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硅太阳能电池开发的战略方向

本站为您提供的硅太阳能电池开发的战略方向,  基于晶体硅的太阳电池现在主宰光伏市场,其市场占有率超过90%。当前多晶硅光伏组件的成本中,约50%与硅片有关。主要均匀分布在材料成本、晶体生长和硅片制作三方面。

  根据晶体硅的太阳电池现在操纵光伏商场,其商场占有率超越90%。当时多晶硅光伏组件的本钱中,约50%与硅片有关。首要均匀分布在资料本钱、晶体成长和硅片制作三方面。有必要认识到,光伏组件所用硅片价格取决于多晶硅料的本钱和可供资源。如今,光伏工业面对多晶硅料的短少,硅片价格上涨。


  由此很显着,削减太阳电池中贵重的电子级硅的耗费就能下降太阳电池的本钱。到达这一点有多种不同的途径:用薄硅片,以100-150μm厚的硅片替代常用的220μm厚的硅片;或许在低本钱衬底上运用薄膜晶体硅(厚度小于20μm)。


  比利时IMEC研讨所以其对PV技能的洞悉,比较了薄硅片太阳电池和薄膜太阳电池二者的途径,确认了开展路线图(图1)。


  


  体硅太阳电池


  “体硅”太阳电池是根据自支撑的硅片,厚度为180-240μm。大多数大型商用太阳电池工厂现在选用多晶硅片。硅片一般是p-型掺杂的。N型杂质分散在硅片上面,这样就在外表下几百纳米处构成p-n结。


  然后,在太阳电池的正面加防反射镀层(ARC,大都是氮化硅),添加耦合进入太阳电池的光数量。ARC层还有外表钝化效果,它可以避免载流子在太阳池外表的复合。为了进一步削减反射丢失,在做其它工艺过程前常常将太阳电池的外表制绒,为光线进入电池结合供给多重时机。


  接着完成金属触摸。在反面制作全面积金属触摸,一般是丝网印刷金属浆料(铝)。在正面,用金属浆料(银),以丝网印刷网状金属触摸。金属触摸要进行短时间退火,将其烧结并使正面触摸腐蚀穿过ARC层。最终,各太阳电池用细金属带相互衔接,拼装成组件或“太阳电池板”。


  硅片越来越薄时,上述的传统太阳电池工艺遇到了一些问题。其中之一是与在整个反面加铝合金有关。合金工艺及硅与铝之间的热失配引起应力场扩展,使得硅片显着曲折。这在硅片处理和组件制作中会发生许多问题。另一问题是反面的载流子复合。反面区域高掺杂铝(称为“铝背场BSF”),只能供给中等的外表钝化。关于很薄的电池片,反面的复合现象十分重要,会引起短路电流密度和开路电压二者的丢失。


  i-PERC太阳电池概念


  为了躲避薄硅片制作中的这些问题,IMEC开发了i-PERC工艺。PERC(passivated emitter and rear cells,钝化发射极和背外表电池)概念是为实验室型高效太阳电池提出的。“i”代表“工业的”,其意是指,与PERC不同,这一工艺是根据工业运用技能。i-PERC工艺与规范工艺不同,由于不再把铝直接淀积在硅的反面。而是用低温淀积技能淀积SiO2/SiN介质层,然后用激光打洞,最终是铝丝网印刷,烧结构成穿过孔洞的部分背场(BSF)触摸。这样,大部分硅与铝阻隔,削减了背外表复合,然后进步了短路电流和开路电压。i-PERC反面结构也改善了光线的捆绑,由于在1000nm以上红外波利益,它比Al-BSF有更多的反射。在1100nm处,Al-BSF的背反射率为64%,而i-PERC背反射率是91%。这表现了净添加0.9mA/cm2,或总功率进步4%。此外,对i-PERC太阳电池来说,彻底消除了曲折问题(即便硅片薄至80μm),由于由铝合金工艺引起的应力仅仅部分的。


  i-PERL太阳电池概念


  PERL(passivated emitter, rear locally diffused,钝化发射极,反面部分分散)概念是为实验室型小面积高功率太阳电池提出的。它与PERC概念有关,但特别之处是在反面部分区域有硼掺杂。由于在分散区短少少量载流子,背触摸外表处的复合速率就进一步下降。文献中现已证明,实验室条件下用PERL概念制作的小面积晶硅太阳电池能到达一个太阳的功率挨近25%,选用对体硅寿数谱和外表钝化所做的实践假守时,这一功能距或许到达的最大功率(26%)已不远。


  IMEC应战的是开发大面积PERL电池的工艺流程,以及工业上可运用的技能,这些技能现在仅仅常用在先进的微电子或封装场合。


  I2-BC太阳电池概念


  把正面的金属栅格去掉有许多长处:(1)可发生更多有用的半导体面积,因此有或许添加电池功率;(2)有或许大大下降组件安装本钱,由于悉数外部触摸均在单一外表上;(3)从制作结构的观念看来供给了增值,由于汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件反面替代。当时背触摸太阳能电池的研讨活动一方面是组件制作,另一方面是开发背触摸太阳电池的新概念,重点是便于转换到出产中的工艺技能的运用。


  超薄体硅太阳电池(U-电池概念)


