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背接触硅太阳电池研究进展

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背接触硅太阳电池研究进展3任丙彦1,吴　鑫1,2,勾宪芳2,孙秀菊1,2,于建秀1,褚世君1,励旭东2(1　河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;2　北京市太阳能研究所,北京100083)摘要 高效率、低成本是晶体硅太阳电池发展的主流方向。背接触电池以其独特的器件结构、简单的制备工艺及较高的电池效率,备受光伏市场的关注。概括了目前国际上研究较多的几种背接触硅太阳电池,对其结构特点、制造技术及发展概况作了系统介绍,并在此基础上提出了需要改进的问题及未来的发展方向。关键词 背接触　硅太阳电池　少子寿命　接触电极

ResearchProgressinBackContactSiliconSolarCellsRENBingyan1,WUXin1,2,GOUXianfang2,SUNXiuju1,2,YUJianxiu1,CHUShijun1,LIXudong2

(1　SchoolofMaterialScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130;

2　BeijingSolarEnergyResearchInstitute,Beijing100083)

Abstract Thehighefficiency,low2costsolarcellswillbethemainstreamofcrystallinesiliconsolarcells.BackcontactsiliconsolarcellshavebecomethefocusofPVmarketfortheirspecialstructure,simpleprocessandhigheffi2ciency.Thispaperoutlinesthestructuralcharacteristics,manufacturingtechnologyandrecentprogressinsomebackcontactsiliconsolarcells,andpointsoutthedevelopmentdirectionforthefurtherresearch.Keywords backcontact,siliconsolarcells,minoritycarrierlifetime,contactelectrode

　3国家自然科学基金(60576065);河北省自然科学基金(F2005000073)　任丙彦:男,1946年生,教授,硕士生导师　吴鑫:通讯作者,男,1983年生,硕士生　Tel:010262001057　E2mail:wuxin545@163.

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0　引言已经商业化的常规硅太阳电池,发射区和发射区电极均位于电池正面。由于太阳能级硅材料少子扩散长度较小,发射区位于电池正面有利于提高载流子的收集效率。但此种结构有其局限性:尽管栅线电极所占面积已经很小(约为8%),可依然阻挡了部分阳光,使电池有效受光面积降低;组件封装时,需要用涂锡带从一块电池的正面焊接到另一块电池的背面,这种连接方式使自动化生产的难度加大。为此,研究人员把正面电极转移到电池背面,开发出许多结构不同的背接触硅太阳电池。

1　背接触硅太阳电池及其分类背接触硅太阳电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种硅太阳电池。背接触电池有很多优点:①效率高。由于降低或完全消除了正面栅线电极的遮光损失,从而提高了电池效率。②易组装。采用全新的组件封装模式进行共面连接[1],既减小了电池片间的间隔,提高了封装密度,又简

化了制作工艺,降低了封装难度。③更美观。电池的正面均一、美观,满足了消费者的审美要求。根据p2n结位置不同,背接触硅太阳电池可分为两类[2]:①背结电池。p2n结位于电池背表

面,发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面,如IBC电池。②前结电池。p2n结依然位于电池正表面,只是通过某种方法把在正表面收集的载流子传递到背面的接触电极上,如EWT电池。2　各种背接触硅太阳电池简介2.1　背结电池背结电池的p2n结靠近电池背面,光照产生于正表面区域的光生载流子必须穿过整个衬底才能到达背电极,这就对材料少子扩散长度及少子寿命提出了更高要求。若寿命较短,还未扩散到背结区域就已经被复合掉了,从而会使电池效率大大下降。尽管n型硅材料的少子迁移率较小,但其寿命较长,且对杂质沾污的敏感性较低,所以比较适合于制作背结电池。2.1.1　IBC太阳电池IBC(Interdigitatedbackcontact)电池[3,4]出现于20世纪70年代,是最早研究的背结电池,最初主要应用于聚光系统中,见图1。电池选用n型衬底材料,前后表面均覆盖一层热氧化膜,以降低表面复合。利用光刻技术,在电池背面分别进行磷、硼局部扩散,形成叉指状交叉排列的p区、n区,以及位于其上方的p+区、n+区。重扩形成的p+和n+区可有效消除高聚光条件下的电压饱和效应。此外,p+和n+区接触电极的覆盖面积几乎达到了背表面的1/2,大大降低了串联电阻。IBC电池的核心问题是如何在电池背面制备出质量较好、呈叉指状间隔排列的p区和n区。为避免光刻工艺所带来的复杂操作,可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层,掩蔽层上的硼经扩散后进入n型衬底形成n+区,而未印刷掩膜层的区域,经磷扩散后

