效率超過25%的高效電池最新進展及發展趨勢

北極星太陽能光伏網訊:引言

近年來，能源危機與環境壓力促進了太陽電池研究和產業的迅速發展。目前，晶體矽太陽電池是技術最成熟、應用最廣泛的太陽電池，在光伏市場中的比例超過90%，並且在未來相當長的時間內都將佔據主導地位。其中，單晶矽的晶體結構完美，禁帶寬度僅為1.12eV，自然界中的原材料豐富，特別是N型單晶矽具有雜質少、純度高、少子壽命高、無晶界位錯缺陷以及電阻率容易控制等優勢，是實現高效率太陽電池的理想材料。

如何提高轉換效率是太陽電池研究的核心問題。1954年，美國Bell實驗室首次製備出效率為6%的單晶矽太陽電池。此後，全世界的研究機構開始探索新的材料、技術與器件結構。1999年，澳大利亞新南威爾斯大學宣布單晶矽太陽電池轉化效率達到了24.7%，2009年太陽光譜修正後達到25%，成為單晶矽太陽電池研究中的裡程碑。新南威爾斯大學取得的25%的轉換效率記錄保持了十五年之久，直到2014年日本Panasonic公司和美國SunPower公司相繼報導了25.6%和25.2%的效率。此後，日本Kaneka公司、德國Fraunhofer研究中心、德國哈梅林太陽能研究所等陸續報導了效率超過25%的單晶矽太陽電池，具體參數如表1所示。

1 單晶矽太陽電池的理論效率

對於同質結單晶矽太陽電池，2004年，Shockley和Queisser理論上計算的單晶矽太陽電池極限效率達33%，也稱之為Shockley-Queisser(SQ)效率，但是該效率僅僅考慮了輻射複合，忽略了非輻射複合與本徵吸收損失(例如俄歇複合與寄生吸收等)。2013年，Richter等提出一種新穎且精確的計算單晶矽太陽電池的極限效率的方法，考慮了新標準的太陽光譜、矽片光學性能、自由載流子吸收參數以及載流子複合與帶隙變窄的影響，當矽片厚度為110μm時，單晶矽太陽電池理論效率為29.43%。矽異質結(SHJ)太陽電池的模擬指出，最佳背場結構能夠同時提高其Voc與Jsc，以及矽片厚度對電池性能的意義，對稱結構的SHJ電池的理論極限效率為27.02%。2013年，Wen等分析得出，界面態缺陷、帶隙補償與透明導電氧化物(TCO)的功函數都會影響a-Si∶H(p)/n-CzSi的界面傳輸性能，並由此模擬出27.37%的理論極限效率。2015年，劉劍等進一步提出了合適的a-Si∶H的厚度、摻雜濃度與背場結構都會改善a-Si∶H/c-Si異質結太陽電池的載流子轉移性能，模擬出理論極限效率為27.07%。上述的研究都認為，最佳的背場能夠改善載流子的輸運，降低載流子在PN結中的損失，並指出載流子遷移性能是提高SHJ電池轉化效率的重要條件。

對於新型的無摻雜矽異質結電池，2014年，Islam等採用金屬氧化物作為新型載流子選擇性鈍化接觸層，降低了載流子在「PN結」中的損失，同時改善了與金屬接觸的電壓降損失，模擬計算的極限效率達到27.98%。表2總結了理想情況下單晶矽太陽電池的理論極限效率。

2 高效單晶矽太陽電池結構及特點分析

Martin Green分析了造成電池效率損失的原因，包括如圖1所示的五個可能途徑:(1)能量小於電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發產生電子-空穴對，會直接穿透出去。 (2)能量大於電池吸收層禁帶寬度的光子被吸收，產生的電子-空穴對分別被激發到導帶和價帶的高能態，多餘的能量以聲子形式放出，高能態的電子-空穴又回落到導帶底和價帶頂，導致能量的損失。(3)光生載流子的電荷分離和輸運，在PN結內的損失。(4)半導體材料與金屬電極接觸處引起電壓降損失。(5)光生載流子輸運過程中由於材料缺陷等導致的複合損失。

