太阳能电池的研究进展
太阳能电池研究进展
随着化石能源的逐渐枯竭及其利用过程中所产生的环境恶化，人类迫切需要寻求对环境友好的可再生能源。太阳能是目前最具前景的新型能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能的使用不会对生态环境造成破坏，是一种安全无污染的可再生能源。太阳能的利用成本也很低，并且太阳能的使用不受地里条件的限制。太阳能的利用形式多种多样，比较典型的有光热转换和光电转换。而在太阳能的有效利用中太阳能的光电利用可将太阳能直接转换为电能，被认为是最有效的利用太阳能的方式，也是今年来发展最快，最具活跃的领域[1,2,3]。因此太阳能电池的开发和研制也就日益得到科学家们的重视。
制造太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应，根据制造太阳能电池所用的材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的无机盐太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。本文主要介绍了硅太阳能电池的种类，研究现状及其应用前景，并探讨了硅太阳能电池的发展趋势。
第一代硅太阳能电池
1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元[15]，不久后应用于人造卫星，宇宙飞船等航空航天领域。而现在硅太阳能电池占到了整个太阳能电池产量的90%以上，硅太阳能电池是最重要也是技术最成熟的太阳能电池。近年来随着新技术的不断应用，硅太阳能电池的转换效率提高较快。
单晶硅太阳能电池
在硅太阳能电池的发展初期，由于单晶硅的价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出地面应用太阳能电池市场。但是随着太阳能电池的薄
片化发展，工业上已经可以生产出厚度小于
200μm的电池片，实验室甚至可以制备出40μm厚的电池片[16]，使得单个太阳能电池片对原材料的需求大大降低。再加上Sanyo公司研发的异质结（HIT）单晶硅太阳能电池[17]和Sunpower公司研发的A300单晶硅太阳能电池[18]等一系列具有新颖结构的高效太阳能电池的大规模生产，单晶硅太阳能电池的市场份额反而较以往有所增加[19]。
典型的高效单晶硅太阳能电池是新南威尔士大学研制的钝化发射区背面局部扩散（PERL）单晶硅太阳能电池[20],如图3所示。这种电池具有倒金字塔织构、双层减反射膜以及背反射结构，使电池拥有优异的陷光性能，利用氧化层钝化电池的正，背两面，增加了电池少子的寿命。另一方面采用点接触代替原来的全覆盖式的背面铝合金接触，使PERL电池的转换效率高达24.7%，接近理论值。PERL 单晶硅太阳能电池是迄今为止转换效率最高的晶体硅太阳能电池。
图3 PERL单晶硅太阳能电池
由Sanyo公司开发的HIT太阳能电池，如图4所示，它是近年来太阳能电池开发过程的一个创新，这种太阳能电池利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在已经织构化的n型单晶硅两侧分别沉积i+p层和i+n层非晶硅，然后利用溅射技术在电池的两面沉积透明氧化物导电膜，制作Ag电极。由于非晶硅具有优异的钝化能力，能很好地钝化电池前后两个异质界面，使整个HIT电池制备过程都在低温下（＜200℃）进行，避免了高温（＞1000℃）对电池少子寿命的影响，因此这种电池的最高效率可达21.3%。作为一种高效率的太阳电池，
HIT电池在光伏建筑一体化方面具有很大的优势，而且由于其对称结构，这种电池还能作为双面电池使用[21]。
图4 HIT单晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料[22]。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，它是太阳能电池的主流产品类型[23]。随着长晶技术和太阳能电池技术的不断改进，近年来多晶硅太阳能电池的转换效率得到了大幅度的提高[22]。多晶硅太阳能电池的最高转换效率约21.4%[24]，商业化多晶硅太阳能电池的效率约13%-15%[25]，多晶硅太阳能电池占据了市场的大部分份额。德国Fraunhofer太阳能研究所制备的多晶硅太阳电池( 如图5所示 ) 的光电转换效率已经达到20.3 %[26]，刷新了多晶硅太阳电池转换效率的记录。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的表面织构,光学和电学性能良好,而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的热氧化钝化电池后表面,在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡点,既保证了钝化效果,又减少了温度对少子寿命的影响,使电池的性能得到最优化。
图5 多晶硅太阳能电池
第二代硅太阳能电池
第二代硅太阳能电池是基于薄膜材料的太阳能电池。薄膜硅太阳能电池所需的硅材料较晶体硅太阳能电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，是一种有效降低成本的方法。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅薄膜太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池。
3.2.1非晶硅薄膜太阳能电池
