适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池-solarbe文库

资源描述：

综述2016.8 Vol.40 No.8收稿日期 2016-01-28作者简介潘振 1983 ，男，天津市人，硕士，工程师，主要研究方向为太阳电池。1722适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池潘振 1，呼文韬 1，王寅 1，郭林 2，付增英 11.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384； 2.中国航天空气动力技术研究院，北京 100074摘要综述了适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池的国内外研究进展，主要介绍包括 IBC 、 HIT、 HBC 、 PERC 等高效太阳电池的器件结构、研制工艺、性能特点以及在太阳能飞行器能源领域的应用。结合可能存在的临近空间环境特点，从转换效率、环境适应性和可靠性等方面对这几种太阳电池进行了比较分析。关键词单晶硅；太阳电池；太阳能；无人机；太阳能飞行器中图分类号 TM 914 文献标识码 A 文章编号 1002-087 X201608-1722-04Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehiclePAN Zhen1, HU Wen-tao1, WANG Yin 1, GUO Lin 2, FU Zeng-ying1Abstract The search progress of the monocrystalline silicon solar cells for solar aerial vehicle was reviewed,including IBC, HIT, HBC, PERC solar cells. The device structures, processing technologies, characteristics andapplication in solar aerial vehicle were introduced. According to possible environmental characteristics of near space,the efficiency, environmental suitability and reliability of these solar cells were contrasted and analyzed.Key words monocrystalline silicon; solar cell; solar energy; UAV; solar aerial vehicle太阳能飞行器能够实施超高空长航时飞行，具备持久的对地观测、侦察、通讯中继等能力，能源清洁环保，在军用和民用领域极具发展前景。太阳能飞行器通过其表面铺设的太阳电池阵，将太阳辐射能转变为电能供动力系统和载荷设备使用 [1]。而受太阳辐射能量密度低，太阳电池阵铺装面积有限，以及飞行器质量和飞行环境等诸多条件限制，太阳能飞行器的进一步发展对其最基本发电单元太阳电池的性能提出了更高的要求，主要包括效率、质量比功率、可靠性等方面。单晶硅太阳电池具有研发制造相对成熟、效率较高、性能稳定、成本低廉等优势，适于太阳能飞行器，特别是太阳能飞机、无人机使用。1 高效率单晶硅太阳电池1.1 IBC 太阳电池IBC 意为叉指型背接触 Interdigitated Back Contact， IBC电池的 pn 结、背表面场和相对应的金属接触电极都在背面 [2-6]。如图 1 所示，由于光照产生的少数载流子需要扩散通过整个硅片厚度方可到达 p-n 结区， IBC 电池必须使用少子寿命高的硅片作为衬底，一般选用 n 型区熔单晶硅。硅片正面制成绒面陷光结构，具有 n 前表面场和钝化减反射层如 SiO2、SiN 等。而背面分布着叉指状的磷和硼局部扩散区分别作为n 背表面场和 p 发射区，二者之间需被一个未扩散的区域分隔开。金属电极并不是与 n 背场或 p 发射区全部接触，而是通过绝缘钝化薄膜的局域开口与扩散区局部接触。该结构设计最大程度降低了少子复合率，从而提高了电池的效率，但会使制备工艺步骤多而复杂。背面钝化层可采用 Al 2O3 或 SiO2等薄膜，制程中需多步掩膜或激光刻划工艺以隔离不同极性的区域及相应的电极。电极制备如选用丝网印刷工艺则需要与钝化层开槽精确对准，另外可采用沉积金属种子层然后电镀加厚的方法。IBC 太阳电池优点是 1 前表面无金属栅线，因此没有遮光，可专注于陷光结构和钝化性能的设计，利于提升短路电流； 2 背面电极设计可单纯考虑提升接触特性、降低串阻，能图 1 IBC 太阳电池结构综述2016.8 Vol.40 No.81723使用更宽的电极，从而提高填充因子； 3 效率高，输出功率高，可靠性好； 4 正负电极均在背面，组合较为容易，利于实现自动化程度更高的表面贴装技术 SMT 制备组件，同时提高了电池封装密度，使整体组件的转换效率提升； 5 组件外观一致、美观。