・101・背接触硅太阳电池研究进展/任丙彦等形成p+区。通过丝网印刷技术来确定背面扩散区域成为目前研究的热点。图1　早期IBC太阳电池Fig.1　IBCSolarcell2.1.2　PCC太阳电池美国SunPower公司利用点接触(Point2contactcell,PCC)及丝网印刷技术,于2003年研制出新一代背面点接触太阳电池A2300,见图2,效率为20%,并通过进一步改进,使效率达到了21.5%[5]。A2300电池采用n型硅材料作为衬底,载流子寿命在1ms以上。正表面没有任何电极遮挡,并通过金字塔结构及减反射膜来提高电池的陷光效应[6]。电池前后表面利用热氧钝化技术生成一层SiO2钝化层,降低了表面复合并增加了长波响应,从而使开路电压得以提高。在前表面的钝化层下又进行了浅磷扩散以形成n+前表面场,提高短波响应。背面电极与硅片之间通过SiO2钝化层中的接触孔实现了点接触,减少了金属电极与硅片的接触面积,进一步降低了载流子在电极表面的复合速率,提高了开路电压。较为出色的陷光、钝化效果,以及采用了可批量生产的丝印技术,使A2300成为新一代高效背接触硅太阳电池的典型代表[7,8]。图2　A2300太阳电池Fig.2　A2300Solarcell2.1.3　RISE太阳电池德国ISFH研究所结合激光烧蚀及LFC技术开发出RISE(Rearinterdigitatedsingleevaporation)电池[9],见图3。电池以p型FZ2Si作为衬底,正面制作随机金字塔绒面,并通过PECVD沉积双层SiNx薄膜,以起到减反射和表面钝化作用。电池背面利用局部激光烧蚀技术,烧蚀成高低不同、呈叉指状交叉排列的两片区域。这种台阶结构成为RISE电池最大的结构特点。背面经磷扩散后,台阶的底面及侧面区域形成电池的发射区。台阶的顶面区域因SiO2薄膜阻挡了磷的扩散,成为电池的基区。随后,在电池背面蒸铝,并采用湿化学腐蚀法除掉沉积在基区与发射区衔接区域的铝浆,以实现发射区电极与基区电极的分离。最后,利用LFC技术穿透SiO2薄膜制作基区导电接点。RISE电池利用一层超薄的隧道氧化物形成高质量的Al/SiOx/n+电池Si接触。这些独特的结构设计,使电池效率达到19.5%(4cm2)。为了进一步降低基极接触区的复合速率,在其他区域保持不变的情况下,用局部硼扩散制作的硼背场(B2BSF)替换LFC制作的铝背场(Al2BSF),提高了短路电流,使效率提升到21.5%。由于背面电极是通过单步铝蒸发制作而成,

因此,如何很好地分离基区电极和发射区电极,成为制作RISE

电池的一项技术难题。该研究所开创的自对齐接触分离法成功地解决了这一问题,并经试验证实,此方法同样适用于大面积RISE电池的制作。

图3　RISE太阳电池Fig.3　RISESolarcell此外,在德国Q2CellsAG公司资助下,ISFH与Fraunhofer

ISE合作,在低质硅衬底上开发出高效背结电池。电池正表面结构与A2300类似,而背面则采用了更加紧凑的结构布局,并增大了发射区的覆盖比例,使对材料少子寿命的要求降低到600μs。衬底可选用p或n型FZ2Si以及n型Cz2Si,效率均可达到21%。基于此项技术,Q2CellsAG公司已着手建立中试生产线[10]。2.2　前结电池前结电池的p2n结位于电池正表面,可以有效收集载流子,

降低对衬底材料的要求。前结电池的关键在于如何实现正面p2n结与背面接触电极的连接。电池结构不同,其连接方式也不相同。2.2.1　MWA太阳电池MWA(Metallisationwraparound)电池结构与常规电池很

相似,只是把常规电池的主栅转移到了背面边缘区域,细栅依然保留在原来位置,见图4。光生电流被细栅收集后,经电池侧面传递到背面主栅上。由于主栅的转移,电池有效受光面积有所增加。正表面沉积一层SiN

x作为减反射层和表面钝化层,并进

行浅磷扩散形成发射区。在侧面及底面的电极接触区重扩,以形成选择性发射极结构。在基区电极接触区沉积一层铝膜形成铝背场。需要特别注意的是背面电极通常采用机械或激光刻槽的方法来隔绝基区电极和发射区电极。电极的制作分两种:一种是采用埋栅接触及化学镀的方法,效率可达到17.5%(Cz2Si)和15.7%(mc2Si)[11];另一种是采用丝网印刷的方法,效率也分别达到了17.0%9(Cz2Si)和15.9%(mc2Si)[12]。