非晶硅属于直接带系材料,对阳光吸收系数高,只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光[27]。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世,非晶硅薄膜太阳能电池的成本低,便于大规模生产。由于硅原料不足和价格上涨,促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜电池低廉的成本弥补了其在光电转换效率上的不足,未来将在光伏发电上占据越来越重要的位置。但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳电池效率偏低,且其效率还会随着光照而衰减( ST 效应)[28]，导致非晶硅薄膜太阳电池的应用受到限制。目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合,生成非晶硅/微晶硅异质结太阳电池[29] ,这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点,而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度[30]。单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为16.6%[31]。
3.2.2多晶硅薄膜太阳能电池
多晶硅薄膜太阳能电池是近几年来太阳能电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接带隙材料,不是理想的薄膜太阳能电池材料,但是随着陷光技术、钝化技术以
及载流子束缚技术的不断发展
,人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳能电池。目前主要用两种技术路线来制备多晶硅薄膜[32]:一种是采用非硅衬底；另一种是采用低品质的硅衬底。
(1) 非硅衬底多晶硅薄膜太阳电池
非硅衬底(如玻璃、陶瓷等) 可以大幅度降低成本,但是所获得的多晶硅薄膜晶粒较小,为了获得器件级的多晶硅薄膜,需要复杂的工艺。日本Kaneka公司的STAR太阳电池(如图6所示) 就属于这类电池[33]。它利用CVD 技术在玻璃衬底上生长2nm厚的非晶硅薄膜，然后在氢原子气氛中进行重结晶,不断重复上述过程,直到底层完全晶化,再在已晶化的底层上沉积多晶硅薄膜。这种多晶硅薄膜呈柱状晶结构,具有(110) 择优取向。凭借其优异的陷光技术和结构设计, STAR 太阳电池的效率达到10.1%。这种薄膜电池的光谱响应和效率对温度的依赖关系等特征与多晶硅太阳电池完全一致。
图6 STAR多晶硅薄膜太阳能电池
（2）低品质硅衬底多晶硅薄膜电池
采用低品质硅带如EFG、SR 等为衬底[34],可以直接外延生长多晶硅薄膜,并且可得到具有较大颗粒尺寸的多晶硅薄膜,工艺简单,效率较高,易于实现大规模工业化。我国中科院广州能源研究所和德国Fraunhofer 太阳能研究所合作,在颗粒硅带衬底上利用快热CVD法沉积多晶硅薄膜，并以此为基础制备太阳电池(如图7所示)。在不使用钝化和陷光技术的前提下，电池的转换效率达到了8.25 %[35,36]。德国Fraunhofer 太阳能研究所在此基础上，通过在颗粒硅带上预
先沉积一层穿孔隔离层并对沉积的多晶硅薄膜进行重结晶
，制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到11.2%[37]。
图7SSP衬底上的多晶硅薄膜太阳能电池
第三代硅太阳能电池
薄膜太阳电池的研究任务还没有结束,第三代太阳电池的概念已经提出。Martin Green 认为第三代太阳电池必须具有如下几个条件:薄膜化,转换效率高,原料丰富且无毒[38]。目前第三代太阳电池还在进行概念和简单的试验研究[39]。已经提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。
叠层太阳能电池采用多层电池结构设计，每层电池的能带均不相同，顶层电池的能带最高，往下依次降低，这样能量高的光子被上面能带高的电池吸收，而能量低的光子则能透过上面的电池而被下面能带低的电池吸收，从而有效地提高了太阳能电池的效率。在理想状态下，无限增加电池层的数目，电池的理论效率可以显著提高[40]。目前广泛研究的非晶硅/微晶硅电池便是这种理想状态的雏形。但是随着电池层数的增加，层间的点阵匹配问题变得越来越复杂，对工艺与技术的要求也越来越严格，而且为了优化能带结构，势必要用到一些有度或稀有元素，这些都不符合第三代硅太阳能电池的要求。
通过适当地掺杂可以在能带中引入中间能级，使太阳光入射到这种材料内部时，不同能量的光子可以将电子激发到不同能带，从而有效利用太阳光。理想情况下电池的转换效率可以达到62%-71.2%[41]，但是由于受到实际条件的限制太阳能电池实际转换效率大约33%，这就说明提高太阳能电池的转换效率还有很大的空间
[42]。例如美国伯克利国家实验室的研究人员在锌锰硅合金中注入氧，使合金具有0.73eV，1.83eV，2.56eV等三个能级。这种合金几乎能对整个太阳光谱作出响应，而且原料丰富，是一种比较理想的硅太阳能电池材料[43]。
硅太阳能电池的发展趋势
从以上对于硅太阳能电池各个方面的探讨可知，作为太阳能电池材料，Ⅲ-Ⅴ族化合物等属于稀有元素，尽管用它们制成的太阳能电池转换效率很高，但是从材料来源角度看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而纳米微晶太阳能电池的研究刚刚起步，生产工艺技术相对不成熟，转换效率还很低，因此这类太阳能电池短时间内不可能替代硅太阳能电池。虽然硅材料存在一些问题，但是依然是目前太阳能电池的主要材料约占整个太阳能电池产量的90%以上[44]。硅太阳能电池是最重要且技术最成熟的太阳能电池[45]。因此从材料来源和转换效率的角度考虑，今后发展的重点仍然是硅太阳能电池[46]，特别是多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池。同时由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅太阳能电池，作为市场的主导产品。
硅太阳能电池的制造成本经过几十年的研究改进终于有了大幅度的降低，但是与常规能源相比，依然比较昂贵，这就限制了硅太阳能电池的进一步大规模应用。目前硅太阳能电池的大规模应用需要解决两大难题：提高光电转换效率和降低成本。因此硅太阳能电池产业的发展主要从以下一个方面加以改进：第一，要减少材料消耗；第二，要减少制造过程中的能耗；第三，要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性；第四，要减少生产设备的投资，降低太阳能电池产业的准入门槛；第五，要扩大生产规模和采用更大面积的基片。
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