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这,就是HJT(2)

光伏电池组件  来源:摩尔光伏    2019/6/18 11:11:49  我要投稿  

3.HIT太阳能电池的国内外研究现状

日本Sanyo公司(现在的松下)于1983年最早开始异质结太阳能电池的研究。Tanaka等于1992年采用了p-a-Si∶H/i-a-Si∶H/n-c-Si结构,使电池的实验室光电转换效率在当时就实现了18.1%的纪录[15],并把这种结构称为HIT结构,随后,诸多国家也先后开始研究HIT太阳能电池。在1994年,面积为1cm2的HIT电池转换效率达到了20.0%,研究工作取很大的进展[16]。Sanyo公司在1997年开始实行HIT太阳能电池的商业化,输出功率达到了180W,电池的转换效率为17.3%,组件效率为15.2%,并逐步增大其产量。此后,HIT太阳能电池的转换效率一直都在得到不断的提高。在2003年,通过优化异质结、减少光学损失、增大有效电池面积等方法,使得HIT太阳能电池的实验室效率达到了21.3%,开路电压为717mV,电池的面积达到10cm×10cm,而且HIT太阳能电池模块的输出功率提高到了200W,实现了商业化,最高的电池的转换效率为19.5%,模组的效率为17%,除了效率上的提高之外,在温度性能等方面也得到了很好的优化,与传统电池相比,其年发电量增大了43%[17]。日本松下公司一直研究不断提高HIT太阳能电池的效率,降低其成本,特别是n型衬底的HIT太阳能电池,也不断致力于模组市场化的应用,并于2011年使产业化的HIT太阳能电池组件功率达到了240W,所用电池效率为21.6%,组件效率达到了19%。松下公司在2012年制备了厚度仅为58μm的电池,大大减小了单晶硅片的厚度,开路电压达到了很高的747mV,对电池厚度小于98μm的电池进行了研究,发现随着电池厚度的减小,由于表面复合速率随之降低,开路电压增大,短路电流也因为光程的减小而减小[10]。在2013年,还研制了电池厚度仅有98μm的HIT电池,效率也达到了24.7%[5]。2014年,为了减少光损失,松下公司采用了IBC结构的HIT太阳能电池,极大地减少了栅极覆盖带来的光损失,使电池的转换效率得到了25.6%[18],并在2014年初将组件转换效率达19.4%的HIT太阳能电池组件推向欧洲市场,用于住宅屋顶发电[14]。据报道,松下公司将HIT太阳能电池与电动汽车相结合,制造了太阳能天窗,应用于日版丰田普锐斯的电动汽车上,增大了其续航里程。表1为统计的日本松下历年制备的HIT太阳能电池的转换效率。

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由于能带等方面的优势,以n型为衬底的HIT太阳能电池的效率要高于p型的。因此人们对n型Si电池给予了相当大的期望。但是p型c-Si为衬底的HIT太阳能电池同时也具有天然的优势,如p型单晶硅成本低,易获得等方面,特别适用于大面积商业化使用,可以节省大量的成本,因此人们也一直没有放弃对p型c-Si衬底的HIT太阳能电池的研究。具体的区别差异下文中会详细叙述。目前,p型衬底太阳能电池最高效率达到21.38%,是德国于2012年的研究制备[23]。

2017年,日本Kaneka公司同样采用了IBC结构的HIT太阳能电池,使电池的转换效率达到了26.3%[3],面积为180.4cm2,厚度为165μm,开路电压为744mV。不仅如此,研究人员还指出,在将论文提交给《自然-能源》(NatureEnergy)杂志之后,他们又对太阳能电池进行了优化,达到了26.6%的转化效率,这一结果已经得到美国国家可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLab,NREL)的认可,已记录于NREL效率表[24]中,这是该种电池的转换效率首次超过26%,打破了之前由松下公司制备的25.6%的纪录。同时,日本Kaneka公司制备的面积为79cm2的异质结电池得到了26.7%的转换效率,具体参数如表2所示,由日本产业技术综合研究所(TheNationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST))测试认证,这种转换效率接近27%的电池证实了硅太阳能电池的强大潜力。表2为世界各国关于n型和p型基底的HIT太阳能电池的研究结果,此表格包括了电池的效率以及相应的短路电流密度,开路电压,填充因子等重要参数。

