基于晶體硅的太陽電池現(xiàn)在主宰光伏市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率超過90%。當(dāng)前多晶硅光伏組件的成本中，約50%與硅片有關(guān)。主要均勻分布在材料成本、晶體生長(zhǎng)和硅片制作三方面。必須認(rèn)識(shí)到，光伏組件所用硅片價(jià)格取決于多晶硅料的成本和可供資源。現(xiàn)今，光伏產(chǎn)業(yè)面臨多晶硅料的短缺，硅片價(jià)格上漲。

由此很明顯，減少太陽電池中昂貴的電子級(jí)硅的消耗就能降低太陽電池的成本。達(dá)到這一點(diǎn)有多種不同的途徑：用薄硅片，以100-150μm厚的硅片替代常用的220μm厚的硅片;或者在低成本襯底上應(yīng)用薄膜晶體硅(厚度小于20μm)。

比利時(shí)IMEC研究所以其對(duì)pV技術(shù)的洞察，比較了薄硅片太陽電池和薄膜太陽電池二者的路徑，確定了發(fā)展路線圖(圖1)。

體硅太陽電池

“體硅”太陽電池是基于自支撐的硅片，厚度為180-240μm。大多數(shù)大型商用太陽電池工廠現(xiàn)在采用多晶硅片。硅片通常是p-型摻雜的。N型雜質(zhì)擴(kuò)散在硅片上面，這樣就在表面下幾百納米處形成p-n結(jié)。

然后，在太陽電池的正面加防反射鍍層(ARC，大都是氮化硅)，增加耦合進(jìn)入太陽電池的光數(shù)量。ARC層還有表面鈍化作用，它可以防止載流子在太陽池表面的復(fù)合。為了進(jìn)一步減少反射損失，在做其它工藝步驟前常常將太陽電池的表面制絨，為光線進(jìn)入電池結(jié)合提供多重機(jī)會(huì)。

接著實(shí)現(xiàn)金屬接觸。在背面制作全面積金屬接觸，通常是絲網(wǎng)印刷金屬漿料(鋁)。在正面，用金屬漿料(銀)，以絲網(wǎng)印刷網(wǎng)狀金屬接觸。金屬接觸要進(jìn)行短時(shí)間退火，將其燒結(jié)并使正面接觸侵蝕穿過ARC層。最后，各太陽電池用細(xì)金屬帶互相連接，組裝成組件或“太陽電池板”。

硅片越來越薄時(shí)，上述的傳統(tǒng)太陽電池工藝遇到了一些問題。其中之一是與在整個(gè)背面加鋁合金有關(guān)。合金工藝及硅與鋁之間的熱失配引起應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)展，使得硅片明顯彎曲。這在硅片處理和組件制造中會(huì)產(chǎn)生很多問題。另一問題是背面的載流子復(fù)合。背面區(qū)域高摻雜鋁(稱為“鋁背場(chǎng)BSF”)，只能提供中等的表面鈍化。對(duì)于很薄的電池片，背面的復(fù)合現(xiàn)象非常重要，會(huì)引起短路電流密度和開路電壓二者的損失。

i-pERC太陽電池概念

為了規(guī)避薄硅片制造中的這些問題，IMEC開發(fā)了i-pERC工藝。pERC(passivatedemitterandrearcells，鈍化發(fā)射極和背表面電池)概念是為實(shí)驗(yàn)室型高效太陽電池提出的。“i”代表“工業(yè)的”，其意是指，與pERC不同，這一工藝是基于工業(yè)應(yīng)用技術(shù)。i-pERC工藝與標(biāo)準(zhǔn)工藝不同，因?yàn)椴辉侔唁X直接淀積在硅的背面。而是用低溫淀積技術(shù)淀積SiO2/SiN介質(zhì)層，然后用激光打洞，最后是鋁絲網(wǎng)印刷，燒結(jié)形成穿過孔洞的局部背場(chǎng)(BSF)接觸。這樣，大部分硅與鋁隔離，減少了背表面復(fù)合，從而提高了短路電流和開路電壓。i-pERC背面結(jié)構(gòu)也改善了光線的束縛，因?yàn)樵?000nm以上紅外波長(zhǎng)處，它比Al-BSF有更多的反射。在1100nm處，Al-BSF的背反射率為64%，而i-pERC背反射率是91%。這體現(xiàn)了凈增長(zhǎng)0.9mA/cm2，或總效率提高4%。此外，對(duì)i-pERC太陽電池來說，完全消除了彎曲問題(即使硅片薄至80μm)，因?yàn)橛射X合金工藝引起的應(yīng)力只是局部的。