图4　MWA太阳电池Fig.4　MWASolarcell2.2.2　MWT太阳电池与MWA电池一样,MWT(Metallisationwrapthrough)电池的主栅同样转移到了电池背面,电池正表面保留了金属栅线,

・201・材料导报 2008年9月第22卷第9期

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硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景

硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景

硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景摘要：本文着重介绍了非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池原理、制备方法，从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处，并提出改进方法。

同时介绍了国内外硅基薄膜太阳电池研究的进展，最后展望了薄膜太阳能电池的发展前景。

关键词：太阳能电池；薄膜电池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新进展1、研究现状太阳电池是目前主要的新能源技术之一，它利用半导体的光电效应将光能直接装换为电能。

目前太阳电池主要有传统的（第一代）单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池以及新型的（第二代）薄膜电池。

薄膜太阳电池可以使用其他材料当基板来制造，薄膜厚度仅需数μm，较传统太阳能电池大幅减少原料的用量。

目前光伏发电的成本与煤电的差距还是比较大，其中主要的一项就是原材料即的价格。

薄膜太阳电池消耗材料少，降低成本方面的巨大潜力。

薄膜太阳能电池的种类包括：非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半导体II-IV 族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有机导电高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (铜铟硒化物)等。

如果要将太阳电池大规模应用为生活生产提供能源，那么必须选择地球上含量丰富，能大规模生产并且性能稳定的半导体材料，硅基薄膜电池的优越性由此凸显。

太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。

这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。

因此太阳能电池有望成为2l世纪的重要新能源。

本文主要综述硅基薄膜太阳电池（包括多晶硅薄膜电池、非晶硅薄膜电池）的发展现状及并简要分析其发展前景。

2、非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池非晶硅太阳电池是上世纪70年代中期发展起来的一种薄膜太阳电池，它制备温度低，用材少，便于工业化生产，价格低廉，因而受到高度重视。

论太阳能电池用硅材料国内外现状和技术进展

论太阳能电池用硅材料国内外现状和技术进展


03
国内外硅材料的研究现状
国内硅材料的研究现状
研究机构：中科院、清华大学、 北京大学等
研究成果：新型硅材料、高效太 阳能电池等
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研究领域：硅材料的制备、性能 优化、应用研究等
技术进展：硅材料的制备技术、 性能优化技术等
国外硅材料的研究现状
国外硅材料研究 主要集中在美国、 欧洲和日本等发 达国家
高效率硅太阳能电池的发展趋势
提高光电转换效率：通过优化材 料、结构、工艺等手段，提高电 池的光电转换效率。
提高稳定性：通过优化电池结构、 提高电池的耐候性、耐热性等手 段，提高电池的使用寿命和稳定 性。
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降低成本：通过规模化生产、降 低原材料成本、提高生产效率等 手段，降低电池的生产成本。
生物医学： 硅材料在 生物医学 领域的应 用逐渐增 多，如材料在 环保领域 的应用逐 渐增多， 如太阳能 电池板、 空气净化 器等。
能源领域： 硅材料在 能源领域 的应用逐 渐增多， 如太阳能 电池板、 储能设备 等。
建筑领域： 硅材料在 建筑领域 的应用逐 渐增多， 如太阳能 屋顶、节 能玻璃等。
提高柔性化：通过开发柔性硅材 料、柔性电池结构等手段，提高 电池的柔性化程度，适应更多的 应用场景。
硅材料在其他领域的应用前景
太阳能电 池：硅材 料在太阳 能电池中 的应用已 经较为成 熟，未来 将继续保 持其主导 地位。
半导体： 硅材料在 半导体行 业中的应 用广泛， 未来将继 续保持其 重要地位。
06
结论和建议
对硅材料在太阳能电池中应用的结论
硅材料在太阳能电池中具有广泛的应用前景 国内外硅材料技术水平存在差距，需要加强研发和创新 硅材料在太阳能电池中的应用需要解决成本、效率和稳定性等问题 建议加强硅材料在太阳能电池中的应用研究和产业化推广
太阳能电池的研究进展