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4.提高HIT太阳能电池效率的方法

与传统晶体硅太阳能电池一样,提高HIT太阳能电池的转换效率,也是从减少光学损失和电学损失方1922人工晶体学报第47卷面考虑,需要同时改善Voc、Isc和F.F.三个电池的主要参数。针对HIT电池特有的结构特点,可以从多个方面来提升该类电池的效率[32]。

4.1衬底材料的选择

由以上可知,以n型为衬底的HIT太阳能电池的效率与p型的存在一定的差异,前者的效率要高。原因有以下几点:除了能带方面的优势之外,一方面n型衬底Si电池克服了p型Si衬底上电池由于B-O对的存在引起的光致衰退现象[6],另外n型Si材料中高效复合中心的密度远低于p型材料;电子具有更高的寿命及扩散长度;高温稳定性也更好;n型Si电池的光电转换效率更高,人们对n型Si电池给予了相当大的期望。能带方面的优势主要指在能带结构方面,具体的能带图如下图2所示[23],其中EF代表费米能级。对n型Si衬底HIT电池,前表面处较大的价带带阶(△Ev),形成少子空穴(h+)陷阱,势阱中空穴势垒较高,热发射概率小,有效地阻止了光产生空穴的传输。背面薄本征a-Si及n型a-Si与n-c-Si形成有效的背表面场(BSF),其较大的△Ec及较厚的本征层形成了空穴镜。而导带处较小的带阶(△Ec)对电子(e-)的传输不构成阻碍。也就是说a-Si(i/n)提供了完美的多子输运的背接触及少子反射的反射镜。对p型衬底HIT电池,前表面处,导带带阶小,电子受到较小的阻滞,比在n型衬底结构中更容易被收集,因此内建电压比n型衬底的低很多。在背面,导带带阶小,形成的反射镜作用弱得多。另外,价带处大的带阶,极大阻碍了多子的收集。可见,理论上从带阶的比较中可以看出n型Si衬底HIT电池性能更为优越。

但p型c-Si为衬底的HIT太阳能电池同时也具有天然的优势,如前所说,p型单晶硅成本低,易获得;p型衬底太阳能电池对界面的要求较低,因此对生产环境的要求比较宽松,易于制备,这对于大型的商业化利用有很大的好处,可以很大程度上节省成本;另外,对p型硅衬底,少子是电子,而在p型材料中电子具有更高的体扩散长度;除此之外,p型单晶硅为衬底的电池接触电阻也相对较低。因此,对于p型电池来说,可以做出相应的优化。如可牺牲背面钝化性能,采用非常薄或无本征层以利用陷阱辅助的隧穿,则可以改善空穴在背面的输运。也可用与c-Si的△Ec较大的半导体材料,如a-SiC∶H,作为以p型c-Si为衬底的HIT电池的BSF,来改善空穴在背面的运输特性[29]。另外,可适当增大前本征a-Si∶H的厚度,使太阳光得到更有效的吸收。从而,在节省成本的基础上,做到效率的最大化。