i-pERL太陽電池概念

pERL(passivatedemitter,rearlocallydiffused，鈍化發(fā)射極，背面局部擴(kuò)散)概念是為實(shí)驗(yàn)室型小面積高效率太陽電池提出的。它與pERC概念有關(guān)，但特別之處是在背面局部區(qū)域有硼摻雜。由于在擴(kuò)散區(qū)缺少少數(shù)載流子，背接觸表面處的復(fù)合速率就進(jìn)一步降低。文獻(xiàn)中已經(jīng)證明，實(shí)驗(yàn)室條件下用pERL概念制作的小面積晶硅太陽電池能達(dá)到一個(gè)太陽的效率接近25%，采用對(duì)體硅壽命譜和表面鈍化所做的實(shí)際假定時(shí)，這一性能距可能達(dá)到的最大效率(26%)已不遠(yuǎn)。

IMEC挑戰(zhàn)的是開發(fā)大面積pERL電池的工藝流程，以及工業(yè)上可應(yīng)用的技術(shù)，這些技術(shù)目前只是常用在先進(jìn)的微電子或封裝場(chǎng)合。

I2-BC太陽電池概念

把正面的金屬柵格去掉有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)可產(chǎn)生更多有效的半導(dǎo)體面積，因而有可能增加電池效率;(2)有可能大大降低組件裝配成本，因?yàn)槿客獠拷佑|均在單一表面上;(3)從建造結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看來提供了增值，因?yàn)閰R流條和焊線串接存在引起的視覺不適被組件背面替代。當(dāng)前背接觸太陽能電池的研究活動(dòng)一方面是組件制造，另一方面是開發(fā)背接觸太陽電池的新概念，重點(diǎn)是便于轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)中的工藝技術(shù)的使用。

超薄體硅太陽電池(U-電池概念)

將來的薄硅片太陽能電池可能薄至40μm。達(dá)到這一點(diǎn)的主要挑戰(zhàn)是怎樣生產(chǎn)如此薄的硅片。用傳統(tǒng)的線切割技術(shù)，硅片的厚度不大可能比100μm低很多，且kerf損失(切割過程中的Si損耗)將是嚴(yán)重的。但是，這種超薄硅片(更進(jìn)一步為箔硅片)能用lift-off技術(shù)實(shí)現(xiàn)。IMEC近來提出了一種生產(chǎn)厚50μm晶硅片的全新方法。這種lift-off工藝，只需要用絲網(wǎng)印刷機(jī)和網(wǎng)帶爐，不需要離子注入或多孔層。在厚襯底上淀積與襯底熱膨脹系數(shù)不匹配的一層薄膜(例如金屬層)。冷卻時(shí)，收縮差異引起了大應(yīng)力場(chǎng)，它通過平行于表面的方向開始產(chǎn)生并傳播的裂開得到釋放(圖2)。

薄膜硅太陽電池

減少太陽電池所用硅數(shù)量的另一重要途徑是，把有源層厚度減少到20μm或更少。這些晶體硅可用低成本載體(低成本硅或非硅襯底)支撐。

Epi-電池概念

外延薄膜太陽電池是用在低成本高摻雜硅片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄硅有源層(20μm)實(shí)現(xiàn)的，這種硅片來自金屬級(jí)硅或硅廢料。用化學(xué)氣相淀積法淀積外延層。這種epi-電池法的優(yōu)點(diǎn)是，其太陽電池生產(chǎn)工藝與通常的“體”硅太陽電池非常類似。因而，與其它薄膜電池概念比較，在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中實(shí)施這一方法相對(duì)來說容易。此法構(gòu)成了體硅太陽電池和薄膜太陽電池(在非硅襯底上)間的橋梁。

外延薄膜硅太陽電池工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要不足是，與通常的體硅太陽電池相比，其效率中等，約為11-12%。這些電池的開路電壓和填充因子能達(dá)到類似于體硅太陽電池的水平，但由于光學(xué)有源層薄(20μm，體硅為200μm)，光由外延層進(jìn)入襯底時(shí)就消失在低質(zhì)量襯底中，導(dǎo)致總量達(dá)7mA/cm2的短路電流損失。