2014 年澳大利亚国立大学研发的小面积 IBC 电池效率达24.4[5]。 SunPower 公司是最知名的 IBC 太阳电池生产商，电极采用电镀工艺，实验室效率高达 25[6] ，该公司已为国际上多架太阳能飞行器和赛车提供 IBC 电池。 IBC 电池用于太阳能飞行器光伏电源目前已有多个报道。近期的阳光动力 2 号Solar Impulse II 太阳能飞机其电力来源于机翼、机身和水平尾翼上安装的总共 17 248 片 SunPower 的厚度为 135 滋 m、效率为 22.7的 IBC 高效太阳电池。美国 Titan Aerospace 公司开发的小型版 Solara 无人机，根据公布的相关视频可判断其使用的是 IBC 电池。 2001 年创下无燃料飞行器飞行高度纪录29 524 米的 “ 太阳神” 号 Helios 无人机使用的也是 IBC 电池。1.2 HIT 太阳电池HIT 是 Heterojunction with Intrinsic Thin Layer 的缩写，意为本征薄层异质结。 HIT 太阳电池是以光照射侧的 p/i 型非晶硅 a-Si薄层 5～ 10 nm作为发射区和背面的 i/n 型 a-Si 薄层5～ 10 nm作为背场，中间夹住单晶硅片通常为 n 型基区，两侧顶层为透明导电氧化物层 TCO 和电极，具有对称的结构 [7]图 2。HIT 太阳电池的 a-Si 薄层与单晶硅 c-Si 形成 p-n 异质结。 a-Si 禁带宽度比 c-Si 更宽，二者形成的异质结内建电场比c-Si 同质结更强。此外，所插入的高质量本征非晶硅 i 型 a-Si薄层还起到了如传统硅电池中的 SiO2、 SiN 等绝缘介质层一样对晶体硅表面的钝化作用。较高的异质结内建电场和优良的钝化性能，能更大程度地减少光生载流子的非辐射复合，降低表面、界面漏电流，提高开路电压 oc，为提高 HIT 电池光电转换效率创造了条件 [8-9]。太阳电池 oc 越高，输出性能的温度依存性越小。高 Voc 的HIT 电池具有较低的温度系数，通常为－ 0.25/℃ ，明显优于普通晶硅电池，这使得 HIT 电池在较高的工作温度下与普通晶硅电池相比可产生更高的功率输出。HIT 电池采用等离子体增强化学气相沉积 PECVD 工艺制备 a-Si 薄层，能够在 200 ℃ 的较低温度下进行，明显低于传统晶硅电池的扩散工艺温度一般在 800 ℃ 以上。这种低温工艺特性和对称的器件结构减少了成膜时因热量而产生的硅晶片的形变和损伤，对实现电池器件的减薄化、轻质化和高效化极为有利。HIT 电池可实现器件的薄型化，这不但能提高质量比功率，而且使电池片具有一定柔性，可承受一定程度的弯曲图3，这一优点非常有利于其在太阳能飞行器方面的应用。2013 年报道了松下 / 三洋公司研制的 101.8 cm2 的 HIT电池效率为 24.7[9]， oc750 mV 其他参数 sc39.5 mA/cm 2，0.832，批产转换效率可达 22.5。1.3 HBC 太阳电池HBC 即异质结背接触 Heterojunction Back Contact，实际上就是 HIT 和 IBC 结构相结合 HITIBC 的太阳电池 [10]。2014 年日本松下 / 三洋公布了其研发成果， 143.7 cm2 面积的 HBC 太阳电池效率达到了 25.6[11]，打破了尘封 15 年的硅基太阳电池世界纪录原纪录为钝化发射区和背面局部扩散p 型单晶硅电池 PERL[12-14]，面积 4 cm 2，效率 24.7[14]，经光谱重新校准后效率为 25。在大面积硅片上实现这一高效率表明了其今后实际应用的巨大潜力图 4。HBC 太阳电池保留了 a-Si 本征层和异质结，而将受光面的发射区和电极移到了电池背面。 c-Si/a-Si 异质结能够保证较高的内建电场和优良的钝化效果，提高了开路电压；去掉前表面遮光的栅线，而在异质结基础上组合使用背接触电极的结构，增加了短路电流并提高了填充因子。该类电池集合了 HIT和 IBC 各自的优势，实现了光电转换效率的突破。在融合异质结和背接触结构上开展工作的还有日本夏普和韩国 LG 电子等公司。夏普公布了小面积 3.72 cm2HBC 电池效率达到 25.1[15]。目前 HBC 电池正处于研制阶段，尚未大规模量产，然而效率 25 的成果接连发布，可以预见其研究开发今后将会非常活跃，该技术也将得到更为广泛的应用。1.4 p 型 PERC 单晶硅太阳电池PERC 为钝化发射极与背面电池 PassivatedEmitter andRear Cell [16]。 HIT 和 IBC 技术通常用于制备 n 型高效太阳电池，而 PERC 适用范围广， p 型、 n 型单晶硅以及多晶硅硅片均可作为衬底。 PERC 是目前较为成熟的能够用于量产制备效率超过 20的 p 型电池衬底基区为 p 型的技术，工艺复杂度和成本均低于 HIT 和 IBC 技术图 5。