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北極星太陽能光伏網訊: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，晶體硅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［1-2］。其中，單晶硅的晶體結構完美，禁帶寬度僅為1．12eV，自然界中的原材料豐富，特別是N型單晶硅具有雜質少、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［1-2］。
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%的單晶硅太陽電池［3］。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，澳大利亞新南威爾士大學宣佈單晶硅太陽電池轉化效率達到了24．7%［4］，2009年太陽光譜修正後達到25%［5］，成為單晶硅太陽電池研究中的里程碑。新南威爾士大學取得的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公司相繼報道了25．6%［6］和25．2%［7］的效率。此後，日本Kaneka公司［9，14-15］、德國Fraunhofer研究中心［10-11］、德國哈梅林太陽能研究所［12-13］等陸續報道了效率超過25%的單晶硅太陽電池，具體參數如表1所示。
1單晶硅太陽電池的理論效率
對於同質結單晶硅太陽電池，2004年，Shockley和Queisser理論上計算的單晶硅太陽電池極限效率達33%，也稱之為Shockley-Queisser(SQ)效率［16］，但是該效率僅僅考慮了輻射覆合，忽略了非輻射覆合與本徵吸收損失(例如俄歇複合與寄生吸收等)［17］。2013年，Richter等提出一種新穎且精確的計算單晶硅太陽電池的極限效率的方法，考慮了新標準的太陽光譜、硅片光學性能、自由載流子吸收參數以及載流子複合與帶隙變窄的影響，當硅片厚度為110μm時，單晶硅太陽電池理論效率為29．43%［17］。硅異質結(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，以及硅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%［18］。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［19］。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%［20］。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［18-20］。
對於新型的無摻雜硅異質結電池，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%［21］。表2總結了理想情況下單晶硅太陽電池的理論極限效率。
2高效單晶硅太陽電池結構及特點分析
MartinGreen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［1，22］:(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硅片質量、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［1］。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硅太陽電池，目前轉換效率超過25%的單晶硅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
新南威爾士大學(UNSW)MartinGreen領導的小組提出PERC結構的單晶硅太陽電池，在P型FZ硅片上實現了22．8%的高轉換效率［23］，其基本結構如圖2a所示。1999年，UNSW的該團隊再次宣佈其PEＲL太陽電池(如圖2b所示)轉化效率達到24．7%［4-5］。與傳統的單晶硅太陽電池相比，PEＲL太陽電池的主要特點和優勢包括:(1)氧化硅作為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，他們將整個硅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硅片上取得24．5%的高效率［25］。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。
FraunhoferISE採用一種無光刻、加工速度快、適用各種不同硅襯底的技術，獲得的PEＲC電池效率超過21%，具有很好的產業化前景［27］。2017年，隆基樂葉和晶科兩家公司分別報道了效率達到23．26%［28］和23．45%［29］的單晶硅PERC電池。2018年，他們又先後報道了效率為23．6%和23．95%的電池［30］，成為光伏行業的里程碑。在PEＲC電池的製備工藝中，背部電極的設計和金屬電極與硅基底之間形成良好的歐姆接觸是兩個關鍵的步驟［1-2］。目前實現金屬電極與硅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。
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