高效高效太阳能电池用黑硅技术

高效高效太阳能电池用黑硅技术

目前，晶体硅高效能载电池仍具有良好的原材料和成本效益，是世界新型能载电池研究的热点。最近几年,随着政府对光伏财政补贴力度的加大,我国的光伏产业迅猛发展,太阳能电池产量已经居于世界领先水平,但是随之也伴生了投资过热,产能过剩等一些负面现象。2011年以来,许多国家和地区纷纷缩减了对光伏的财政补助,导致了行业萎缩,使得光伏器件供过于求,最终使许多厂家频临破产。国内光伏企业目前开工率不足30%,中小型企业基本停产,少数拥有完整产业链的大型企业也大都处于限产或半停产状态。这主要是由不合理的产业格局造成的:投入大,产能高,核心技术却被外国垄断;盲目投资,低水平重复建设,缺少自主创新等。因此,光伏产业要想走出目前的困境,亟需技术上的突破,进而实现提高光电转换效率和降低生产成本这两大目标。黑硅技术作为一种新型的硅表面处理技术,有望在高效晶体硅太阳能电池领域获得广泛应用。20世纪90年代末,哈佛大学EricMazur教授等在研究飞秒激光与物质相互作用的过程中获得了一种新材料——黑硅。EricMazur等在研究黑硅的光电性质时惊奇地发现这种表面微构造过的硅材料具有奇特的光电性质,它对近紫外近红外波段的光(0.25～2.5μm)几乎全部吸收,具有良好的可见和近红外发光特性以及良好的场致发射特性等。目前制备黑硅的方法主要有飞秒激光扫描、化学腐蚀法以及等离子体处理等。黑硅在太阳能电池、光电探测器、发光器件等领域有着广泛的应用前景。美国国家可再生能源实验室(NREL)曾为设备专业公司NatcoreTechnology颁发了独家专利许可,该公司将可以通过其液相沉积技术(LPD)使用扩散发射极技术制备黑硅。Natcore科学家和NREL研究人员一直称该黑硅制备方法可以将平均反射率降到1.5%以下,据说,当前最先进的抗反射涂层也只能将平均反射率降低到接近6%。该公司计划于2012年实现该技术的商业化。传统的晶硅电池制备工艺中,扩散作为太阳能电池制备的心脏环节,是直接影响电池效率特性的关键因素之一。传统的扩散掺杂是通过高温液态源扩散实现的,高温液态源扩散用于太阳能电池时,在硅和半导体结中会产生缺陷和杂质,由于这些缺陷和杂质形成了一些深能级,成为少数载流子负荷中心,严重影响电池质量,需要清洗和刻蚀等技术来完善PN结的制造,这就增加了太阳能电池的制作成本,也成为效率难以突破的障碍。这种扩散掺杂工艺是半导体生产商在20世纪60年代使用的技术,由于该技术的掺杂精度受限制、工艺控制很差,在半导体领域中已经逐渐被离子注入工艺所取代,该工艺在太阳能电池领域中也将逐渐取代扩散掺杂工艺,成为太阳能电池制备PN结的关键技术。等离子体浸没离子注入(plasmaimmersionionimplantation,PIII)最早是由美国威斯康星大学物理系John.R.Conrad教授提出并推动发展的。PIII技术可以攻克在太阳能电池中高方阻重掺杂的难题,实现高浓度的掺杂,有利于降低太阳电池的串联电阻Rs,从而提高太阳电池填充因子FF,最终实现电池效率的提升。等离子体浸没离子注入技术因其注入面积大、产能高,有利于降低其制造成本,提高产量,因此有望突破传统离子注入方法的局限性,被大量地应用于高效晶硅太阳能电池制造技术。新一代工业化硅太阳能电池的目标转换效率在20%以上。在硅片厚度不断减薄的趋势下,为了实现这一目标,就必须为电池的前、背表面提供高效的钝化技术。在此之前,开发出一种可提供高质量背表面钝化的合适介质材料一直被认为是一项关键的技术难题。而近期,采用原子层沉积(ALD)技术生长Al2O3则被证明是一种近乎完美的制备这种介质层的技术。Al2O3是宽禁带介质材料,折射率约为1.65,在可见光区域没有明显的光吸收,固定负电荷密度高达1012～1013cm-2,因此非常适合于改善太阳电池的光学和电学特性,从而提高电池效率。2010年,德国Fraunhofer研究院的Schmidt等人利用Al2O3背场钝化技术得到了高达21.4%的电池效率。原子层沉积是一种在可控速率下通过一系列自限制表面饱和反应形成薄保形膜的沉积技术,具有优秀的保形性、均匀性和高的台阶覆盖率,在当前普遍应用于制备Al2O3薄膜。不过,传统的ALD技术要受限于其2nm/min以下的沉积速率,这一较低的沉积速率不能满足工业化太阳能电池的生产需求。早在20世纪70年代,Suntola和Antson在一篇美国专利中提到了空间分离ALD的概念。在这种结构的反应腔室中,两个半反应在空间上被惰性气体隔离开,避免了不必要的反应发生,就不再需要中间抽吸的步骤,从而减小了ALD循环的周期,提高了沉积速率,更适合于工业大规模生产。