晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率損失機(jī)理

太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到光吸收、載流子輸運、載流子收集的限制。對于單晶硅硅太陽能電池，由于上光子帶隙的多余能量透射給下帶隙的光子，其轉(zhuǎn)換效率的理論最高值是28%。只有盡量減少損失才能開發(fā)出效率足夠高的太陽能電池。

影響晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的原因主要來自兩個方面，如圖1所示：

(1)光學(xué)損失，包括電池前表面反射損失、接觸柵線的陰影損失以及長波段的非吸收損失。

(2)電學(xué)損失，它包括半導(dǎo)體表面及體內(nèi)的光生載流子復(fù)合、半導(dǎo)體和金屬柵線的接觸電阻，以及金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻等的損失。這其中最關(guān)鍵的是降低光生載流子的復(fù)合，它直接影響太陽能電池的開路電壓。光生載流子的復(fù)合主要是由于高濃度的擴(kuò)散層在前表面引入大量的復(fù)合中心。此外，當(dāng)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度與硅片的厚度相當(dāng)或超過硅片厚度時，背表面的復(fù)合速度對太陽能電池特性的影響也很明顯。

提高晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法

(1)光陷阱結(jié)構(gòu)。一般高效單晶硅電池采用化學(xué)腐蝕制絨技術(shù)，制得絨面的反射率可達(dá)到10%以下。目前較為先進(jìn)的制絨技術(shù)是反應(yīng)等離子蝕刻技術(shù)(RIE)，該技術(shù)的優(yōu)點是和晶硅的晶向無關(guān)，適用于較薄的硅片，通常使用SF6/O2混合氣體，在蝕刻過程中，F(xiàn)自由基對硅進(jìn)行化學(xué)蝕刻形成可揮發(fā)的SiF4，O自由基形成SixOyFz對側(cè)墻進(jìn)行鈍化處理，形成絨面結(jié)構(gòu)。目前韓國周星公司應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備可制得絨面反射率低于在2%~20%范圍。

(2)減反射膜。它的基本原理是位于介質(zhì)和電池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光產(chǎn)生的各級反射相互間進(jìn)行干涉從而完全抵消。單晶硅電池一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2單層或雙層減反射膜。在制好絨面的電池表面上蒸鍍減反射膜后可以使反射率降至2%左右。

(3)鈍化層：鈍化工藝可以有效地減弱光生載流子在某些區(qū)域的復(fù)合。一般高效太陽電池可采用熱氧鈍化、原子氫鈍化，或利用磷、硼、鋁表面擴(kuò)散進(jìn)行鈍化。熱氧鈍化是在電池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止載流子在表面處的復(fù)合。原子氫鈍化是因為硅的表面有大量的懸掛鍵，這些懸掛鍵是載流子的有效復(fù)合中心，而原子氫可以中和懸掛鍵，所以減弱了復(fù)合。

(4)增加背場：如在P型材料的電池中，背面增加一層P+濃摻雜層，形成P+/P的結(jié)構(gòu)，在P+/P的界面就產(chǎn)生了一個由P區(qū)指向P+的內(nèi)建電場。由于內(nèi)建電場所分離出的光生載流子的積累，形成一個以P+端為正，P端為負(fù)的光生電壓，這個光生電壓與電池結(jié)構(gòu)本身的PN結(jié)兩端的光生電壓極性相同，從而提高了開路電壓Voc。同時由于背電場的存在，使光生載流子受到加速，這也可以看作是增加了載流子的有效擴(kuò)散長度，因而增加了這部分少子的收集幾率，短路電流Jsc也就得到提高。

(5)改善襯底材料：選用優(yōu)質(zhì)硅材料，如N型硅具有載流子壽命長、制結(jié)后硼氧反應(yīng)小、電導(dǎo)率好、飽和電流低等。