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4.2改善a-Si∶H/c-Si异质结界面的性能

HIT电池之所以具有高的Voc,一个重要的原因是高质量的i-a-Si∶H对硅片表面缺陷的有效钝化作用。高质量的i-a-Si∶H的制备方法目前用的最多的方法主要有PECVD(等离子增强化学气相沉积)、HWCVD(热丝化学气相沉积)以及磁控溅射方法[34]等,不同的方法制备的薄膜的质量也不相同。在没有本征层的p-a-Si∶H/n-c-Si异质结中,由于掺杂层中的局域态会引起隧穿,从而得不到高的Voc[31]。插入高质量的本征层以后,隧穿被抑制,减少了界面的悬挂键,从而获得了优异的界面性能。同时,在背面n+-a-Si∶H/n-c-Si界面插入本征层以后,背场中界面复合速率减小,从而保证了获得较高的Voc,就要有高质量的i-a-Si∶H层和优异的a-Si∶H/c-Si界面。可以通过以下几个方面来实现良好的界面特性:①改善清洗或制绒的环节,可采用RCA清洗,在a-Si∶H薄膜沉积前获得洁净的c-Si表面;②改变沉积参数,以获得高质量的、均匀的i-a-Si∶H膜层,何玉平等[35]研究了HWCVD的沉积参数,如沉积气压,电流大小和热丝衬底间距等,对a-Si∶H薄膜微结构的改变,以及这种改变对钝化性能的影响,分析得到了在热丝衬底间距为4.0cm、气压1.5Pa、沉积电流21.5A情况下,钝化情况最优,其表面复合速率优化为2.9cm/s。PECVD的沉积参数如衬底温度、沉积速率等也会对界面钝化产生影响,郭万武等[36]用分光椭偏光谱(SE)技术对i-a-Si∶H薄膜进行表征,研究了衬底温度对薄膜质量带来的影响,得到最佳衬底温度介于190~210℃之间;③在制备过程中减少硅片表面的热损伤和等离子体损伤;④优化a-Si∶H/c-Si界面的能带弯曲,异质结势垒高度的设计主要是通过控制非晶硅薄膜的沉积参数来实现的;⑤做好对硅表面的氢化处理,如在浓度为1%的HF溶液中放置60s左右,做好氢化预处理,减少表面的悬挂键。

4.3本征非晶硅厚度的优化和制备

制备非晶硅的方法包括PECVD、HWCVD以及磁控溅射方法等。本征非晶硅层的薄膜质量很大程度上影响了钝化的效果,首先可以通过沉积高质量本征非晶硅层来实现良好的钝化效果,减少界面态的影响。HIT太阳能电池大多数都是使用CVD的方法制备,日本的松下公司和德国EPFL(SwissfederalInstituteofTechnologyinLausanne)等采用了PECVD的方法,得益于近几十年来对大面积薄膜器件制备方面的深入研究,这种工艺目前在工业上得到了很好的控制。龚洪勇等[37]亦是采用PECVD方法,通过降低非晶硅薄膜的沉积速率来改善薄膜质量,从而提高载流子的寿命,最终得到平均载流子寿命为889μs,局部最高达1600μs,复合速率降低为10cm/s。而美国NREL(NationalRenewableEnergyLaboratory)和中国的中科院等采用了HWCVD的制备方法,HWCVD与PECVD相比,产生的等离子能量较低,能有效避免离子的轰击,减少对硅片产生的损伤,薄膜生长速率较高,同时可产生用于预处理硅片表面的低能氢原子,制备过程中的粉尘较少,不易使i-a-Si薄层短路;田罡煜等[38]研究了HWCVD中热丝电流、H2体积流、热丝与衬底之间的间距等对制备的i-a-Si∶H的影响,调整以上溅射参数使其钝化效果达到最优。HWCVD的热丝电流的大小[39]和H2体积流量对非晶硅薄膜中少子的寿命有很大的影响,需优化两者使少子寿命达到最优,而热丝与衬底之间的间距会影响薄膜的非晶化程度,间距不能太小,否则会使非晶硅层发生晶化,得不到所需非晶硅薄膜。

此外,美国纽约州立大学的Jagannathan等[34]还用直流磁控溅射技术制备了p型异质结太阳能电池,电池的面积为0.3cm2,在没有抗反射层的条件下,得到了550mV的开路电压和30mA·cm-2的短路电流,最终的转换效率为10.6%。

