p型衬底HIT电池性能的模拟计算文献综述
2020-06-09 22:41:27
文 献 综 述
随着能源的紧缺以及人们对友好型环境的要求，太阳能作为一种清洁能源及其可再生性成为人类的首选能源。随着1954年第一块c-Si太阳能电池问世以来，光伏产业越来越受到人们的瞩目。太阳能行业迅速发展，于1974年在美国RCA实验室诞生了第一块非晶硅太阳能电池目前，硅太阳能电池仍占据着光伏市场的主导地位。晶体硅太阳能电池效率较高，稳定性好、资源丰富，但其制备工艺复杂，材料价格昂贵，且其制作温度较高。而非晶硅太阳能电池成本较低，可以大面积生产，但非晶硅材料本身缺陷较多，太阳能电池效率偏低，且因材料本身的光致衰退效应使得电池性能不稳定，这就迫使人们寻求新型的光伏材料或一种结构。近几年来，HIT太阳能电池得到迅速发展，这种简单而新颖的结构吸引着人们的注意力，因其利用薄膜制造工艺优势的同时又发挥了晶体硅和非晶硅材料性能的特点，在形成pn结的同时钝化了晶体硅表面，减少表面复合实现高的效率，具有较好的温度系数，可以获得更高的Voc，具有实现高效、稳定、低成本太阳电池的发展前景。目前，有松下公司做到的HIT太阳能电池最高实验室效率达到25.6%，创造了晶硅电池的世界纪录，为HIT太阳能电池的发展注入了新的活力。
1 HIT太阳能电池的发展
Sanyo公司于1974年开始研究a-Si基太阳能电池技术，1990年开始研究采用本征薄层的结构的异质结太阳能电池[1]。1991年他们用未掺杂a-Si:H薄层代替未掺杂的μc-Si薄层，大大降低了界面态密度，提高了c-Si表面的钝化质量，同时将通过掺杂a-Si:H薄层的隧穿泄漏电流降低下来。1994年Sanyo公司将HIT结构成功地应用在电池背面做背表面场，结合表面清洁技术、表面织构技术及栅电极的优化，在工业化生产中推出了名为HIT Power21的电池组件[2]，使得HIT电池的组件效率达到17.3%。2003年Sanyo公司采取减小表面复合，提高少子寿命，提高开路电压至710 mV以上，降低a-Si及TCO的光吸收，降低栅线宽度，增加有效吸收面积等措施[3]使HIT电池的实验室效率达到了21.3%（100Cm2），年发电量比传统太阳电池多出43%[4]。2004年，Sanyo公司使用导电性更高的导电胶材料，减小导电胶宽度至约85 μm；优化丝网印刷技术，保证栅线的高宽比大于0.5，HIT电池的实验室效率达到21.5%（100Cm2）。2006年，HIT电池的最高转换效率达到21.8%[5]，270W的HIT电池模块首先在欧洲上市。2007年通过对a-Si/c-Si界面特性及光陷结构的进一步改进，使HIT电池的实验室效率提高至22.3%(100Cm2)。2008年Sanyo公司透露，HIT的厚度已经降低至85 μm。2009年5月[6]，Sanyo公司宣布实现了23%的实验室效率，这一次是提高a-Si:H/Si界面钝化质量，降低a-Si:H及透明导电膜在红光区的吸收，改进栅线材料，提高栅线高宽比，降低栅线串联电阻，但他们没有透露具体的技术细节。2010年，Sanyo公司将HIT电池实验室效率提高到23.7%，其具体的技术细节依然没有透露。
2 HIT太阳能电池的结构与特点
2.1 HIT太阳能电池的结构
2.2 HIT太阳能电池的特点
结构简单 HIT太阳能电池结构对称，可以减小热应力和机械应力对器件的破坏并提高电池本身的性能，使其不需要复杂的结构就能具有较高的转化效率，并且其带本征薄层的异质结结构可以使单晶硅的表面钝化和p-n结的形成同时完成。
工艺简单 HIT太阳能电池获得p-n结是结合薄膜太阳能电池低温(lt;250℃)制造技术有效避免了采用传统的高温(gt;900℃)扩散工艺。此技术在节约能源的同时其低温环境可以较精确控制a-Si:H基薄膜掺杂、禁带宽度和厚度等，在工艺方面易于优化器件特性。
性能稳定 非晶硅的太阳能电池中普遍存在的Staebler-Wronski[8]效应对HIT电池影响很小，从而不会出现类似于非晶硅太阳能电池转换效率因光照而衰退的问题；除此之外，由于HIT太阳能电池组件双面都可以接受光线，比传统的单面受光电池具有更好的性能和使用价值。