以上各種能量損失的途徑可概括為光學損失(包括(1)、(2)和(3))和電學損失(包括(3)、(4)和(5))。為了提高太陽電池效率，需要同時降低光學損失和電學損失。降低光學損失的有效措施包括前表面低折射率的減反射膜、前表面絨面結構、背部高反射等陷光結構及技術，而前表面無金屬電極遮擋的全背接觸技術則可以最大限度地提高入射光的利用率。減少電學損失則需要從提高矽片質量、改善PN結形成技術(如離子注入等)、新型鈍化材料與技術(如TOPCon、POLO等)、金屬接觸技術等方面入手。針對如何降低光學損失和電學損失的問題，人們提出了多種結構的單晶矽太陽電池，目前轉換效率超過25%的單晶矽太陽電池主要包括以下六種。

2.1 鈍化發射極背場點接觸(PERC)電池家族

新南威爾斯大學(UNSW)Martin Green領導的小組提出PERC結構的單晶矽太陽電池，在P型FZ矽片上實現了22.8%的高轉換效率，其基本結構如圖2a所示。1999年，UNSW的該團隊再次宣布其PERL太陽電池(如圖2b所示)轉化效率達到24.7%。與傳統的單晶矽太陽電池相比，PERL太陽電池的主要特點和優勢包括:

(1)氧化矽作為PERL太陽電池背表面的鈍化層，界面的複合速率顯著降低。

(2)背金屬電極通過小孔接觸到重摻雜的發射極，這種結構能夠形成良好的歐姆接觸，從而降低電阻損失[4]。

(3)倒金字塔陷光結構提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作為雙減反層減少了光的反射，兩者共同顯著提高了太陽電池的短路電流[23]。

為了解決背部接觸不足帶來的等效串阻增大等問題，他們將整個矽片背面先採用輕硼摻雜，而後再採用定域重硼摻雜製備金屬接觸區，從而形成PERT電池，其結構如圖2c所示。它可以實現高電導和低背表面複合速率，改善了開路電壓和填充因子，在4cm2的P型MCZ矽片上取得24.5%的高效率。而PERC太陽電池結構如圖2a所示，它具有背表面鈍化優異與其製備技術的優勢，近年來得到產業界的廣泛重視，成為產業界下一代高效率高端電池產品。

Fraunhofer ISE採用一種無光刻、加工速度快、適用各種不同矽襯底的技術，獲得的PERC電池效率超過21%，具有很好的產業化前景。2017年，隆基樂葉和晶科兩家公司分別報導了效率達到23.26%和23.45%的單晶矽PERC電池。2018年，他們又先後報導了效率為23.6%和23.95%的電池，成為光伏行業的裡程碑。在PERC電池的製備工藝中，背部電極的設計和金屬電極與矽基底之間形成良好的歐姆接觸是兩個關鍵的步驟。目前實現金屬電極與矽基底的歐姆接觸技術越來越成熟，在生產線上已經得到普遍的運用。

2.2 交叉指式背接觸(IBC)太陽電池

1975年，Schwartz首次提出背接觸式太陽電池。經過多年的發展，人們研發出了交叉指式背接觸(IBC)太陽電池，其結構示意圖如圖3所示。IBC太陽電池最顯著的特點是PN結和金屬接觸都處於太陽電池的背部，前表面徹底避免了金屬柵線電極的遮擋，結合前表面的金字塔絨面結構和減反層組成的陷光結構，能夠最大限度地利用入射光，減少光學損失，具有更高的短路電流。同時，背部採用優化的金屬柵線電極，降低了串聯電阻。通常前表面採用SiNx/SiOx雙層薄膜，不僅具有減反效果，而且對絨面矽表面有很好的鈍化效果。這種前面無遮擋的太陽電池不僅轉換效率高，而且具有外形美觀等優勢，適合應用於光伏建築一體化，具有極大的商業化前景。目前IBC電池是商品化晶體矽電池中工藝最複雜、結構設計難度最大的電池，標誌著晶體矽研發製造的最高水平。

