异质结太阳电池简介

1、 报告人：报告人： 仲玉泉仲玉泉 专专 业：物理电子学业：物理电子学 学学 号：号：21201002122120100212HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin- layer）（带本征薄层异质结） 太阳电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳电池，它具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好等特点，是一种低价高效电池。HIT 太阳电池技术是三洋公司的专利技术，目前只有三洋公司独家拥有，其实验室转换效率已达到 2%，且 R.M. Swanson 通过理论分析，预言这种结构电池的转换效率可以超过 25%。1.HIT 太阳电池产生背景及结构太阳电池

2、产生背景及结构电池结构电池结构栅格电极透明导电膜型非晶硅层本征层非晶硅层单晶硅层本征非晶硅层重掺杂型非晶硅层栅格电极透明导电膜在上图表示在上图表示HITHIT太阳电池的基本构造中，其特征是太阳电池的基本构造中，其特征是以光照射侧的以光照射侧的p-i p-i 型型a-Si a-Si 膜膜( ( 膜厚膜厚5 10 nm) 5 10 nm) 和背面侧和背面侧的的i-n i-n 型型a-Si a-Si 膜膜( ( 膜厚膜厚5 10 nm)5 10 nm)夹住单结晶夹住单结晶Si Si 片片, , 在在两侧的顶层形成透明的电极和集电极两侧的顶层形成透明的电极和集电极, , 构成具有对构成具有对称构造的称

3、构造的HIT HIT 太阳电池。太阳电池。p-n结通过PECVD的方式，将本征非晶硅和p型非晶硅层沉积到n型单晶硅层的衬底上；在另一侧，背面场结构由本征非晶硅和n型非晶硅层构成。在两个掺杂层上TCO层和金属电极分别通过溅射和丝网印刷的方法制的。由于HIT 太阳电池使用a-Si 构成p-n 结, 所以能够在200 以下的低温完成整个工序, 和原来的热扩散型结晶太阳电池的形成温度( 约900) 相比较, 大幅度地降低了制造工艺的温度。由于这种对称构造和低温工艺的特征, 减少了因热量或者膜形成时产生的Si 晶片的变形和热损伤, 有利于实现晶片的轻薄化和高效化。HIT 太阳电池以a-Si膜作为表面钝化

4、层。a-Si 和结晶Si 相比, 能隙更宽, 由于是异质结, 内电场升高; 另外, 很大程度上影响太阳电池性能的界面电场处在结晶表面侧的耗尽层内。其结果是, 由于内电场很强, 使载流子分离, 而在结晶表面侧的复合则难以产生。这是后面要说明的HIT 太阳电池开路电压( Voc ) 高的一个原因。该高Voc 是H IT 太阳电池的一个特征, 也是后面要说明的实际发电量升高的一个主要因素。非晶硅表面钝化层在异质结界面附近建立起一个方向由 n 区指向 p区的内建电场，即p-n结；同时 n 型的c-Si与 n+的a-Si：H形成 n-n+结构，形成n+区指向 n 区的内建电场，即背电场。背电场产生的光生

5、电压与 HIT 太阳电池结构本身的 p-n 结两端的光生电压极性相同，从而可以提高 HIT 太阳电池的开路电压。在HIT电池中，本征a-Si：H的作用仅仅是钝化c-Si，而c-Si的作用一是与p型a-Si形成p n结，二是在光照条件下产生载流子，三是与背面a-Si形成背电场。2.HIT 太阳电池的性能太阳电池的性能（）本征层的钝化效果及参数影响HIT 电池的性能之所以优异，关键得益于在单晶硅和非晶硅之间本征非晶硅薄层的插入，从而使得单晶硅和非晶硅界面得到很好的钝化，进而得到较高的开路电压。因为对于异质结电池来说，界面态特性(尤其是界面态密度)决定了电池的输出特性。而界面态密度主要是由沉积在 c