制备成本低 HIT太阳能电池的厚度薄，并且在低温条件下制备能节省硅材料和减少能量消耗，在功率相同下HIT电池的高效率比其它类型的太阳电池占用的面积更少。
3 HIT太阳电池的制备工艺
3.1非晶硅/晶体硅异质结太阳能电池的制作工序
在实际中，HIT太阳能电池还是以n型硅双面异质结太阳能电池的研究为多。以Sanyo的HIT制备工艺为典型代表，经过清洗制绒的n型c-Si正面依次沉积厚度为5~10nm的本征a-Si:H钝化层和p型a-Si:H发射极，在p-a-Si:H薄膜上再进行沉积一层TCO薄膜，再在TCO上制作金属栅线电极。在硅片背面依次沉积厚度为5~10nm的本征a-Si:H钝化层和n型a-Si:H薄膜以形成背表面场，在n-a-Si:H薄膜上再沉积一层TCO薄膜，在TCO上制作背面的金属接触。最后，对电池进行边缘隔离和测试分选。
3.2 HIT太阳能电池单晶硅衬底制绒工艺
经过织构的硅片表面可以经常观测到金字塔大小、形状、分布的不均匀。传统工业生产所使用的碱液获得的金字塔结构大小差距较大，而且在大金字塔边缘存在较多小金字塔。HIT太阳电池对界面特性要求较高，因此需要研究新的织构方法，并引入后处理工艺，以获得均匀的表面金字塔结构，增加HIT太阳电池效率。对HIT太阳电池的单晶硅衬底进行织构和织构后圆滑主要是为了达到三个目的：
(1)去除单晶硅片线切割过程中产生的机械损伤层；(2)在单晶硅衬底表面形成具有陷光作用的金字塔状结构，减少入射光损失；(3)通过对织构好的单晶硅衬底进行圆滑处理，降低后续工艺中的界面态。
单晶硅表面织构技术，可以在单晶硅片表面形成金字塔状结构，能够有效降低硅片表面反射带来的光损失，提高短路电流，进而提高电池效率。因此，单晶硅表面织构技术也适用于HIT太阳电池。目前，国内外研究机构已经采取多种碱性溶液对单晶硅进行表面织构，包括NaOH，KOH，Na3PO4，Na2SiO3，Na2CO3，NaHCO3，四甲基氢氧化铵(TMAH)等。
3.3非晶硅层制备工艺
3.3.1 HIT太阳能电池非晶硅层
研究HIT太阳能电池本征非晶硅层和P型非晶硅层的制备工艺的同时，需要对非晶硅的基本电学性质和光学性质进行研究和表征；同时还需要了解PECVD制备非晶硅薄膜的生长机理。
3.3.2 PECVD法生长非晶硅薄膜的机理
通常情况下，非晶硅材料都是采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的。PECVD工艺是通过射频电场对反应气体进行辉光放电，使反应气体形成等离子体，进而达到增强化学反应，降低反应温度的目的。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团和被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它包含由相等数量的正电粒子(离子)与负电粒子(电子)。在辉光放电等离子体中，电子会被外电场加速，电子获得的动能为1～10eV，甚至更高。而典型的化学键的结合能仅为1～10eV。这样，电子所具有的动能足够打断气体分子的化学键，使气体分子分解。在反应腔室中通入气体，气体分子受到加速电子的非弹性碰撞发生分解，分解为激发态的原子和分子以及离子和游离基等新的粒子。分解产生的粒子和基团可以通过扩散作用到达沉积衬底和反应腔室壁。在扩散的过程中，由于较短的平均自由程，离子和基团会发生之间的相互反应。同时这些离子和基团具有很活泼的化学性质，到达衬底后，可以同吸附衬底上的活性基团进行反应，进而达到薄膜生长的目的。
3.3.3HIT太阳能电池对非晶硅层的要求
HIT太阳能电池对本征非晶硅层的要求：首先，本征非晶硅要具有较高的质量。本征非晶硅层作为HIT太阳电池异质结界面的钝化层要起到降低界面态的作用，因此钝化层身要具备较少的缺陷。本征非晶硅必须具有较高的质量，这有利于获得较高的开路电压。其次，本征非晶硅要具有较大的光学带隙。HIT太阳电池同非晶硅电池不同，它对光的吸收集中在单晶硅衬底上。这样，光必须要透过非晶硅，照射到衬底上，较大的光学带隙能够增加太阳光的透过率。本征非晶硅必须具有较大的光学带隙，这有利于获得较高的短路电流。最后，本征非晶硅层的厚度要能够精确控制。较厚的本征非晶硅层会带来太阳电池串联电阻的增加，同时阻碍太阳光的透过，导致短路电流和整体效率的恶化；较薄的的本征非晶硅层会削弱内建电场，导致开路电压的恶化。本征非晶硅必须能够精确控制，这有利于提高HIT太阳电池的各项性能。
