黑硅太阳电池-索比光伏网.DOC

黑硅太阳电池：制备工艺、研究进展和性能提升 摘要：黑硅材料特殊的微观纳米结构使其具备卓越的减反射性能，促使研究人员将其用于太阳电池的研发。然而，其优异的减反射性能和严重的载流子复合、收集之间存在着矛盾，难以达到很好的平衡。本文概述了黑硅太阳电池的研究进展，并基于对其制备工艺的理解，结合大量文献对其性能制约因素、工艺控制要点和性能提升方案进行了分析和讨论，最后对其未来的发展进行了展望。 一、前言 尽可能避免光学和电学损失，是太阳电池研究关注的两个核心问题。其中，减反射技术是解决太阳电池光学损失，提升太阳光谱利用率的重要手段。而电学性能的提升则主要通过减少光生载流子的复合来实现。近年来，基于硅纳米结构的太阳电池，特别是黑硅太阳电池（BSC），凭借其卓越的减反射性能，得到了学界和业界的关注。很多研究机构围绕BSC展开了广泛的研究，主要包括：黑硅的制备工艺[1-27]、黑硅发射结钝化工艺[2,6,7,19-25,28-37]、BSC制备工艺及其对太阳电池性能的影响[19-37]等。伴随着这些研究工作的开展，BSC在近几年得到了快速的发展，其光电转换效率从早期的低于10%（单晶）和5%（多晶）[27]逐渐提高到了目前的约18.2%（单晶）[34]和17%（多晶）[37]。但需要承认的是，BSC的转换效率还是落后于传统的晶硅太阳电池，一些关键的问题亟待阐明。因次，对BSC领域的研究进展进行总结和梳理是很有必要的。目前公开发表的关于BSC研究的综述性论文，大都倾向于介绍黑硅的制备工艺，涉及电池后道工艺对比、优化等方面的介绍和讨论都非常不足。而涉及发射结钝化、电接触优化、先进黑硅电池结构等方面内容的综述性论文则几乎没有。为此，本文以电池工艺为主线，首先概述目前BSC的常规工艺流程以及各工序的具体实现方案（第二节）、其次结合大量前沿文献对常规BSC的研究进展做一小结（第三节）、然后对BSC工艺中所存在的性能制约因素进行分析，并结合文献给出一些BSC工艺控制要点和性能提升的方案（第四节）、最后对其未来的发展进行了展望（第五节）。 二、常规黑硅太阳电池制备工艺 从半导体器件物理的角度而言，太阳能光伏器件的核心部分就是PN结。目前的硅纳米结构BSC研究领域中，根据PN结的成结特点，大致可以分为两个大类：平面结和径向结。其中，平面结是目前绝大部分太阳电池所采用的结构，商业化的硅基太阳电池全部都采用此结构。而径向结虽然在载流子收集方面存在优势，但由于其制造工艺相对复杂，在可控性和成本方面还存在瓶颈，因此该技术目前还停留在实验室阶段。所以，本节仅讨论平面PN结BSC制备工艺。 一般而言，目前常规的BSC工艺和商业化晶硅太阳电池工艺是十分接近的，其主要工艺流程如图1所示，主要包括：黑硅制备（相当于制绒工序）、扩散制结、黑硅发射结钝化、电极丝网印刷、共烧结等工序。其中，扩散制结、电极丝网印刷、共烧结工艺和商业化的晶硅电池扩散工艺是相同的，在此不做赘述。 关于黑硅的制备，目前有多种方法可以实现，主要包括：反应离子刻蚀（RIE）[1-7,23-26]、金属辅助刻蚀（MAE）[8-14,27-37]、激光加工（LP）[15-17]、化学气相沉积（CVD）[18]和等离子体浸没离子注入（PIII）[19-22]等。其中，RIE、MAE和PIII是目前黑硅太阳电池研究中较为常见的。如读者要更加系统的了解黑硅的制备方法，请参见相关参考文献[38,39]。而黑硅发射结钝化工序，目前主要通过四种方案实现：氮化硅（SiNx）钝化[19-25,37]、氧化硅（SiOx）钝化[29，34,35]、SiOx/SiNx叠层钝化[31,32,36]、原子层沉积（ALD）钝化[2,6,7]。其中，前两种钝化方案，特别是SiNx钝化，广泛应用于当前主流的晶硅电池工艺中。后两种钝化方案相对复杂、成本相对较高，但钝化效果更好，这些钝化方案的特点将在第四节中进行重点讨论。 图1 黑硅太阳电池工艺流程简图 三、黑硅太阳电池研究历程 2005年，清华大学朱静课题组[27]利用MAE法在单晶硅和多晶硅衬底上制备出了纳米线阵列黑硅，并将其应用于光伏器件。但由于没有对黑硅发射结进行钝化，无法抑制光生载流子的表面复合，导致前接触电极电流收集效率不高，获得了效率为9.31%（单晶硅）和4.73%（多晶硅）的太阳电池。2006年，德国Walter Schottky研究所的Koynov, Svetoslav等人[28]采用干氧SiOx层对MAE法制备的黑硅发射结进行钝化，在三晶硅和多晶硅上获得效率约为14%（三晶硅）和12%（多晶硅）的电池器件。2008年，韩国能源研究所的Yoo, Jinsu等人[23]用