太阳能电池的研究进展

太阳能电池的研究进展太阳能电池是一种利用太阳能将光能转换为电能的设备，它是目前清洁能源领域的重要组成部分。

随着对可再生能源的需求逐渐增加，太阳能电池的研究也在不断取得进展。

本文将就太阳能电池的研究进展进行探讨。

在过去的几十年里，太阳能电池的技术不断得到改进和提升，从最初的硅基太阳能电池到现在的多种新型太阳能电池技术，太阳能电池的效率和稳定性都有了显著提升。

要介绍的是传统的硅基太阳能电池。

硅基太阳能电池是目前应用最广泛的太阳能光伏电池，它们通常采用单晶硅或多晶硅材料制成。

这种太阳能电池的主要优点是成熟的制造工艺和相对较低的生产成本。

硅基太阳能电池的效率存在一定的限制，且制造工艺对环境影响较大，因此研究人员一直在寻求新的太阳能电池技术来提高太阳能光伏的效率和降低成本。

其中一种新型太阳能电池技术是薄膜太阳能电池。

薄膜太阳能电池采用非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）或柔性有机材料等作为光伏材料，可以制成更轻薄灵活的太阳能电池板，降低了成本和提高了生产效率。

尤其是CIGS薄膜太阳能电池在转化效率和稳定性上有了长足的进步，已经开始逐渐商业化应用。

有机太阳能电池是另一种备受关注的新型太阳能电池技术。

有机太阳能电池利用有机分子作为光电转换材料，具有制造工艺简单、成本低廉、颜色可定制等优势。

尽管其效率目前仍不如硅基太阳能电池高，但有机太阳能电池具有广阔的应用前景，尤其在户外可穿戴设备和可定制电子产品上具有很大潜力。

除了上述的太阳能电池技术外，还有一些新型太阳能电池技术正在不断涌现。

钙钛矿太阳能电池是近年来备受瞩目的太阳能电池技术之一，它利用钙钛矿作为光伏材料，具有较高的光电转换效率和较低的制造成本。

钙钛矿太阳能电池具有较高的光热稳定性和制备工艺途径多样的特点，极大地拓展了太阳能电池应用的领域。

除了光伏电池技术的进步，太阳能电池储能技术也在不断取得重大突破。

由于气候变化带来的不稳定性，太阳能电池作为不间断的绿色能源供给方式，需要有相应的储能系统来解决夜晚或阴雨天气无法采集太阳能的问题。

【晶硅技术】MWT背接触晶体硅光伏技术概述

【晶硅技术】MWT背接触晶体硅光伏技术概述

【晶硅技术】MWT背接触晶体硅光伏技术概述摘要：为进一步大幅提高晶体硅太阳能电池和组件的性能，电池结构和封装方式的创新必不可少，而MWT背接触技术是其中最有代表性的一种适合产业化的创新技术。

本文概述了MWT背接触技术的发展历程和最新进展，阐述了其关键技术、工艺难点和技术优势，进一步展望其在不久的将来可能会逐步替代常规技术，成为未来产业化的发展方向。

1 引言目前主流的晶体硅太阳能电池和组件技术早在上个世纪90年代已经基本成熟，性能和转化效率的提高主要依赖于材料的改进和工艺细节的优化，进一步提高的空间已经越来越窄。

电池和组件结构的重大创新被越来越多的光伏研究机构和企业所关注，背面钝化（PERC）电池、异质结（HIT）电池和背接触式电池等新型结构的电池被认为是最有发展前景的几种技术[1-3]，并逐步从实验室走向量产线。

目前晶体硅电池产品量产的转化效率记录一直被美国Sunpower公司的全背接触式（IBC）电池所保持，其电池和组件的量产转化效率分别达到22%和20%以上，但其生产工艺过于复杂，生产成本较常规产品高出50%以上，所以只适合应用在一些面积有限的高端项目上。

低成本的金属缠绕（MWT）背接触技术和发射极穿透（EWT）被越来越多的人所关注，其中MWT背接触技术发展更快，已经实现从实验室阶段向产线进行过渡，极具发展前景。

荷兰国家能源研究中心（ECN）、德国夫琅禾费太阳能研究所（FISE）及众多光伏企业都对MWT背接触技术进行了研究和开发，其技术路线和实现方法均有所差异，本文就其中主要的技术路线、实现方法和发展现状做出系统的介绍。

2 MWT背接触电池技术如图1所示，MWT背接触电池技术是采用激光打孔、背面布线的技术消除了正面电极的主栅线，正面电极细栅线搜集的电流通过孔洞中的银浆引到背面，这样电池的正负电极点都分布在电池片的背面，有效减少了正面栅线的遮光，提高了转化效率，同时降低了银浆的耗量和金属电极-发射极界面的少子复合损失。