图 2 HIT 太阳电池结构图 3 可弯曲的薄型 HIT 太阳电池图 4 HBC 太阳电池结构综述2016.8 Vol.40 No.8 1724普通晶硅电池中铝背场完全覆盖了电池背面，起到较好的吸杂作用，并作为 p 背场一定程度上阻止了少数载流子向背面的迁移。然而电池背面硅与金属铝 Si/Al 接触界面的态密度比较高，而对光的反射率又比较低，因此全铝背场会带来背面复合速率较高以及电池对长波光子利用率低等问题。在硅片减薄情况下这些问题将更为突出，并且还会造成电池片翘曲度增大，很大程度上限制了电池的转换效率。 PERC 电池上表面仍采用 SiN 或 SiO2 绝缘层钝化电池的发射极，不同之处在于背面用局部接触来代替普通晶硅电池的全铝背场，并采用原子层沉积 ALDAl 2O3 和 PECVD 制备 SiN 双层介质膜进行背表面钝化 [17-18]。 ALD 制备的 Al 2O3 对 Si 表面钝化效果非常好，界面处产生极低的表面态密度，同时还能减少金属杂质和表面层错，从而大大降低背表面处的复合速率，使硅片具有较长的少子寿命。 SiN 、 Al 2O3 介质钝化膜位于背面金属层和硅基区之间，避免了两者直接接触，可有效防止电池片的翘曲，同时双层钝化膜的合理组合设计配合底面金属层能够起到很好的背反射作用，增加了电池对长波光子的吸收和利用。这些优势的集中使得大尺寸 p 型 PERC 太阳电池能够突破 20的光电转换效率 [18-19]。近期德国 SolarWorld 研制的一款 p 型 PERC电池效率达到 21.7，为目前最高纪录图 6。1.5 用于太阳能无人机的单晶硅太阳电池组件用于太阳能无人机的太阳电池组件与地面或空间用光伏组件有所不同。除需满足质量轻、与机翼表面形状贴合等要求外，串并联组合以及封装还应考虑飞行过程中的可靠性，如升空后高低温变化和湿度影响，飞行过程中机翼的振颤形变，着陆时的瞬间冲击等。通常选用透光、阻湿性好且具有一定柔性和机械强度的高分子膜作为组件封装材料。中国电子科技集团公司第十八研究所开发并掌握了无人机机翼蒙皮一体化单晶硅电池组合封装技术，研制出了半刚性高效太阳电池组件，并通过了力学、低压、湿热等多项可靠性测试图 7。2 综合分析飞行器用太阳电池的选择，除需参考其标准输出特性参数外，还应结合飞行环境考虑太阳电池自身性能特点，涉及内容甚至包括电池的器件结构、材料以及具体工艺对可靠性和稳定性的影响，并进行相应的验证和分析。表 1 总结了目前单晶硅电池研发和生产的进展情况。高效单晶硅电池的研制持续开展，电池效率稳步提升并迅速向规模化量产推进，这为其应用于太阳能飞行器创造了有利条件。HIT 电池除具有比功率高、温度系数低等优势外，还可根据实际需求进行划片，裁剪适宜的形状尺寸进行组合。存在问题是 HIT 电池片相对脆弱，抗冲击性较差。另外在超高空飞行器应用中， HIT 正面的 a-Si 成分以及丝网印刷电极，其可靠性和长期稳定性方面可能存在一定隐患。太阳光谱中短波长的紫外光主要在太阳电池上表面附近被吸收， HIT 电池 p/i 型a-Si 正位于此处。在紫外光很强的超高空光照条件下， a-Si 内部微结构可能会发生变化，产生一定数量中性悬挂键等亚稳态缺陷，使复合损失增加，导致性能衰退。而丝网印刷后烘干或烧结工艺制备的电极，其内部会残留一些玻璃层或孔洞，虽具有与金属相近的导电性能，但质地较脆，延展性和抗冲击性较差。这两个因素对 HIT 电池性能的影响尚不十分明确。IBC 太阳电池目前已有较多用于太阳能飞机的成功先例。位于背面的电极较为宽、厚，电极采用电镀工艺制备，其导电性、金属延展性和可靠性明显优于丝网印刷电极。 IBC 电池片机械强度较好，可靠性高，采用独特的共面互联技术制备的组件，某一部位电池出现裂片时仍能继续发电。而其缺点是不适宜进行划片剪裁，质量比功率比 HIT 电池略低。HBC 太阳电池目前尚未进入规模化量产阶段，但电池结构以及转换效率的优势显而易见。将 a-Si 层和电极全部转移到背面就在很大程度上消除了前述 HIT 电池可靠性方面存在的隐患，且在大面积的电池上实现突破记录的高效率，未来发展和应用空间广阔。图 5 PERC 太阳电池结构图 6 PERC 太阳电池与普通单晶硅电池结构对比图 7 太阳能无人机用高效单晶硅太阳电池组件表 1 实验室和量产化晶体硅太阳电池的光电转换效率情况单晶硅电池实验室效率单晶硅电池量产效率P 型 PERL 25UNSW 普通 P 型单晶硅 1819 P 型 PERC 21.7SolarWorld P型 PERC 2020.7 N 型 IBC 25SunPower N 型 IBC 2123 N 型 HIT 24.7Panasonic N 型 HIT 20.522 N 型 HBC 25.6Panasonic 综述2016.8 Vol.40 No.81725太阳电池发展之初主要应用于航天领域。 1963 年 Bell 实验室发现高能粒子辐射下 n 型电池性能衰减严重，稳定后效率明显低于类似结构的 p 型电池 [20]，各国研究机构也获得了同样结论。