3.4 TCO薄膜制备方法
制备TCO薄膜的方法有很多种，几乎所有制备薄膜的方法都可以制备TCO薄膜。在制备过程中需要注意制备工艺对TCO薄膜的主要性能，如密度、晶相、透明性、电导性、化学性能和表面粗糙度等的影响，以及考虑能够适应规模生产的要求。
3.4.1 非真空沉积法
非真空沉积法主要包括溶胶-凝胶法、喷雾热解法、常压CVD法（APCVD）、电化学沉积法等。这些方法有利于获得纳米结构的效果。通常为了获得良好的电输运性能，要求TCO薄膜具有高的晶体质量，因此沉积方法必须适合生长高质量的晶体。这一般会要求沉积在衬底表面的物种具有高迁移性，对非真空沉积法可以通过改变衬底温度来实现。非真空沉积法成本相对较低，对于以后制备减反射层来说是个可以考虑的选择。
3.4.2 真空沉积法
对真空沉积技术，晶体质量的改善可以不受制于高衬底温度，因为等离子活化可以增强吸附原子的迁移，同时可以调控化学反应来生长高质量的TCO薄膜。真空沉积法可分为化学气相沉积法（CVD）与物理气相沉积法（PVD）。CVD技术包括金属有机CVD（MOCVD）、低压CVD（LPCVD）和原子层沉积（ALD）等。而PVD技术包括真空蒸发、脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射（MS）和离子镀膜（ion plating）等。
4 提高HIT太阳能电池效率的途径
4.1 本征层厚度的优化
内蒙古师范大学运用AFORS-HET程序模拟[9]分析HIT结构异质结太阳电池的光伏特性模拟表明：本征层厚度增加反而使电池性能降低。当插入5 nm薄微晶硅本征层时，电池的光电性能最好。故优化本征层的厚度可以提高太阳能电池的效率。
4.2 衬底材料的选择
不同衬底材料会使电池的转换效率不同，基底类型分P型、N型，不同掺杂类型对应着不同的电池结构，由于异质结能带结构N型基底的HIT电池转换效率要略高于P型基底的HIT电池[10]，但从制备过程来看，P型基底材料更易制备。H.Wang等[11]分别用P型区熔(FZ)硅和直拉(CZ)硅作衬底制成了HIT电池，发现衬底为FZ硅太阳电池的效率高于CZ硅。美国Wang Qi等[12]用HWCVD法在FZ衬底上制备的HIT电池的效率达到19.1%。但是FZ硅的价格高，所以要从效率和成本综合考虑来选择合适的衬底。另外，为了减小电池对入射光的反射率，绒面衬底被应用到HIT电池中，并且取得了很好的效果[13,14]。
4.3 栅线电极优化
栅线的电阻率会影响光电流收集效率，另外栅线遮蔽了部分光线，所以降低光照遮蔽面积，即提高栅线的纵横比，可以把电极放在背面，增大光照的面积，增加光生载流子，降低入射光的损失，提高光电转换效率。栅线设计需要解决的问题是银浆粘度与流变性质的优化及丝网印刷工艺参数的优化。[15]
4.4 钝化效果的影响
对非晶硅薄层的钝化研究是制备高效HIT太阳电池的关键问题，当a-Si:H/c-Si界面陷阱密度由1011Cm-2增加至1012Cm-2时，电池效率会降低至少20%。因(p )a-Si:H膜的存在使本征非晶Si层的钝化效果降低，可能是衬底中的少子波函数可以越过较薄的(i)a-Si:H与(p )a-Si:H中的缺陷态相互作用，形成载流子的复合通道。
5. 课题意义
带有本征层的异质结（HIT）太阳能电池结合了晶硅和非晶硅薄膜电池的两者优点，保证了较高的电池转换效率，同时采取低温生产工艺，降低了成本，还避免了电池的光致衰退效应，具有较好的稳定性。目前HIT电池最高转换效率超过单晶硅电池，达到26.6%。但是，现在全世界除了日本Panasonic和Kaneka以外，还没有其他公司或科研机构能够成功制备出如此高效率的HIT电池。高性能HIT电池的难复制性也表明对其电池结构深入理解的必要性。本课题利用仿真软件AFORS-HET对p型衬底HIT电池进行系统的数值模拟研究，从而有助于进一步理解电池工作机理，为电池工艺优化提供有价值的思路。
参考文献