作為IBC電池產業化領導者的美國SunPower公司已經研發了三代IBC太陽電池。其中，2014年在N型CZ矽片上製備的第三代IBC太陽電池的最高效率達到25.2%。天合光能公司一直致力於IBC單晶矽電池的研發，2017年5月自主研發的大面積6英寸(243.2cm2)N型單晶矽IBC電池效率達到24.13%;2018年2月，該電池的效率進一步提高到25.04%，開路電壓達到715.6mV，並經過日本電氣安全與環境技術實驗室(JET)獨立測試認證。這是迄今為止經第三方權威認證的中國本土效率首次超過25%的單結單晶矽太陽電池，也是目前世界上大面積6英寸晶體矽襯底上製備的單晶矽太陽電池的最高轉換效率，標誌著天合在高端光伏電池技術研究上邁出了重要的一步。

2.3 矽異質結(SHJ)太陽電池

PERL電池和IBC電池雖然可以獲得極高的效率，但都是基於同質PN結實現的[34]。AFORS-HET的理論計算表明，異質結有利於太陽電池獲得更高的開路電壓，從而獲得較高的電池效率。由於異質結中兩種半導體材料的禁帶寬度、導電類型、介電常數、折射率和吸收係數等不同，比同質結的應用更加廣泛。從20世紀80年代起，日本Sanyo公司及隨後的Panasonic公司在單晶矽異質結太陽電池(HIT，也稱SHJ)領域一直處於領先地位，經過對本徵a-Si∶H鈍化層、背部場結構、高導電與高透過ITO、陷光結構、金屬化柵線和矽片厚度等關鍵技術的不斷優化與調整，2013年將面積為101.8cm2的SHJ太陽電池效率提高到24.7%，開路電壓(Voc)達到750mV，遠高於同質結電池的開路電壓，其基本結構如圖4所示。

矽異質結(SHJ)太陽電池研究的迅速發展與其自身具備的優勢密切相關，其優勢如下:低溫製備工藝、異質結造就的高Voc、雙面制絨結構實現的雙面採光、全鈍化層接觸結構、無需光刻開孔、載流子的一維傳輸和低成本高效率等。日本Kaneka公司致力於單晶矽異質結太陽電池的研究，他們採用雙面制絨的矽片，以本徵a-Si∶H作為鈍化層，能取得高的開路電壓，這也是獲得高效率的重要原因。該矽片採用了雙面制絨技術，降低了光學損失，其兩面都生長TCO，具有光學透明與導電雙重功能。此外，他們還在Ag電極上電鍍Cu，降低了成本且提高了導電性，從而進一步優化了SHJ太陽電池的性能，其效率達到25.1%。

近年來我國在SHJ電池上已取得長足的進步。杭州賽昂報導的SHJ電池轉換效率達到23.1%(有效面積229.9cm2)。中科院上海微系統與信息技術研究所自2015年在125mm×125mm的N-CZ矽片製備的電池取得22.5%的效率之後，通過改善矽片質量與絨面陷光結構，2017年2月在大面積(156mm×156mm)的N-CZ矽片上製備的SHJ電池效率達到23.5%。在工業化方面，國內外多家公司已經在逐步推進其產業化鏈的發展。

2.4 交叉指式背接觸異質結(HBC)太陽電池

為了進一步提高單晶矽太陽電池轉化效率，利用IBC電池高短路電流與SHJ電池高開路電壓的優勢，可結合成交叉指式背接觸異質結(HBC)太陽電池，其結構示意圖如圖5所示。與IBC結構太陽電池相比，HBC太陽電池採用a-Si∶H作為雙面鈍化層，具有優異的鈍化效果，能夠取得更高的開路電壓。在生長PN結的工藝中，他們採用區域型掩膜摻雜，降低了載流子的複合損失。與SHJ結構的太陽電池相比，其前表面無電極遮擋，而且採用SiN減反層取代TCO，減少光學損失的優勢更加顯著(在短波長範圍內)，結合前表面兩點優勢，HBC電池能夠取得更高的短路電流。