6、-Si 上的掺杂 a-Si:H 引入的。引入本征非晶硅层以后，掺杂层和衬底被分开了，因此问题得到解决。HIT 结构的本质特征是使电池获得一个良好的界面，从而避免载流子的复合。钝化效果直接反映在少子寿命上，因此开展对本征非晶硅薄层钝化后硅片少子寿命的研究是制备高效 HIT 电池的前提和关键。以下几组实验分别是不同本征层参数的影响：以下几组实验分别是不同本征层参数的影响：2.HIT 太阳电池的性能太阳电池的性能（）钝化效果的一个直观表现左图表现了左图表现了HIT HIT 太阳电池和太阳电池和去掉去掉i i 型型a-Sia-Si膜的膜的p-n p-n 异质异质结太阳电池暗状态时的结太阳电池暗状态时的

7、I-V I-V 特性比较。特性比较。p-n p-n 异质结太阳异质结太阳电池中所发现的正向电流特电池中所发现的正向电流特性性( 0. 4 V ( 0. 4 V 附近附近) ) 的变化的变化, , 是由于是由于a-Si a-Si 顶层膜中存在的顶层膜中存在的高密度间隙态高密度间隙态, , 引起异质结引起异质结部耗尽层的再复合而造成的。部耗尽层的再复合而造成的。对比对比, , 在顶层和结晶在顶层和结晶Si Si 之间之间插入高质量插入高质量a-Si a-Si 膜膜( i ( i 型型a-a-Si Si 膜膜) , ) , 通过顶层内的电场通过顶层内的电场来抑制复合电流来抑制复合电流, , 这就是这

8、就是HIT HIT 构造。构造。（）电池主要优点（）电池主要优点1.简单的低温工艺（全部工艺在 200下完成，能量消耗少，同时还能避免热应力以及由此造成的对硅片的损伤，对硅片机械质量的要求也相应变低）2.完美的钝化效果（利用高质量本征薄层钝化，创造了表面复合速率最低的世界纪录3cm/s）3.高稳定性（由于 HIT 电池中本征非晶硅层的厚度很薄，对光电转换的贡献很小，因此不存在非晶硅薄膜电池中由于本征层引起的 S-W(Steabler-Wronski)效应）（）电池主要优点（）电池主要优点4.优秀的温度特性（HIT 电池的温度系数较传统由扩散工艺形成的电池低，即便在户外高温度的工作条件下，仍能表

9、现出很好的输出特性）5.对称结构（可以减少生产过程中的热应力和机械应力，有利于衬底厚度减薄。前后表面同时对光线的吸收使得发电量更多）6.产量较高（由于 HIT 电池 p-n 结的形成和表面钝化同时发生，工艺时间缩短，因此提高了产量）（3 3）HIT HIT 太阳电池优异的温度特性太阳电池优异的温度特性HIT 太阳电池的高Voc 特性究竟能给用户带来什么益处? 一般情况下, 太阳电池的输出特性依存于温度, 温度上升则输出电压减少。左图表示把各种太阳电池在25时的转换效率归为1 时的温度的变化率。HIT 太阳电池和一般的结晶Si 太阳电池相比, 其温度依存性得到了改善.HIT .HIT 太阳电池的

10、研究进展太阳电池的研究进展（年年）表表1 国内外研究机构有关电池的研究现状国内外研究机构有关电池的研究现状研究机构研究机构国家沉积方式转化效率Sanyo日本PECVD22.8%（CZ-n）HZB德国PECVD18.5%（FZ-p），19.8%（FZ-n）NREL美国HWCVD18.2%（FZ-n）IMT瑞士VHF-PECVD17.6%（FZ-n），16.3%（FZ-p）ENEA意大利PECVD10.2%（FZ-p）GUCAS中国HWCVD17.27%（CZ-p）Semi.CAS中国PECVD14.1%（CZ-p）.HIT .HIT 太阳电池的主要研究方向太阳电池的主要研究方向n为提高效率，需要推进下面的高效率化技术的开为提高效率，需要推进下面的高效率化技术的开发发: :( 1) ( 1) 通过形成高质量低损伤的通过形成高质量低损伤的a-Si a-Si 膜技术膜技术, ,更进更进一步改善钝化性能一步改善钝化性能; ;啊啊( 2) c-Si ( 2) c-Si 的表面清净化技术的表面清净化技术; ;( 3)