对于n型和p型的衬底的HIT太阳能电池,本征非晶硅的厚度是存在一定差异的,这种差异的原因在于能带方面的差异。如前所说,一般HIT太阳能电池的非晶硅的厚度为5~10nm,而对于p型的衬底来说,通常会调整i-a-Si∶H的厚度,介于5~50nm之间,因为有研究发现当调整i-a-Si∶H的厚度为40nm时,得到的短路电流密度要大于i-a-Si∶H厚度为5nm时的电流密度,效率也由19.69%提高到了20.86%。但是,对于n型衬底来说,这种现象是相反的[40]。因为对于n-c-Si来说,上层的i-a-Si越厚,电流密度就会越小,这是由于上层i-a-Si/c-Si界面增大的能带弯曲阻碍了载流子的收集。而对p-c-Si来说,由于两者的能带结构的差别使i-a-Si∶H的增厚不会影响载流子的收集。另一方面,对于p-c-Si,背面的i-a-Si也要合理利用,有时候牺牲钝化层能达到更好的效果,或者选用禁带宽度更大的材料等。因此,在选择适当的制备方法同时,也要根据衬底的不同,选择不同的i-a-Si∶H的厚度和结构,以使转换效率达到最大化。

4.4发射极材料及厚度的选择

为了减少a-Si层对入射光的吸收,可采用宽带隙、低光学吸收系数的材料作为发射极,如微晶硅、纳米硅、碳化硅和硅氧化物等,提高光的透过率。Xu等用纳米硅(n-nc-Si∶H)取代a-Si∶H作发射极,以p型单晶硅作为衬底,获得的转换效率为14.09%[41]。中科院张群芳用HWCVD制备出nc-Si电池发射极和缓冲层,形成Ag/TCO/n-nc-Si∶H/i-nc-Si∶H/p-c-Si/Al的电池结构,转换效率为17.27%[42],研究表明了在一定范围内,随着缓冲层氢稀释度的增加,太阳电池的开路电压增加,短路电流增加,但是随着氢稀释度的继续增加,非晶硅的晶化程度也逐渐增加,禁带宽度会减小,所以开路电压的总体趋势是减小,但晶粒尺寸的增加会增大载流子的迁移率,有效地改善了载流子的收集,从而增大短路电流,在一定程度上能弥补开路电压减小带来的损失。北京工业大学的Zhang等[27]采用了a-SiOx∶H作为发射极,中间依然采用i-a-Si层,利用PECVD的方法制备了面积高达238.95cm2的异质结太阳能电池,其转换效率为21.1%,a-SiOx∶H具有较大的禁带宽度,减少了发射极对短波长的太阳光的吸收,增大了Jsc;同时,a-SiOx∶H会改变能带结构,在一定程度上影响光生载流子的传输,所以在TCO层和a-SiOx∶H之间插入了厚度为2nm的磷重掺杂的a-Si∶H缓冲层,其改善了两者之间的接触,FF等增大,这表明a-SiOx∶H作为发射极的极大潜力。Perny等[43]用a-SiC作为发射极制备异质结太阳能电池。除此之外,若发射极厚度太薄就不能形成有效的p-n结,太厚就会影响光的吸收。通过模拟及大量的实验证明,发现发射极厚度为5nm最为适宜。

4.5发射极掺杂浓度的选择

虽然在一定条件下减小发射极中的掺杂浓度,会改变其能带结构,有利用光生载流子的传输和收集[4],但是这一改变又会增大电池的串联电阻,减小内建电势,必须要高的掺杂浓度来保证高内建电势和小串联电阻,同时发现非晶硅层的薄化会减小光生载流子的传输和收集作用带来的影响,所以一般都会选择膜厚较薄的重掺杂a-Si层。

4.6背场层

背面场(BSF)能改善背面复合速率和背面反射,若在单晶硅背面沉积本征及掺杂非晶硅薄膜形成背面场,便能够形成双面对称结构的HIT电池,达到充分利用光能的效果,同时能够提高开路电压和短路电流,从而提高电池的转换效率。制造背面场的方法有很多种,包括铝背场、磷/硼扩散法等,但这些都需要高温工艺,需要在沉积工艺之前完成,以免影响非晶硅薄膜的性能。对n型或者p型的单晶硅衬底可以选择不同的BSF,目前人们针对p型HIT电池开发了局部背场[44]、p++c-Si背场[45]等技术,并进一步提高了p型电池的转换效率。如松下公司对n-c-Si衬底通常采用i/n-a-Si的BSF,而中科院的张群芳等[31]对p-c-Si衬底采用了Al背场,牺牲了钝化层。同样,德国的HMI公司在p-c-Si衬底只采用了p-a-Si,得到了转换效率为17.4%[46]。Veschetti等还用光刻、硼离子注入实现了局部背面场(LocalBSF),与全面积Al背面场相比,开路电压大大提高,达到了676mV,证明了p型衬底HIT电池极大的发展潜力[47]。