[1] Taguchi M, Tanaka M, Matsuyama T, et al.Improvement of the conversion efficiency of polycrystalline silicon thin film solar cell [C]// Technical Digest of the International PVSEC-5.Kyoto.Japan, 1990:689.
[2] Sawada T, Terada N, Tsuge S, et al. High efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell[C]//First WCP EC. Hawaii, 1994: 1219 .
[3] MAKOTOT, SHINGO O, SADAJIT, et al. Development of hit solar cells with more than 21%conversion efficiency and commercialization of highest performance hit modules [C]// Proc of 3rd World Conf on Photovoltaic Energy Conversion. Osoku, Japan, 2003: 11-18.
[4] Tsunomura Yasufumi, Yoshimine Yukihiro, Taguchi Mikio, et al. Twenty two percent efficiency HIT solar cell[J]. Solar Energy Mater Solar Cells, 2008, 93(6-7): 670.
[5] Maruyama Eiji, Terakawa Akira, aguchi Mikio, et al. Sanyo's challenges to the development of high efficiency HIT solar cells and the expansion of HIT business[C] //Hawaii: NASA Glenn Research Center, 2006: 1455.
[6] SANYO Electric Co, Ltd. SANYO develops HIT solar cells with world's highest energy conversion efficiency of 23.0%[EB/OL]. (2009-5-21)[2009-7-15]. http://us. Sanyo. Com News SANYO Develops HIT Solar Cells with Worlds Highest Energy Conversion Efficiency of 23-0.
[7] 中岛武，丸山英治，田中诚．高性能HIT太阳电池的特性及其应用前景[J]．上海电力，2006，4：372．
[8] 张群芳，朱美芳，刘丰珍等．高效薄膜硅/晶体硅异质结电池的研究[J]．.太阳能，2006(4)：40．
[9] LIU Q, YE X Q, Ye X J, et al. Performance of bifacial HIT solar cells on n-type silicon substrates[J]. Optoeletronics letters, 2010, 6(2): 108-111.
[10] 韩兵，周炳卿，郝丽媛等．微晶硅/晶体硅HIT结构异质结太阳电池的模拟计算与分析[J]．内蒙古师范大学学报，2010，39（3）：257－261．
[11] Wang T H, Iwaniczko E, Page M R, et al.Effect of emitter deposition temperature on surface passivation in hot-wire chemical vapor deposited silicon heterojunction solar cells [J]. Thin Solid Films, 2006, 501(1-2): 284.