2017年，日本Kaneka公司研發的電池先後取得了26.3%、26.63%的轉化效率。該公司的HBC電池(SHJ+IBC)前表面無金屬電極，背部P、N層呈現有序規則的交錯排列，大大降低了串聯電阻Rs，且與P、N層接觸相間的金屬電極能夠形成很好的歐姆接觸，增大了短路電流。另外，優異的本徵鈍化層能夠獲取高的開路電壓。這兩大優勢也決定了Kaneka公司能夠相繼取得世界晶矽電池的最高效率。

2.5 隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池

德國Fraunhofer研究中心在電池背面利用化學方法製備一層超薄氧化矽(～1.5nm)，然後再沉積一層摻雜多晶矽，二者共同形成了鈍化接觸結構，這種技術被稱為隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)技術。由於n+多晶矽與吸收層的功函數存在差異，前者會在後者表面形成一個累積層。累積層或者能帶彎曲會產生一個勢壘阻擋空穴達到隧穿氧化層，而電子則能夠輕易達到。相比於電子，超薄氧化層也會為空穴提供更高的勢壘阻擋其隧穿，因而該層具有載流子選擇性。TOPCon太陽電池的隧穿氧化層鈍化接觸結構的能帶圖和其結構示意圖如圖6a、b所示。

Fraunhofer研究所採用N型FZ矽片，正面採用普通金字塔制絨，硼擴散，等離子體輔助的原子層沉積(ALD)氧化鋁與等離子體化學氣相沉積(PECVD)氮化矽的疊層結構起到鈍化和減反效果。背面採用上述TOPCon技術(基於硝酸熱氧化化學工藝)，PECVD沉積n+摻雜的多晶矽，接著通過進行高溫(70～900℃)退火和氫鈍化改善矽薄膜的形貌與帶隙，最後正、反金屬化採用電子束蒸發的Ti/Pd/Ag疊層和熱蒸發的Ag實現，最終效率達到25.1%(Voc=718mV，短路電流(Jsc)=42.1mA/cm2，填充因子(FF)=83.2%)。隨後，他們使用最佳厚度、低電阻率的矽片，並改變前表面減反層(SiNx/MgF2)，進一步降低光學損失，使得電池效率進一步提高到25.7%。圖6c體現出背部全鈍化接觸與載流子一維傳輸特徵，其中藍色箭頭表示電子傳輸。

TOPCon最關鍵的技術就是超薄氧化層的製備。目前研究人員探索出一系列超薄氧化層的製備方法，如紫外臭氧氧化、等離子體輔助氧化(N2和O2混合氣氛)、溼化學方法氧化(硝酸熱氧化、鹽酸熱氧化)、高溫熱氧化(Ar與O2混合氛圍下快速熱氧化、超高真空熱氧化)、高溫中性氧原子等離子體氧化、場誘導陽極氧化等。

採用TOPCon技術的高效晶矽太陽電池雖然還處於研發階段，但是該技術的運用也取得了一定的進展。實驗室中，Yamamoto等將前表面SHJ的技術與背部採用TOPCon的技術結合，使得新型結構的電池(SHJ+TOPCon)效率接近於25%。基於IBC電池的優異結構，Reichel等通過離子注入的形式將IBC結構與TOPCon技術結合，製備出新型的電池(IBC+TOPCon)，其Voc為682mV，偽填充因子(pFF)為82.2%。而Tao等以大面積(239cm2)的N-CzSi為襯底製備出了效率為21.2%的TOPCon電池，他們採用在室溫和100℃環境下的溼化學硝酸氧化技術製備隧穿氧化層，並說明前表面發射極的複合影響電池性能，具有工業化生產的應用前景。

隨著TOPCon電池的超薄氧化層製備技術不斷成熟，其不僅在實驗室中得到了廣泛的應用，而且具有很大的市場產業化空間。TOPCon太陽電池具有的工業化應用前景在於TOPCon技術的多樣性，晶矽太陽電池的PN結、金屬電極、減反層等工業技術已經成熟，為工業化生產高效晶矽太陽電池提供了一種選擇。

2.6 多晶矽氧化物選擇鈍化接觸(POLO)太陽電池

德國哈梅林研究所(ISFH)Peibst等致力於P型單晶矽太陽電池的研究，結合多晶矽和氧化從而形成全鈍化接觸，稱之為POLO結構，其對應的POLO太陽電池結構如圖7所示。POLO電池與TOPCon電池都是採用了多晶矽加氧化層結構設計，且其對應的氧化層的生長方法相近，不同點在於:

(1)前者先採用低壓化學氣相沉積(LPD)法沉積本徵多晶矽，然後採用離子注入形成n+/p+多晶矽，後者則採用PECVD法沉積n+多晶矽。

(2)前者需要兩面都生長氧化層，並分別生長n+、p+多晶矽;後者只需背部生長氧化層，並沉積n+多晶矽。

(3)前者在離子注入後會形成n+/p+c-Si，而後者無該摻雜技術的使用，不會形成p+/n+c-Si。與a-Si:H/a-Si異質結相比，多晶矽/c-Si結的飽和電流密度和接觸電阻更低，且其載流子的選擇性更好。

多晶矽雖然具有很高的缺陷態，但是應用於背結背接觸POLO太陽電池(POLO-BJBC)中能夠大幅降低載流子在PN結中的損失，從而取得了23.9%的效率。隨後，ISFH研究所對比了同樣厚度的p-a-Si∶H層與p-多晶矽層，結果發現，因寄生吸收造成的短路電流密度損失，前者要高於後者。他們研究多晶矽/c-Si結的載流子選擇性的原理發現，n+-多晶矽和p+-多晶矽分別具有電子、空穴選擇性，通過化學刻蝕的溝槽隔開，分別與表面氧化物接觸，因而具有優異的鈍化效果。

基於SHJ電池的優異鈍化性能、多晶矽/c-Si選擇性輸運和TOPCon的隧穿氧化鈍化特性，Stodolny等提出了稱之為鈍化發射極及背部多晶矽氧化物選擇性接觸(PERPloy)的新型結構的矽電池，取得了超過22%的轉化效率。ISFH研究所Hasse等採用N型矽片襯底製備POLO電池，他們改善了POLO太陽電池的工藝流程，採用了無需光刻技術的方法，最終獲得24.25%的高轉化效率。2018年2月，德國ISFH研究所報導了基於P型矽片的單晶矽太陽電池，其效率達到了26.1%。ISFH研究製備的POLO太陽電池的基本結構示意圖如圖8所示。

比較圖7和圖8可知，後者的結構結合了IBC太陽電池結構的優勢，前表面無金屬電極，提高了入射光的利用率;而且後者結構更複雜，前後減反層分別為AlOx/SiNy/SiOz隨機金字塔狀結構、AlOx/SiOz疊層結構，進一步增強了鈍化與光吸收效果。其中，POLO技術的最關鍵點為氧化物的生長和本徵多晶體矽的沉積。首先在矽片兩面進行熱氧化或是紫外臭氧氧化，生長氧化矽層。然後通過LPD技術沉積本徵多晶矽，再運用離子注入技術，形成P、N型的多晶矽和單晶矽。

利用光刻膠作為保護層，通過溼化學法對背面進行刻蝕，從而形成溝槽，將P、N型分離開後分別與金屬電極接觸，降低了載流子的複合，且形成載流子的選擇性輸運。相比於前面提到的幾種結構的高效單晶矽太陽電池，該電池的製備流程複雜、繁瑣，且目前只適合實驗室製備階段。但其優勢也很突出，具有優異的選擇性鈍化接觸特性，低溫條件下就可以製備，且對矽襯底表面的潔淨度要求不高。POLO-IBC電池離投入工業並大量生產還有一段距離，不僅僅需要簡化工藝流程，而且還要兼顧成本與環保。

3 高效單晶矽太陽電池的發展趨勢

至今為止，單晶矽太陽電池無論是在研究方面還是在產業化方面都得到了快速的發展。綜合上述分析及目前的現狀，下一步高效單晶矽太陽電池的發展趨勢主要包括以下方面。

3.1 全鈍化接觸

在影響c-Si電池的諸多因素中，矽片質量的提高使得其體複合越來越小，新型鈍化層及其製備技術的發展使得表面複合大幅降低。其中，金屬電極與c-Si接觸處的複合成為影響電池效率的關鍵因素，被認為是接近理論極限效率的最後一個限制因素。為減小金屬與c-Si接觸處的複合，一方面通過在電池(包括PERC、PERL和PERT等)背面局部開孔來減小金屬與c-Si直接接觸面積。雖然其轉化效率達到或者接近25%，但是這些電池中依然存在金屬與c-Si直接接觸。背面開孔工藝複雜，且會對開孔處的矽材料造成損傷。此外，局部開孔技術使得載流子不僅偏離了垂直於接觸面的遷移路徑，而且可能會擁堵在開口處，進而導致填充因子損失。