4.7优化HIT太阳能电池结构

通过对HIT太阳能电池结构方面的调整和优化,如改变发射极材料、牺牲本征非晶硅层、局部背场等,来改善界面态以及载流子复合情况,优化载流子的收集,达到进一步提高电池的转换效率的目的。北京工业大学的ZhangY[27]等就是通过改变发射极材料(采用了a-SiOx∶H作为发射极)来实现结构的优化。TanM等[48]用p-c-Si、n-c-Si层分别来代替标准HIT太阳能电池(n-c-Si衬底)中的上下两面的i-a-Si层,称为同质异质结(H-H)太阳能电池通过模拟发现,与标准的HIT太阳能电池相比,这种结构的电池受一些因素的影响较小,如界面态密度、TCO层的功函数、p-a-Si∶H层中的悬挂键密度和掺杂浓度等,减少了界面复合以及体内复合,也因此其稳定性更加优异,这一方法的提出为HIT太阳能电池效率的提高方面提供了一个新的研究方向。德国Fraunhofer太阳能研究所(ISE)在2010年采用一种新的结构n+np+太阳能电池,前表面即太阳光入射面为一个前表面场(FSF)n+-c-Si,背面为a-Si/c-Si异质结发射极,且在前表面与栅极接触的地方采用局部重掺杂n++-c-Si,以实现良好的欧姆接触,整个电池结构为Ag栅极/(SiO2/SiNx)钝化和减反射叠层/n++-c-Si和n+-c-Si(FSF)/n-c-Si(FZ)/i-a-Si/p+-a-Si/ITO/金属电极(Ti/Ag/Pb)[29,49],这种结构与标准HIT太阳能电池相比减少了光照射面的吸收损耗,增大了Jsc和FF,在2011年制备了这种结构的电池,效率达到了20.6%。

黄海宾[28]、王涛[50]等改进上述结构,把背面的金属电极也改为栅线形式,采用了一种Ag栅极/SiNx/n+-c-Si/n-c-Si/i-a-Si∶H/p+-a-Si∶H/TCO/Ag栅极的结构,称为HAC电池,采用背结结构入光方式,可获得比前结结构入光方式更大的电流密度,通过模拟得到其效率可达到28.55%,要高于标准HIT电池模拟得到的效率27.06%,并且通过实验成功制备了面积为75mm×75mm,效率为21.1%的的异质结电池。

4.8减少光损失

为了提高电池的短路电流,必须减少a-Si∶H和TCO的光吸收损失。这些光损失主要是由a-Si∶H的光吸收和TCO层的自由载流子吸收引起的。除此之外,还有遮光损伤,主要由栅线造成的。可以从以下几个方面进行改善:①采用高质量宽带隙材料,如a-SiC∶H,取代a-Si∶H;②寻找高载流子迁移率、高质量的TCO薄膜,减少光吸收和电阻损失;③优化硅片绒面结构[51],实现良好的陷光效果,提高太阳光的利用率,表面的织构化能明显的增大太阳能电池的转换效率,另一方面,尖锐的金字塔结构虽然能有效地起到减反射的作用,但也会在一定程度上影响表面的钝化效果,龚洪勇等[52]研究了金字塔绒面结构的圆化对钝化效果的影响,其采用HNO3-HF混合酸溶液对绒面结构进行圆化处理,发现在随着圆化处理时间的延长,少子寿命是基本呈线性增强趋势的,但同时反射率也会线性增大,所以要选择一个合适的圆化时间作为一个折衷点,使电池的性能达到一个最优点,同时也发现圆化对钝化效果的改善作用随非晶硅薄膜的变薄而显著提高;④优化栅线电极,提高栅线纵横比,除此之外,还可以采用埋栅结构以及上文提到的IBC结构等,减少遮光面积。因此,可以通过减少a-Si∶H和TCO的光吸收损失、遮光损失以提高Isc。

