10001505_薄硅太阳能电池的性能研究-solarbe文库

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薄硅太阳能电池的电性能研究何仁 1* 黄志平 1 韦德远 1 延小鹏 1 许颖 1 1 河北大学物理科学与技术学院光伏技术协同创新中心摘要本文研究了 P 型单晶硅（p-c-Si）在不同厚度状况下光吸收和扩散后的电学性能。以 PC1D 软件对不同厚度硅片进行模拟，分析不同衬底厚度对电池性能的影响。利用酸湿法腐蚀将 190 μm 原始单晶硅片进行减薄，测试不同厚度硅片的透射反射谱。经辊式陶瓷扩散炉扩散后，通过 KOH 溶液去除富磷层。采用 Implied-Voc 对不同厚度扩散片进行少子寿命与开路电压测试，分析表明薄硅片具有更高的开路电压。关键词晶体硅；PC1D；少子寿命；Implied-V oc 研究背景晶体硅太阳能电池由于其性能稳定、原料储量丰富，至今仍在市场上占据主导地位[1]，为了实现 “十三五规划 ”平价上网的目标，进一步降低电池制造成本与提升性能依然是一重要课题。近年来，随着电池制造技术与手段的提升，晶体硅太阳能电池的衬底厚度可以降低到了几百微米甚至几微米[2]。因此，薄硅电池凭借其轻型化、低成本、以及产品应用范围广等特点，成为新的研究热点，电池厚度减薄至大约 100 μm 具有柔性，能应用于汽车，窗户玻璃，军用帐篷，便携式移动电源等方面。Wolf 曾预言晶硅电池最优的厚度应该为 50-150 μm，最高效率可达到为 25 [3]，理论计算电池最优的厚度应该为 50-150 μm。当前 50μm 厚的晶硅电池效率已经达到 19.1 [4, 5]，与晶硅电池和 IBC 电池的最高效率 24.7 和 26.6 还有一定的差距[6, 7]，但其拥有成本优势，柔性特点在使用中也相对灵活，所以薄硅电池仍值得去研究 [5, 8]。实验核心内容晶硅材料对光谱的吸收截止波长约 1100 nm，当波长小于 800 nm 时，光波在极短的时间内被快速吸收，且吸收深度小于 10.0 μm。当波长在 800-1000 nm 范围内，吸收深度为 10-100 μm，吸收程度适中[9]。针对波长 1000 nm 以上的长波，基本透过电池难以被吸收，通常采用背面反射结构[10]来帮助吸收。传统的晶硅太阳电池正面采用陷光的金字塔或倒金字塔结构[11]，最高可使电池片体内的光程增加到 4 n2[12]（ Lambert 极限，其中 n 为折射率，对于晶硅材料而言，4 n2 ≈ 50，进而使其吸光效果显著增强。薄硅电池尽管在理论上降低了长波响应，但通过改变背面结构，长波响应可以得到改善。因而，对薄硅电池的研究以及逐步推向产业化具有一定的价值。实验过程选用 CZ 生长、电阻率为 1-3 Ω cm，厚度为 190 μm，晶向（100）和面积为 44cm2 的 P 型金刚线切割的硅片。首先将硅片置于硝酸和氢氟酸的混合溶液中减薄至厚度为 60-180 μm，整个过程反应液水浴温度维持在 10 °C；随后将硅片用 10 的 HF 溶液漂洗至表面疏水，再进行小股 DI 水清洗以及氮气吹干。将预先所配置浓度为 3的磷酸溶液，通过超声雾化装置涂敷至硅片表面，时间为 3 min。雾化涂敷后在 100 ℃条件下烘干，之后立即放入辊式扩散炉进行扩散，条件为 850 °C、20 min。扩散后采用 10 的 HF 去除表面磷硅玻璃（PSG），并测量其导电类型，最后将硅片置于 7.3 wt KOH 溶液中调整腐蚀时间，直至方块电阻上升至 100 Ω/左右。结果与讨论图 1 为柔性太阳能电池与减薄硅片图。图 2 为 PC1D 软件模拟下的不同衬底厚度电池的性能参数，模拟条件为P 型单晶衬底，电阻率 2 Ωcm，面积 236.8 cm2，发射极为 N 型掺杂浓度为 21020 cm-3，结深 0.35 μm，方阻 100 Ω/。随着厚度的降低，开路电压（V oc）先升高后略微下降，且在 100 μm 达到最大值，但电池的转换效率（PCE）、短路电流（I sc）却一直下降，这是由于当硅片厚度减小过程中，去除了表面损伤层的同时，少数载流子更容易在表面进行复合，更薄的池其表面复合相对于体内复合而言具有更为显著的影响，有效少子寿命公式[13]如下（1）1efbs 其中，，分别是是硅片的有效少数载流子寿命，体复合寿命，表面复合寿命。又efbs 1/ 正比于 2S/W，其中 S 为晶硅电池表面少数载流子的复合速率，W 为硅片的厚度。