硅太阳电池开发路线图

硅太阳电池开发路线图出自：Els Parton，Guy Beaucarne，IMEC光伏产业增长强劲，过去十年的年平均增长率达40%。

预期未来十年这一增长率将保持在25-40%。

其结果会使全世界减少对化石燃料的依赖，减少与发电相关的CO的排放。

2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。

必须认识到，光伏组件所用硅片价格取决于多晶硅料的成本和可供资源。

现今，光伏产业面临多晶硅料的短缺，硅片价格上涨。

由此很明显，减少太阳电池中昂贵的电子级硅的消耗就能降低太阳电池的成本。

达到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；或者在低成本衬底上应用薄膜晶体硅（厚度小于20μm）。

比利时IMEC研究所以其对PV技术的洞察，比较了薄硅片太阳电池和薄膜太阳电池二者的路径，确定了发展路线图（图1）。

体硅太阳电池“体硅”太阳电池是基于自支撑的硅片，厚度为180-240μm。

大多数大型商用太阳电池工厂现在采用多晶硅片。

硅片通常是p-型掺杂的。

N型杂质扩散在硅片上面，这样就在表面下几百纳米处形成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），增加耦合进入太阳电池的光数量。

ARC层还有表面钝化作用，它可以防止载流子在太阳池表面的复合。

为了进一步减少反射损失，在做其它工艺步骤前常常将太阳电池的表面制绒，为光线进入电池结合提供多重机会。

接着实现金属接触。

在背面制作全面积金属接触，通常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接触。

金属接触要进行短时间退火，将其烧结并使正面接触侵蚀穿过ARC层。

最后，各太阳电池用细金属带互相连接，组装成组件或“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背面加铝合金有关。

合金工艺及硅与铝之间的热失配引起应力场扩展，使得硅片明显弯曲。

这在硅片处理和组件制造中会产生很多问题。

另一问题是背面的载流子复合。

背面区域高掺杂铝（称为“铝背场BSF”），只能提供中等的表面钝化。

对于很薄的电池片，背面的复合现象非常重要，会引起短路电流密度和开路电压二者的损失。

i-PERC太阳电池概念为了规避薄硅片制造中的这些问题，IMEC开发了i-PERC工艺。

PERC （passivated emitter and rear cells，钝化发射极和背表面电池）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，这一工艺是基于工业应用技术。

i-PERC工艺与标准工艺不同，因为不再把铝直接淀积在硅的背面。

而是用低温淀积技术淀积SiO/SiN介质2层，然后用激光打洞，最后是铝丝网印刷，烧结形成穿过孔洞的局部背场（BSF）接触。

这样，大部分硅与铝隔离，减少了背表面复合，从而提高了短路电流和开路电压。

i-PERC背面结构也改善了光线的束缚，因为在1000nm 以上红外波长处，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%。

这体现了净增长0.9mA/cm2，或总效率提高4%。

此外，对i-PERC太阳电池来说，完全消除了弯曲问题（即使硅片薄至80μm），因为由铝合金工艺引起的应力只是局部的。

i-PERL太阳电池概念PERL（passivated emitter, rear locally diffused，钝化发射极，背面局部扩散）概念是为实验室型小面积高效率太阳电池提出的。

它与PERC概念有关，但特别之处是在背面局部区域有硼掺杂。

由于在扩散区缺少少数载流子，背接触表面处的复合速率就进一步降低。

文献中已经证明，实验室条件下用PERL概念制作的小面积晶硅太阳电池能达到一个太阳的效率接近25%，采用对体硅寿命谱和表面钝化所做的实际假定时，这一性能距可能达到的最大效率（26%）已不远。

IMEC挑战的是开发大面积PERL电池的工艺流程，以及工业上可应用的技术，这些技术目前只是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很多优点：（1）可产生更多有效的半导体面积，因而有可能增加电池效率；（2）有可能大大降低组件装配成本，因为全部外部接触均在单一表面上；（3）从建造结构的观点看来提供了增值，因为汇流条和焊线串接存在引起的视觉不适被组件背面替代。

当前背接触太阳能电池的研究活动一方面是组件制造，另一方面是开发背接触太阳电池的新概念，重点是便于转换到生产中的工艺技术的使用。

超薄体硅太阳电池（U-电池概念）将来的薄硅片太阳能电池可能薄至40μm。

达到这一点的主要挑战是怎样生产如此薄的硅片。

用传统的线切割技术，硅片的厚度不大可能比100μm低很多，且kerf损失（切割过程中的Si损耗）将是严重的。

但是，这种超薄硅片（更进一步为箔硅片）能用lift-off技术实现。

IMEC近来提出了一种生产厚50μm晶硅片的全新方法。

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，收缩差异引起了大应力场，它通过平行于表面的方向开始产生并传播的裂开得到释放（图2）。