2010年,Poodt等人采用这种结构,沉积速率达到70nm/min。同样地,2011年,Werner等人采用一种在线空间ALD系统,沉积速率为30nm/min,这种新型系统使得将Al2O3钝化工艺应用于大规模工业生产成为可能。当前晶硅电池工艺普遍采用丝网印刷电极技术,丝网印刷基本上是从古老的丝网面料印刷发展而来。然而近些年,随着下一代太阳能电池的制造要求,金属电镀工艺又重新回到人们的视野。2011年,在日本福冈21届国际光伏科技和工程大会上,IMEC和Kaneka公司首次展示了带有电镀铜顶电极的异质结电池。安装在6英寸的硅衬底上,电镀铜触点转换效率可以达到21%以上。2012年,中国的太阳能光伏电池组件制造巨头尚德与新南威尔士大学合作研究冥王星高效电池技术,通过进一步完善已经将该光伏电池效率提高到了20.3%的世界纪录。目前该数据已经得到新加坡太阳能研究所的证实,标志着尚德冥王星系列高效光伏电池的一个飞跃,将其原有的19.6%的转化效率提升到太阳能光伏电池效率的一个新高点。该电池主要采用了激光刻槽埋栅技术,利用激光技术在硅表面上刻槽,然后填入金属,以起到前表面电极接触栅的作用。激光刻槽埋栅太阳能光伏电池(BCSC)的概念提出于上世纪80年代,由于其光电转换效率高、工艺相对简单、适于规模生产,兼具高效和低成本两方面的优势,因而在实验室和产业化领域中都受到广泛重视。目前,大规模生产的激光刻槽埋栅电池其单位功率成本已接近甚至低于常规丝网印刷电池,并且由于其高效率而特别受到某些特殊领域的青睐。浙江中科院应用技术研究院嘉兴微电子设备与仪器工程中心夏洋带领的微电子仪器与设备创新团队,在等离子体注入制备黑硅和PN结、原子层沉积氧化铝钝化及光致电镀沉积制备栅线等领域开展了系统深入的研究工作。研究团队原创性地提出利用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅材料,即将硅片浸没在等离子体氛围中,在脉冲负偏压的作用下将反应离子注入进入硅晶格中,并与之发生物理化学反应,在硅片表面形成孔状、针状等微观结构,通过控制工艺参数,实现黑硅微观结构的可控制备。与其它制备方法相比,等离子体浸没离子注入工艺制备黑硅,该技术具有单晶多晶都适用、设备成本低廉,生产成本低、生产效率高等优势,有望应用于太阳能电池的大规模生产。该团队利用自行研制的等离子体浸没离子注入机制备了多种微观结构的黑硅材料,在可见光波段黑硅的平均反射率为0.5%,并且纳米尺寸结构的黑硅在近红外波段的吸收率明显提高。有关文章发表在SolarEnergy、EnergyProcedia、JournalofElectronSpectroscopyandRelatedPhenomena、物理学报等多家期刊上,已申请专利30余项。通过对黑硅结构进行优化,并且对生产线电池配套工艺进行改进,在全国产设备生产线研发出多晶黑硅太阳能电池(156mm×156mm,多晶)批量平均效率高达17.46%,最高可到17.65%。该团队研制了多种类型的等离子体浸没离子注入机,成功开发了黑硅材料批量制造装备,为该技术的产业化应用奠定了基础。夏洋团队在晶硅太阳能电池表面钝化技术的研究中也取得新进展。研究团队以技术优势,吸引美国硅谷研究团队进行原子层技术合作,强强联合,加快了国内开发原子层沉积设备的研制和产业化,推出了一系列的拥有自主知识产权和创新的原子层沉积设备产品,包括热型设备、等离子体增强型设备和适于光伏产业应用的批量型设备,实现了国产原子层沉积设备在光伏产业首创应用的新局面,为下一代高效晶硅太阳能电池产业的发展提供了国产化设备支撑。研究团队利用自主设计生产的KMT-200A型原子层沉积设备,在p型单晶硅片上生长氧化铝钝化层,退火后平均少子寿命可达1ms,有效减少了硅片表面复合,具有优秀的表面钝化效果。该项研究成果开创了国产原子层沉积设备在光伏产业应用的新局面,推动了高效晶硅太阳能电池产业的发展。浙江中科院应用技术研究院夏洋团队是以中国科学院嘉兴微电子设备与工程中心为平台,其宗旨和目标是依托中科院雄厚的研发力量、人才优势和综合技术实力,结合浙江及周边地区发达的产业基础、灵活机制、创新体制以及强有力的政府支持,开展技术研发与应用,提高中国的微电子成套设备的研发能力,促进地方经济发展。其团队是一个有一定规模的,学历、年龄、职称结构合理的,专业技能互补的,并愿意为“创新和应用新知识和新技术完成重大战略性设备项目”这个共同目标而相互承担责任的科研人员及相关管理人员组成的团队。中国科学院嘉兴微电子设备与工程中心作为中国科学院微电子研究所与嘉兴市人民政府共同组建的技术转移转化、研发、中试和高新技术产业孵化创新平台机构,利用科研队伍在等离子体物理、新材料、机械、电子、自动控制和生物工