IMEC開發(fā)旨在提高外延薄膜太陽電池效率的技術(shù)。例如，解決了等離子制絨技術(shù)將太陽電池有源層表面制絨，減少反射率并增加表面的光散射。除了由于反射率減少和光斜面耦合進(jìn)入電池而提高效率外，與平面電池比較，等離子制絨也降低了接觸電阻。等離子制絨產(chǎn)生的效果是：短路電流提高了1.0-1.5mA/cm2，效率提高了0.5-1.0%。

提高外延薄膜硅太陽電池效率的另一改進(jìn)措施是，在有源層和低成本襯底之間界面處加入多孔硅鏡。此鏡減少長(zhǎng)波長(zhǎng)光進(jìn)入襯底的透光率。實(shí)際上，反射鏡是由電化學(xué)刻蝕多孔硅堆(由交替的高-孔隙率和低-孔隙率層構(gòu)成)制造的。這些多孔硅層的折射率取決于孔隙率。孔隙率交替不同的多層作用如同多級(jí)布拉格反射鏡。而且，多孔硅保持下層結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)，使外延生長(zhǎng)能夠進(jìn)行。在反射鏡和絲網(wǎng)印刷接觸電極的低成本硅襯底上制作的太陽電池可達(dá)到極佳的效率13.9%，接近體晶硅太陽電池的效率。

薄膜多晶硅電池概念

另一個(gè)極具降低成本潛力的薄膜太陽電池制造途徑是薄膜多晶硅技術(shù)。在低成本非硅襯底上淀積很薄一層(僅約5μm)晶體硅。為了獲得缺陷密度相對(duì)較低的一層，用鋁引發(fā)的結(jié)晶(AIC)技術(shù)制備了縱深比小的晶粒組成的籽晶層，接著外延加厚。因?yàn)橐脽酑VD生長(zhǎng)有源層，選擇的襯底必須要耐高溫，例如陶瓷襯底和玻璃-陶瓷襯底。目前在陶瓷襯底上最好的效率為8%，在玻璃-陶瓷襯底上為6.4%，這些是基于籽晶層方法的薄膜多晶硅電池到目前為止全球最好的結(jié)果。

薄膜多晶硅太陽電池中器件最重要的部分是發(fā)射極。用非晶硅/多晶硅異質(zhì)結(jié)發(fā)射極代替擴(kuò)散的同質(zhì)結(jié)發(fā)射極使得開路電壓提升了90mV。

硅以外的太陽電池

除了對(duì)硅基太陽電池進(jìn)行大量研究工作外，IMEC還研究地面集聚器所用的光伏堆疊。該研究的主要目的是開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，制造效率能達(dá)35%的4端高效機(jī)械堆疊。這包括制造薄膜InGap/GaAs頂層電池和Ge-底層電池。

長(zhǎng)期看來，對(duì)于一些特殊應(yīng)用，有機(jī)太陽電池會(huì)成為硅基太陽電池的良好替代品。有機(jī)太陽電池的有源層一般在100nm到幾微米數(shù)量級(jí)。材料消耗少以及淀積這些材料的技術(shù)(印刷法)適合極高的生產(chǎn)率(比現(xiàn)有的太陽能電池技術(shù)大1-2個(gè)數(shù)量級(jí))可以使成本比現(xiàn)有的太陽電池技術(shù)低5-10倍。有機(jī)太陽電池領(lǐng)域最具前景的概念之一是施主/受主異質(zhì)結(jié)。此時(shí)，有源層是由二種不同的共軛有機(jī)材料的均質(zhì)混合物組成，夾在金屬電極之間。

結(jié)論

太陽電池產(chǎn)業(yè)正在飛速增長(zhǎng)，全球的研究團(tuán)隊(duì)正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。IMEC已提出太陽電池發(fā)展路線圖，預(yù)計(jì)了基于薄硅片的太陽電池向在低成本載體上厚度低達(dá)40μm或單片薄膜太陽電池組件的逐步轉(zhuǎn)變。所有這些將要使太陽電池的成本至少降低為目前的1/3，每瓦硅用量(Si/W)減少一個(gè)數(shù)量級(jí)——現(xiàn)在此值稍稍低于10g/W。