薄膜硅太阳电池减少太阳电池所用硅数量的另一重要途径是，把有源层厚度减少到20μm或更少。

这些晶体硅可用低成本载体（低成本硅或非硅衬底）支撑。

Epi-电池概念外延薄膜太阳电池是用在低成本高掺杂硅片上生长高质量的薄硅有源层（20μm）实现的，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-电池法的优点是，其太阳电池生产工艺与通常的“体”硅太阳电池非常类似。

因而，与其它薄膜电池概念比较，在现有的生产线中实施这一方法相对来说容易。

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主要不足是，与通常的体硅太阳电池相比，其效率中等，约为11-12%。

这些电池的开路电压和填充因子能达到类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的短路电流损失。

IMEC开发旨在提高外延薄膜太阳电池效率的技术。

例如，解决了等离子制绒技术将太阳电池有源层表面制绒，减少反射率并增加表面的光散射。

除了由于反射率减少和光斜面耦合进入电池而提高效率外，与平面电池比较，等离子制绒也降低了接触电阻。

等离子制绒产生的效果是：短路电流提高了1.0-1.5mA/cm2，效率提高了0.5-1.0%。

提高外延薄膜硅太阳电池效率的另一改进措施是，在有源层和低成本衬底之间界面处加入多孔硅镜。

此镜减少长波长光进入衬底的透光率。

实际上，反射镜是由电化学刻蚀多孔硅堆（由交替的高-孔隙率和低-孔隙率层构成）制造的。

这些多孔硅层的折射率取决于孔隙率。

孔隙率交替不同的多层作用如同多级布拉格反射镜。

而且，多孔硅保持下层结构的晶体结构，使外延生长能够进行。

在反射镜和丝网印刷接触电极的低成本硅衬底上制作的太阳电池可达到极佳的效率13.9%，接近体晶硅太阳电池的效率。

薄膜多晶硅电池概念另一个极具降低成本潜力的薄膜太阳电池制造途径是薄膜多晶硅技术。

在低成本非硅衬底上淀积很薄一层（仅约5μm）晶体硅。

为了获得缺陷密度相对较低的一层，用铝引发的结晶（AIC）技术制备了纵深比小的晶粒组成的籽晶层，接着外延加厚。

因为要用热CVD生长有源层，选择的衬底必须要耐高温，例如陶瓷衬底和玻璃-陶瓷衬底。

目前在陶瓷衬底上最好的效率为8%，在玻璃-陶瓷衬底上为6.4%，这些是基于籽晶层方法的薄膜多晶硅电池到目前为止全球最好的结果。

薄膜多晶硅太阳电池中器件最重要的部分是发射极。

用非晶硅/多晶硅异质结发射极代替扩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大量研究工作外，IMEC还研究地面集聚器所用的光伏堆叠。

该研究的主要目的是开发创新技术，制造效率能达35%的4端高效机械堆叠。

这包括制造薄膜InGaP/GaAs顶层电池和Ge-底层电池。

长期看来，对于一些特殊应用，有机太阳电池会成为硅基太阳电池的良好替代品。

有机太阳电池的有源层一般在100nm到几微米数量级。

材料消耗少以及淀积这些材料的技术（印刷法）适合极高的生产率（比现有的太阳能电池技术大1-2个数量级）可以使成本比现有的太阳电池技术低5-10倍。

有机太阳电池领域最具前景的概念之一是施主/受主异质结。

此时，有源层是由二种不同的共轭有机材料的均质混合物组成，夹在金属电极之间。

结论太阳电池产业正在飞速增长，全球的研究团队正在寻找提高电池效率和/或降低成本的途径。

IMEC已提出太阳电池发展路线图，预计了基于薄硅片的太阳电池向在低成本载体上厚度低达40μm或单片薄膜太阳电池组件的逐步转变。

所有这些将要使太阳电池的成本至少降低为目前的1/3，每瓦硅用量（Si/W）减少一个数量级——现在此值稍稍低于10g/W。

作者简历Els Parton在比利时Katholieke Universiteit Leuven (K.U.Leuven)获得工程学位和生物科学博士学位。

2001年加入IMEC任科学编辑，负责编写和编辑技术文件和出版物。

Guy Beaucarne 1995年在比利时Catholic University of Leuven (KUL)获得机电工程学位。

在IMEC做有关薄膜硅太阳电池的博士研究工作，2000年从KUL获得博士学位。

2001年，他是悉尼University of New South Wales从事第三代光伏课题的研究。

随后加入悉尼Pacific Solar公司，致力于开发在玻璃上的光伏新技术。

2003年2月重返比利时IMEC，现在是太阳电池技术小组的领导人。

他指导IMEC的所有无机太阳电池工作。