[12] Wang Q, Page M R, Iwaniczko E, et al. Crystal silicon he-terojunction solar cells by hotwire CVD[C]// 33th IEEEPVSC. California, 2008: 1.
[13] Taguchi M, Terakaw a A, Maruyama E, et al. Obtaining ahigher Voc in HIT cells[J]. Prog Photovolt:Res Appl, 2005, 13: 481.
[14] Matthew Edwards, Stuart Bowden, Ujjwal Das, et al. Effectof texturing and surface preparation on lifetime and cell performance in heterojunction silicon solar cells[J]. Solar Energy Mater Solar Cells, 2008, 92: 1373.
赵恒利，涂洁磊，廖华等．EWT技术在太阳电池的应用[J]．云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（2）：39－42．
文 献 综 述
随着能源的紧缺以及人们对友好型环境的要求，太阳能作为一种清洁能源及其可再生性成为人类的首选能源。随着1954年第一块c-Si太阳能电池问世以来，光伏产业越来越受到人们的瞩目。太阳能行业迅速发展，于1974年在美国RCA实验室诞生了第一块非晶硅太阳能电池目前，硅太阳能电池仍占据着光伏市场的主导地位。晶体硅太阳能电池效率较高，稳定性好、资源丰富，但其制备工艺复杂，材料价格昂贵，且其制作温度较高。而非晶硅太阳能电池成本较低，可以大面积生产，但非晶硅材料本身缺陷较多，太阳能电池效率偏低，且因材料本身的光致衰退效应使得电池性能不稳定，这就迫使人们寻求新型的光伏材料或一种结构。近几年来，HIT太阳能电池得到迅速发展，这种简单而新颖的结构吸引着人们的注意力，因其利用薄膜制造工艺优势的同时又发挥了晶体硅和非晶硅材料性能的特点，在形成pn结的同时钝化了晶体硅表面，减少表面复合实现高的效率，具有较好的温度系数，可以获得更高的Voc，具有实现高效、稳定、低成本太阳电池的发展前景。目前，有松下公司做到的HIT太阳能电池最高实验室效率达到25.6%，创造了晶硅电池的世界纪录，为HIT太阳能电池的发展注入了新的活力。
1 HIT太阳能电池的发展
Sanyo公司于1974年开始研究a-Si基太阳能电池技术，1990年开始研究采用本征薄层的结构的异质结太阳能电池[1]。1991年他们用未掺杂a-Si:H薄层代替未掺杂的μc-Si薄层，大大降低了界面态密度，提高了c-Si表面的钝化质量，同时将通过掺杂a-Si:H薄层的隧穿泄漏电流降低下来。1994年Sanyo公司将HIT结构成功地应用在电池背面做背表面场，结合表面清洁技术、表面织构技术及栅电极的优化，在工业化生产中推出了名为HIT Power21的电池组件[2]，使得HIT电池的组件效率达到17.3%。2003年Sanyo公司采取减小表面复合，提高少子寿命，提高开路电压至710 mV以上，降低a-Si及TCO的光吸收，降低栅线宽度，增加有效吸收面积等措施[3]使HIT电池的实验室效率达到了21.3%（100Cm2），年发电量比传统太阳电池多出43%[4]。2004年，Sanyo公司使用导电性更高的导电胶材料，减小导电胶宽度至约85 μm；优化丝网印刷技术，保证栅线的高宽比大于0.5，HIT电池的实验室效率达到21.5%（100Cm2）。2006年，HIT电池的最高转换效率达到21.8%[5]，270W的HIT电池模块首先在欧洲上市。2007年通过对a-Si/c-Si界面特性及光陷结构的进一步改进，使HIT电池的实验室效率提高至22.3%(100Cm2)。2008年Sanyo公司透露，HIT的厚度已经降低至85 μm。2009年5月[6]，Sanyo公司宣布实现了23%的实验室效率，这一次是提高a-Si:H/Si界面钝化质量，降低a-Si:H及透明导电膜在红光区的吸收，改进栅线材料，提高栅线高宽比，降低栅线串联电阻，但他们没有透露具体的技术细节。2010年，Sanyo公司将HIT电池实验室效率提高到23.7%，其具体的技术细节依然没有透露。