因此抗辐射性能更好的 p 型电池成为空间应用的首选，随后地面光伏也沿用了 p 型。由于地面应用无需考虑辐射影响，而 n 型单晶硅相较于 p 型具有少子寿命长、对杂质容忍度高以及地面光照条件下光致衰退不明显等优点，近几年 n型电池研制受到重视，效率已明显超过 p 型电池。太阳能飞行器如在较低空飞行，高效 n 型电池具有优势。而对于 20 km 以上的超高空平流层，紫外线、宇宙射线、高能粒子的辐射将会明显增强 [21]， n 型太阳电池在这一区域工作，长期可靠性可能存在隐患，因此需考虑一种抗辐射性能好的高效 p 型电池作为备选方案。 PERC 技术目前能实现量产转换效率 20的 p型电池，满足备选和补充条件。随着硅原料的提纯、掺杂以及硅单晶生长等技术不断进步， p 型硅片的质量和性能将会进一步得到改善，而 PERC 器件工艺今后如能与选择性发射极 Se-lective Emitter 以及硅片减薄化等技术相结合，未来将能够制造出效率更高、性能更适合超高空飞行器应用的 PERC 太阳电池。需要特别指出的是，为提高产能、降低成本，单晶硅电池制造商大都倾向于采用丝网印刷结合烘干烧结的电极制备工艺，而这类电池应用于飞行器将存在诸多不确定因素。解决该问题，除对电池可靠性进行严格的考量和验证外，还需通过与厂商合作，专门针对电极开发更为可靠的制备工艺，以满足实际应用的需求。3 展望太阳电池效率和比功率的提升是太阳能飞行器发展的重要需求之一。单晶硅电池实验室最高效率目前已比较接近理论极限，进一步提高的空间不是很大，未来主要是进行工艺优化和改进使批产电池的效率向实验室效率逐步逼近，而通过硅片减薄或硅外延等技术来提高质量比功率的方案仍具一定潜力。介于空、天之间的临近空间尚未深入探索，目前对该区域气候以及射线或粒子辐射等环境信息的掌握并不十分充分，太阳电池用于高空飞行器现阶段能够借鉴的经验不多。今后可在飞行器试飞过程中，获取相应高度的环境特征以及对电池性能的影响等信息，进而对太阳电池的设计、工艺进行有针对性的调整和改进，经过多次反馈迭代，最终研制出适用于超高空太阳能飞行器的高效太阳电池。参考文献 [1] 曲鹏，王寅 . 太阳能无人机电源系统的发展现状与展望 [J]. 电源技术， 2015， 394 864-870.[2] GLUNZ S W. New concepts for high-efficiency silicon solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006, 90 3276-3284.[3] COUSINS P J, SMITH D D, HSIN-CHIAO L, et al. Generation 3Improved performance at lower cost [C]//Photovoltaic SpecialistsConference PVSC, 35th IEEE. Hawai, USA IEEE, 2010 275-278.[4] GALBIATI G, MIHAILETCHI V D, ROSESCU R, et al. Large-areaback-contact back-junction solar cell with efficiency exceeding 21[J]. IEEE J Photovoltaics, 2013, 31 560-565.[5] FRANKLIN E, FONG K C, MCINTOSH K R, et al. Fabrication andcharacterization of a 24.4 efficient interdigitated back contact solarcell [C]//29th EU-PVSEC. Amsterdam, Netherlands EU-PVSEC,2014.[6] SMITH D D, COUSINS P J, MASAD A, et al. SunPower s Maxeongen III solar cellHigh efficiency and energy yield [C]// PhotovoltaicSpecialists Conference PVSC, 39th IEEE. Tampa, FL, USA IEEE,2013 0908-0913.[7] TAGUCHI M, TANAKA M, MATSUYAMA T, et al. Improvementof the conversion efficiency of polycrystalline silicon thin film solarcell [C]// Technical Digest of the International PVSEC-5. Kyoto,Japan PVSEC, 1990 689-692.