硅基納微米復合結構高效太陽電池研究.pdf

1、太陽能光伏轉換是新能源利用的最重要組成部分之一，它在解決傳統(tǒng)化石能源危機和環(huán)境保護方面起著不可替代的作用。太陽電池是一種將光能轉換為電能的器件，要實現(xiàn)太陽電池高的能量轉換效率，需要盡量提高器件的光學增益和盡量降低器件的電學損失。晶硅太陽電池在太陽能光伏利用中占有絕大部分的市場份額，提高轉換效率和降低生產(chǎn)成本是晶硅太陽電池產(chǎn)業(yè)的永恒主題。
　　硅基納微米復合結構，是硅微米絨面和硅納米結構兩者的結合，它既具有硅納米結構陣列幾乎不依賴于

2、入射角度的極低表面反射，也可以在保持等量的反射下進行形貌的控制和優(yōu)化，從而在電學復合損失控制上體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。在硅基納微米復合結構的制備方面，分成兩步，第一，采用和現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)一致的堿或酸刻蝕工藝制備金字塔（單晶）或“蠕蟲”狀（多晶）硅微米絨面；第二，在微米絨面的基礎上，采用金屬輔助化學刻蝕(Metal-assisted Chemical Etching，MACE)法制備硅納米結構陣列。MACE法工藝簡單、成本低、容易實現(xiàn)大面積制備以及反應

3、物可回收利用等優(yōu)點。更為重要的是，MACE方法與現(xiàn)有產(chǎn)線工藝完全兼容，這意味著硅基納微米復合結構的整套工藝流程與現(xiàn)有產(chǎn)線可以實現(xiàn)無縫對接，為實現(xiàn)硅基納微米復合結構高效太陽電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定堅實基礎。
　　在本文中，我們基于MACE刻蝕方法，分別在大面積單晶硅和多晶硅片上制備了硅基納微米復合結構，并用不同的鈍化介質(zhì)膜對它們實施鈍化。我們研究了它們的光學和電學特性，并將之應用在單晶硅和多晶硅高效太陽電池上，最終在硅基納微米復合結

4、構太陽電池器件效率上取得了突破。具體研究進展可概括如下：
　　首先，我們基于原子層沉積（ALD）氧化鋁（Al2O3）鈍化的單晶硅基納微米復合結構（面積125×125 mm2），同時實現(xiàn)了最低的光學減反（1.38%）和最低的表面復合速率（44.72 cm/s），解決了硅納米結構太陽電池中需要對光學增益和電學損失精細平衡這一難題。成功的關鍵在于ALD-Al2O3鈍化的硅基納微米復合結構具有反常的電學特性，即具有更細納米線的復合結構少子

5、壽命更高，原因是強的場效應鈍化在更細的納米線上表現(xiàn)出來的鈍化效果更強；根據(jù)光學特性的研究，具有更長（同時也更細）納米線的復合結構光學反射更低，這主要來自納微米結構和 SiNx:H薄膜互補的減反。根據(jù)這種光電最優(yōu)性能的同時實現(xiàn)，我們設計了n型大面積單晶硅基納微米復合結構太陽電池，并基于實驗中得到的光電性能參數(shù)，模擬了這種結構的太陽電池性能。結果顯示，最高的轉換效率可以達到21.04%。該研究將為大面積高效納米結構太陽電池研究打開了廣闊的空

6、間。
　　其次，我們通過對正面硅基納微米復合結構發(fā)射極和電池背面同時實施SiO2/SiNx疊層鈍化，成功制備了156×156 mm2標準尺寸、效率為20.0%硅基納微米復合結構單晶硅太陽電池。這一高轉換效率得益于太陽電池的優(yōu)異寬光譜響應。對電池正面和背面光電性能的研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)異的寬光譜響應來自于疊層鈍化的硅基納微米復合結構發(fā)射極良好短波光譜響應和疊層鈍化背面的優(yōu)異長波光譜響應?；谠诙滩ê烷L波段光譜響應的改善，我們獲得了20.0%

7、的高轉換效率、0.653 V的高開路電壓和39.0 mA/cm2的大短路電流密度。這種基于絲網(wǎng)印刷的高效太陽電池在大規(guī)模商業(yè)應用方面顯示出廣闊前景。
　　最后，我們采用一步法銀輔助化學刻蝕技術，生長了表面形貌光滑的多晶硅基納微米復合結構，并在大面積的156×156 mm2多晶硅片上，制備出了最高效率為17.63%的多晶硅基納微米結構太陽電池，超越了常規(guī)酸制絨多晶太陽電池17.45%的效率。硅基納微米結構太陽電池的光電性能研究結果表

8、明：光學增益方面，硅基納微米復合結構和 SiNx薄膜的聯(lián)合減反射使得電池具有更好的光學性能；電學損失控制方面，通過一步法對形貌的光滑（消除多孔硅）和形貌的優(yōu)化（采用更短的納米結構），從而將器件的表面、俄歇和Shockley-Read-Hall復合損失控制到最低。光學增益和電學復合損失兩者之間的精細平衡是實現(xiàn)超越常規(guī)電池效率的關鍵。一步法MACE大面積多晶硅基納微米復合結構太陽電池的成功將會大大推進納米結構在多晶硅太陽電池上的產(chǎn)業(yè)化應用。