另一方面，需要開發出新型的接觸方案:既能夠實現優異的表面鈍化，又無需開孔便可分離和輸運載流子，即載流子選擇性鈍化接觸。該方案可實現矽片表面的全面積(包括接觸區和非接觸區)鈍化，且此時載流子在兩端電極之間是一維輸運，有利於獲得更高的填充因子，進而提高其轉化效率。目前的研究熱點主要包括矽異質結(SHJ)電池和隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池，分別採用本徵非晶矽/摻雜非晶矽(i-a-Si∶H/dopeda-Si∶H)和SiO2/摻雜多晶矽的組合來同時實現全表面鈍化和載流子選擇輸運，最高效率分別達到25.1%和25.7%。在此基礎上進一步與交叉指式背接觸(IBC)技術相結合，前者使得電池效率進一步提升到26.6%，而後者剛超過20%。基於SiO2/摻雜聚合Si的優異載流子選擇性輸運特性，人們將其運用到矽片的前後表面形成對稱結構，從而誕生了POLO電池，並取得了25%的效率。隨後基於IBC結構的優異特性，實現了POLO-IBC結構的電池，將電池效率進一步提升至26.1%。此外，採用具有高功函數的材料(MoOx、VOx和WOx等)和低功函數的材料(LiFx、MgOx和TiO2等)作為空穴、電子選擇性接觸層也是實現載流子鈍化接觸的有效方案。

3.2 交叉指式背接觸(IBC)結構

從產業化角度來看，進一步提升晶矽電池的效率主要從兩方面開展工作:一方面，在現有生產線基礎上進行局部改進，包括柵線電極金屬化技術、選擇性發射電極(SE)技術、先進陷光技術、組件電學與光學優化以及無鋁邊框雙玻組件技術等;另一方面，從實現高效電池產品的角度來說，開發新型載流子選擇性鈍化接觸技術及其低成本的產業化技術，包括SHJ電池、TOPCon電池及其與叉指背接觸(IBC)技術結合的新型結構電池、產業化核心設備以及關鍵輔助材料的研發。利用IBC結構前表面無金屬柵線，絨面陷光結構充分地利用了入射光，背部與SHJ和TOPCon技術全鈍化接觸優勢相結合，這樣能夠在晶體矽太陽電池中取得更高的效率。因而，IBC結構在今後的晶矽太陽電池中具有更加重要的地位與應用前景。

3.3 P型和N型矽片之爭

相對於P型矽片，N型矽片具有體壽命高、對金屬雜質的要求高以及沒有硼氧對導致的光致衰退等優勢，且製備的N型單晶組件具有弱光響應好、溫度係數低等優點，是未來高效單晶矽太陽電池的必然選擇，基於N型矽片的電池效率確實也達到了26.6%的效率記錄。然而，2018年2月，德國ISFH研究所報導了基於P型矽片的單晶矽太陽電池效率達到了26.1%。因此，在P型矽片與N型矽片的選擇上，仍然存在很大的爭議。

結語

本文詳細地介紹了六種主要的高效率單晶矽太陽電池的結構特徵，通過比較它們的優缺點可以發現，具有優異的光利用率的IBC結構仍然是目前高效晶矽太陽電池研發的必要條件，這歸功於其前表面無金屬電極所帶來的高短路電流的優勢。此外，優異的選擇性全鈍化接觸技術是提升開路電壓與填充因子的關鍵因素。綜合考慮抑制晶矽太陽電池性能的五大主要損失途徑，充分地發揮這兩大技術的優勢，才能夠實現更高的電池轉化效率，並為實現低成本、高效率晶矽太陽電池的商業化和產業化建立一定的基礎。

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