4.9减少电池的串联电阻和漏电流

填充因子FF=Pm/Voc*Isc=(Vm*Im)/(Voc*Isc)。为了获得较高的FF,需要从以下几个方面考虑:①寻找低电阻、高质量的栅线电极材料,以减少电学损失,并且要求电极要与硅之间形成良好的欧姆接触,以减少电阻损失。为了降低成本,也可选择不使用TCO层,但要使a-Si∶H层与金属电极之间形成良好的欧姆接触,降低串联电阻,刘美玲等[53]研究了金属Ni、Al、Ti、In等与a-Si∶H层之间的接触特性,研究表明Ni、Al、Ti均可以与a-Si∶H层在较低退火温度下形成欧姆接触,其中在200℃退火条件下,p-a-Si∶H与Al的比接触电阻最低,为0.3mΩ·cm2,n-a-Si与Ti的比接触电阻最低,为0.7mΩ·cm2,表明这两种金属均可用于HIT太阳能电池表面电极,直接与a-Si∶H接触,这为节省成本的基础上同时能保证效率的情况下提供一种方法;②提高栅线电极的纵横比,以减少光学损失和电阻损失;③采用高迁移率和低电阻率的TCO层,并增大其光透过率,石建华等[54]利用反应等离子体沉积技术在低气压条件下制备了氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜,并且通过退火处理成功得到了迁移率高达44cm2/V·s,电阻率低于2×10-4Ω·cm,透过率高于93%的ITO薄膜,适合用于HIT太阳能电池的TCO层;④开发高导电性能的窗口层;⑤确定掺杂非晶硅层即发射层的适宜厚度,在确保有足够强度的内建电场的条件下,尽量减少光的吸收[55]。所以可以通过减少电池的串联电阻和漏电流来提高FF。

5结语

HIT太阳能电池具有低温工艺、高效率、高稳定性、低成本、双面发电等优点,具有很广泛的发展前景。HIT太阳能电池与单晶硅电池相比,在成本方面和工艺温度方面具有明显的优势。另外,与非晶硅电池相比,HIT太阳能电池在效率与稳定性方面具有显著的优势,不存在非晶硅薄膜电池中的光致衰减效应。其商业化模块电池也在不断发展,效率得到不断地提高,2011年松下产业化的HIT太阳能电池组件功率达到了240W,所用电池效率为21.6%,组件效率达到了19%,并在2014年初将组件转换效率达19.4%的HIT太阳能电池组件推向欧洲市场,用于住宅屋顶发电。HIT太阳能电池朝着更薄化和高效率方向发展,目前效率高达26.7%,其中的本征非晶硅层(i-a-Si)起到了非常重要的作用,如减少表面悬挂键和漏电流等,作为缓冲层减小了单晶硅和掺杂层非晶硅之间的能带偏差,调节了能带的弯曲情况,减小了界面势垒。各公司及研究人员也一直致力于通过不同的方法不断地提高HIT太阳能电池的转换效率,从选择合适的衬底开始,包括衬底类型和厚度等,不优化改善异质结界面的性能,改变i-a-Si的厚度和质量,选择更优异的发射极材料以及合适的厚度,还有选择适宜的背场层以减少载流子的损失,以及后期电极的制备过程中选择合适的Ag电极浆料,提高纵横比等方法来减少遮光损失,形成良好的欧姆接触以减少电阻损失等,除此之外,制备合适厚度的TCO层,减小串联电阻,从而提高HIT太阳能电池的效率。除了在效率上的提高,在成本上也不断做出改进。总之,通过多方面的研究跟设计,不断改变调整电池的结构,从各个方面提高HIT太阳能电池1926人工晶体学报第47卷的转换效率,降低其成本,促使HIT电池朝高效率、低成本的方向不断发展,促使HIT太阳能电池的市场化水平不断提高。

来源:人工晶体学报

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