[8] TAGUCHI M, TSUNOMURA Y, INOUE H, et al. High-efficiencyHIT solar cell on thin 100 滋 m silicon wafer [C]// 24th EU-PVSEC. Hamburg, GermanyEU-PVSEC, 2009, 1690-1693.[9] TAGUCHI M, YANO A, TOHODA S, et al. 24.7 record efficien-cy HIT solar cell on thin silicon wafer [J]. IEEE J Photovoltaics,2014, 41 96-99.[10] LU M, BOWDEN S, DAS U, et al. Interdigitated back contact sili-con heterojunction solar cell and the effect of front surface passiva-tion [J]. Appl Phys Lett, 2007, 91 063507.[11] MASUKO K, SHIGEMATSU M, HASHIGUCHI T, et al. Achieve-ment of more than 25 conversion efficiency with crystalline sili-con heterojunction solar cell [J]. IEEE J Photovoltaics, 2014, 461433-1435.[12] WANG A H, ZHAO J H, GREEN M A. 24 efficient silicon solarcells [J]. Appl Phys Lett, 1990, 576 602.[13] ZHAO J H, GREEN M A. Optimized antireflection coatings forhigh efficiency silicon solar cells [J]. IEEE Trans Electron Devices,1991, 38 790.[14] ZHAO J H, WANG A H, GREEN M A. 24.5 efficiency siliconPERT cells on MCZ substrates and 24.7 efficiency PERL cellson FZ substrates [J]. Prog Photovolt Res Appl, 1999, 7 471.[15] NAKAMURA J, ASANO N, HIEDA T, et al. Development of het-erojunction back contact Si solar cells [J]. IEEE J Photovoltaics,2014, 46 1491-1495.[16] GREEN M A, BLAKERS A W, ZHAO J H, et al. Characterizationof 23-percent efficient silicon solar cells [J]. IEEE Trans ElectronDevices, 1990, 372 331-336.[17] VICHAI M. Development of high efficiency monocrystalline Sisolar cells through improved optical and electrical confinement[D]. USA Georgia Institute of Technology, 2008.[18] DULLWEBER T, SIEBERT M, VEITH B, et al. High-efficiencyindustrial-type PERC solar cells applying ICP AlO x as rear passiva-tion layer [C]//27th EU-PVSEC. Frankfurt, Germany EU-PVSEC,2012 672-675.[19] THORSTEN D, SEBASTIAN G, HELGE H, et al. Towards 20efficient large-area screen-printed rear-passivated silicon solar cells[C]// 26th EU-PVSEC. Hamburg, Germany EU-PVSEC, 2011, 206 630-638.[20] SMITH K D, GUMMEL H K, BODE J D, et al. The solar cells andtheir mounting [J]. Bell Syst Techn J, 19633 1765.[21] 崔尔杰 . 近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题 [J]. 力学进展， 2009， 396 658-673.