  将来的薄硅片太阳能电池或许薄至40μm。到达这一点的首要应战是怎样出产如此薄的硅片。用传统的线切开技能,硅片的厚度不大或许比100μm低许多,且kerf丢失(切开过程中的Si损耗)将是严峻的。可是,这种超薄硅片(更进一步为箔硅片)能用lift-off技能完成。IMEC近来提出了一种出产厚50μm晶硅片的全新办法。这种lift-off工艺,只需要用丝网印刷机和网带炉,不需要离子注入或多孔层。在厚衬底上淀积与衬底热膨胀系数不匹配的一层薄膜(例如金属层)。冷却时,缩短差异引起了大应力场,它经过平行于外表的方向开端发生并传达的裂开得到开释(图2)。


  



  薄膜硅太阳电池


  削减太阳电池所用硅数量的另一重要途径是,把有源层厚度削减到20μm或更少。这些晶体硅可用低本钱载体(低本钱硅或非硅衬底)支撑。


  Epi-电池概念


  外延薄膜太阳电池是用在低本钱高掺杂硅片上成长高质量的薄硅有源层(20μm)完成的,这种硅片来自金属级硅或硅废料。用化学气相淀积法淀积外延层。这种epi-电池法的长处是,其太阳电池出产工艺与一般的“体”硅太阳电池十分相似。因此,与其它薄膜电池概念比较,在现有的出产线中施行这一办法相对来说简单。此法构成了体硅太阳电池和薄膜太阳电池(在非硅衬底上)间的桥梁。


  外延薄膜硅太阳电池工业竞争力的首要缺乏是,与一般的体硅太阳电池比较,其功率中等,约为11-12%。这些电池的开路电压和填充因子能到达相似于体硅太阳电池的水平,但由于光学有源层薄(20μm,体硅为200μm),光由外延层进入衬底时就消失在低质量衬底中,导致总量达7mA/cm2的短路电流丢失。


  IMEC开发旨在进步外延薄膜太阳电池功率的技能。例如,处理了等离子制绒技能将太阳电池有源层外表制绒,削减反射率并添加外表的光散射。除了由于反射率削减和光斜面耦合进入电池而进步功率外,与平面电池比较,等离子制绒也下降了触摸电阻。等离子制绒发生的效果是:短路电流进步了1.0-1.5mA/cm2,功率进步了0.5-1.0%。


  进步外延薄膜硅太阳电池功率的另一改善办法是,在有源层和低本钱衬底之间界面处参加多孔硅镜。此镜削减长波长光进入衬底的透光率。实践上,反射镜是由电化学刻蚀多孔硅堆(由替换的高-孔隙率和低-孔隙率层构成)制作的。这些多孔硅层的折射率取决于孔隙率。孔隙率替换不同的多层效果好像多级布拉格反射镜。并且,多孔硅坚持基层结构的晶体结构,使外延成长可以进行。在反射镜和丝网印刷触摸电极的低本钱硅衬底上制作的太阳电池可到达极佳的功率13.9%,挨近体晶硅太阳电池的功率。


  薄膜多晶硅电池概念


  另一个极具下降本钱潜力的薄膜太阳电池制作途径是薄膜多晶硅技能。在低本钱非硅衬底上淀积很薄一层(仅约5μm)晶体硅。为了取得缺点密度相对较低的一层,用铝引发的结晶(AIC)技能制备了纵深比小的晶粒组成的籽晶层,接着外延加厚。由于要用热CVD成长有源层,挑选的衬底有必要要耐高温,例如陶瓷衬底和玻璃-陶瓷衬底。现在在陶瓷衬底上最好的功率为8%,在玻璃-陶瓷衬底上为6.4%,这些是根据籽晶层办法的薄膜多晶硅电池到现在为止全球最好的成果。


  薄膜多晶硅太阳电池中器材最重要的部分是发射极。用非晶硅/多晶硅异质结发射极替代分散的同质结发射极使得开路电压提升了90mV。


  硅以外的太阳电池


  除了对硅基太阳电池进行很多研讨工作外,IMEC还研讨地上集聚器所用的光伏堆叠。该研讨的首要意图是开发立异技能,制作功率能达35%的4端高效机械堆叠。这包含制作薄膜InGaP/GaAs顶层电池和Ge-底层电池。


  长时间看来,关于一些特别运用,有机太阳电池会成为硅基太阳电池的杰出替代品。有机太阳电池的有源层一般在100nm到几微米数量级。资料耗费少以及淀积这些资料的技能(印刷法)合适极高的出产率(比现有的太阳能电池技能大1-2个数量级)可以使本钱比现有的太阳电池技能低5-10倍。有机太阳电池范畴最具远景的概念之一是施主/受主异质结。此刻,有源层是由二种不同的共轭有机资料的均质混合物组成,夹在金属电极之间。


  定论


  太阳电池工业正在飞速添加,全球的研讨团队正在寻觅进步电池功率和/或下降本钱的途径。IMEC已提出太阳电池开展路线图,估计了根据薄硅片的太阳电池向在低本钱载体上厚度低达40μm或单片薄膜太阳电池组件的逐渐改变。所有这些将要使太阳电池的本钱至少下降为现在的1/3,每瓦硅用量(Si/W)削减一个数量级——现在此值稍稍低于10g/W。

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