s 图 1 柔性太阳能电池与减薄硅片图 4080120160632.5.063.54.063.5 Voc m Thicknes m 4080120160767.8.08.2.4 IscAThicknes m 408012016079.6.80.8.20.48.6 F Thicknes m 408012016020.521.021.52.0 Ef Thicknes m a bdc 图 2 PC1D 模拟薄硅太阳能电池的性能参数 a Voc，b I sc，c FF，d PCE 图 3 为不同厚度的 p-c-Si 的光学性能。其中（a）为反射光谱，（b）为透射光谱以及（c）为吸收光谱。由图 3（a）可知，光波长在 300-400 nm 时，不同厚度的硅片都有较大的反射率偏差；在 600-800 nm 时各厚度梯度的反射率差异较小；当波长大于 900 nm 时随着衬底厚度降低，反射率逐渐增大，这是由于硅片去重的增加表面更趋于平整，反射率增大。如图所示，透射率在 800-1000 nm 光波范围逐渐增大，厚度越薄，透射率越严重，这与前文所描述的吸收深度理论相符合。图 3（c）为吸收光谱曲线，在波长为 360 nm 左右有一个波动，证明了晶体硅对紫外光和可见光吸收有界线。在波长大于 800 nm 情况下，p-c-Si 的吸收率逐渐减小，在光波长在 1100 nm 达到最小值。实验结果表明硅片在短波和中长波均具有较高的吸收率，长波吸收较弱，薄硅片在光波长 800 nm 以后才出现明显的吸收劣势，因此综合图 3（a）和 3（b），利用反射结构增加长波的吸收是改善电池光学吸收的重要手段。 40608010253054050 Reflction Wavelngth m 60 m8 1 20 4 m16 80 4060801010230450 Transmitance Wavelngth m 60m8 1 20 4m16 80  4060801020406080 Absorptin Wavelngth m 60m8 1 20 4 m16 80  a bc 图 3 未扩散前的（a）反射谱，b 透射谱，（c）吸收谱图 4 为经辊式陶瓷扩散炉扩散后电池片的电学性能。如图 4（a）所示少子寿命随硅片变厚而逐渐增大，但普遍较低。推测原因是原始扩散片，表面复合较大导致少数载流子寿命短，针对这一现象采取了双面钝化，少子寿命得到了大幅度的提升，如图 4（b）所示，但厚度较薄的硅片少子寿命相对较低。如图 4（d）所示，钝化后的 Implied-Voc 也得到明显的提升，薄硅片具有更高的理想开路电压。这是由于不同厚度的硅片扩散后，具有相近的结区复合，非结区的体复合会随着厚度的增加而增大，表现为饱和电流密度 J0随之减小，因此薄硅片具有更高的开路电压。如公式（2）所示（2）0lnscOCkTVq 其中 Voc为开路电压，n 为二极管理想因子，k 为玻尔兹曼常数，T 为温度，q 为电子电量， Jsc短路电流密度， J0暗态饱和电流密度。 a b60810214061804812620 ThicknesmLifetm  s 60810214061804485256with pasivtonThicknes m Lifetm sc d 60810214061805780590560 ThicknesmImpliedVocm 608102140618026304650with pasivtonThicknes m Implied-Voc m 图 4 扩散后电池片的少子寿命（a）未钝化，（b）钝化后扩散后电池片的 Implied-Voc（ c）未钝化，（d）钝化后结论本文将原始 190 μm 单晶 P 型片进行减薄，其不同厚度表现为不同的光吸收率，厚度越薄，长波响应越差。扩散后的硅片少子寿命随厚度的增加呈现增大的趋势，但变化范围较小。经双面钝化后，表面复合降低，少子寿命明显提升，有效少子寿命主要由体寿命决定。厚度的增加体饱和电流也随之增大，因而薄硅片 Implied-Voc 更大。相信经背表面反射结构的设计后，长波响应可明显增加，电池性能将进一步提高，结合其本身柔性、轻巧等特点，薄硅电池在市场上有更为广泛的应用价值。参考文献 [1] Andrew Blakers, Ngwe Zin, Keith R,et al. 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[13] Henner Kampwerth. Measurement of Carrier Lifetime Surface Recombination Velocity and Emitter Recombination Parameters. Photovoltaic Solar Energy From Fundamentals to Applications. Published 2017 by John Wiley Sons, Ltd 作者简介何仁，男，河北大学硕士研究生，研究方向为薄硅太阳能电池的研究。E- mail18801124046163.com