减反射膜。1cm2电他的效率AM1.5下达到18.6%。

   (2)UNSw电池

    uNsw光伏中心的高效多晶硅电池工艺基本上与PER1。电池类似,只是前表面织构化不是倒金字塔,而是用光刻和腐蚀工艺制备的蜂窝结构。多晶硅片由意大利的Eurosolare提供,lcm2电他的效率AMI•5下,达到19.8%,这是目前水平最高的多晶硅电他的研究结果。该工艺打破了多晶硅电池不适合采用高温过程

的传统观念。

   (3)Kysera电池

     日本ky0cera公司在多晶硅高效电池上采用体钝化和表面钝化技术,PECVDSiN膜既作为减反射膜,又作为体钝化措施,表面织构化采用反应性粒子刻边技术。背场则采用丝印铝奖烧结形成。电池前面栅线也采用丝印技术。15cmX15cm大面积多晶硅电池效率达17.1%。目前日本正计划实现这种电池的产业化。

    (4)我国多晶硅电他

     北京有色金属研究总院在多晶硅电池方面作了大量研究工作,目前10cmX10cm电池效率达到11.8%。北京市太阳能研究所在“九五”期间开展了多晶硅电池研究,1cm2电池效率达到14•5%。我国中试生产的10cmX10cm多晶硅太阳电他的效率为10一11%,最高效率为12%。

1.4多晶硅薄膜电池

    自70年代以来,为了大幅度降低太阳电池的成本,光伏界一直在研究开发薄膜电池,并先后开发出非晶硅薄膜电他,硫化镐(CdTe)电他,铜钢硒(C1S)电池等。特别是非晶硅电池,80年代初一问世,很快实现了商业化生产。1987年非晶硅电他的市场份额超过40%。但非晶硅电池由于效率低、不稳定(光衰减),市场份额逐年降低,1998年市场份额降为13%。cdTe电池性能稳定,但由于资源有限和Cd毒性大,近10年来市场份额一直维持在:13%左右;c1S电他的实验室效率不断攀升:最近达到18.%,但由于中试产品的重复性和一致性没有根本解决,产业化进程一再推后,至今仍停留在实验室和中试阶段;与此同时,晶体硅电池效率不断提高,技术不断改进,加上晶硅稳定,无毒,材料资源丰富,人们开始考虑开发多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电他的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势,又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点,因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另一方面,采用薄片硅技术,避开拉制单晶硅或浇铸多晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点,达到降低成本的目的。严格说,后者不属于薄膜电他技术,只能算作薄片化硅电池技术。

    (1)CVD多晶硅薄膜电池

    各种cvD(PECVD,RTCVD,cat一CVD,Hot一wire  CVD等)技术被用来生长多晶硅薄膜,在实验室内有些技术获得了重要的结果。例如日本kaneka公司采用PECVD技术在550℃以下和玻璃衬底上制备出具有pin结构的多晶硅薄膜电池,电池总厚度约2尸m,效率达到10%;德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和siN包覆陶瓷或sic包履石墨为衬底,用快速热化学气相沉积(RTCVD)技术沉积多晶硅薄膜,硅膜经过区熔再结晶(ZMR)后制备太阳电池,两种衬底的电池效率分别达到9.3%和11%。

    北京市太阳能研究所自1996年开始开展多晶硅薄膜电他的研究工作。该所采用RTCVD技术在重掺杂非活性硅衬底上制备多晶硅薄膜和电池,1cm2电池效率在AM1.5条件下达到13.6%,目前正在向非硅质衬底转移。

    (2)多层多晶硅薄膜电池

    uNSW1994年提出一种多层多晶硅薄膜电他的概念和技术,1994年与Pacific  Power公司合作成立kcifiC  sO1ar公司开发这种电池。最近报道,该公司已经生产出30cmX40cm的中试电池组件。薄膜采用CVD 工艺沉积,衬底为玻璃,通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联和集成。据称,电池组件的主要成本是封装玻璃,商业化后的发电成本可与煤电相比

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