用于工业量产的晶体硅太阳能电池技术的进展外文翻译资料

 2022-08-07 10:44:56

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用于工业量产的晶体硅太阳能电池技术的进展

市场上所有类型的太阳能电池中使用晶体硅光伏（PV）电池数量最多，约占2008年全球光伏电池总产量的90%。晶体硅太阳能电池也有望在未来的光伏市场中发挥主要作用。本文回顾了当前用于晶体硅光伏电池生产和应用的技术。迄今为止，研究晶体硅光伏电池的最高能量转换效率为25％。但是，标准工业电池仍限于15-18％，但某些高效电池的效率可超过20％。高效研究型PV电池在性能上具有优势，但由于其复杂的结构和制造所需的冗长的制造工艺，通常不适合低成本生产。针对相应的材料技术，例如硅锭和晶圆生产，对单晶和多晶PV电池的各种技术进行了比较和讨论。只有通过开发先进的生产技术和设备才能同时实现高能量转换效率和低处理成本，并且对一些可能导致效率超过25％且具有商业可行性的生产成本的最新技术进行了审查。

2008年，世界光伏（PV）电池的年产量达到7.9GWp以上（Wp，标准测试条件下的峰值功率），并且光伏电池的年均增长率相比过去十年已超过40％。然而，据估计，全世界所有光伏系统产生的电力不到世界总发电量的0.1％。然而，预计光伏电池产量的强劲增长将持续多年。晶体硅光伏电池具有60多年的发展历史，拥有最长的生产历史，现在占产量的最大份额，占2008年生产的所有太阳能电池的90％。硅对环境安全，是地球上最丰富的资源之一，占地壳材料的26％。硅作为资源的丰富性和安全性使硅太阳能电池在PV工业中的所有各种太阳能电池中都具有突出的地位。预计到2020年左右，全球光伏电池年产量将达到100GWp,而从适合大规模生产的角度来看，硅光伏电池是满足这一需求的最可行的选择。晶体硅PV电池是许多基于硅的半导体器件之一。PV电池本质上是具有半导体结构的二极管，并且在太阳能电池生产的早期，基于硅半导体器件提出了许多用于结晶硅电池的技术。为其他基于硅的半导体器件（例如大规模集成电路和许多不同种类的硅半导体应用）开发的技术和设备与为PV电池开发的技术和设备的协同作用，在这两个领域都取得了进步。诸如光刻之类的工艺技术有助于提高太阳能电池中的能量转换效率，为光伏产业开发的诸如硅片的线锯切片之类的大规模生产技术也很容易应用于其他基于硅的半导体器件。但是PV电池的每单位面积的价值远低于其他硅基半导体器件的价值。因此需要诸如银糊丝网印刷和用于接触形成的焙烧的生产技术以降低成本并增加晶体硅太阳能电池的生产量。为了与现有的主电网电价（称为“电网平价”）保持一致，降低材料和工艺成本与提高太阳能电池效率同等重要。以低的工艺成本实现高效的太阳能电池目前是太阳能电池制造商最重要的技术问题。降低生产昂贵的高纯度晶体硅衬底的成本是降低硅太阳能电池模块成本的一方面。这篇综述从工业应用的角度介绍了晶体硅太阳能电池的历史和最近的技术进步。

标准晶体硅PV电池和模块的功能

晶体硅PV电池是市场上最受欢迎的太阳能电池，并且在所有商用太阳能电池和模块中也提供最高的能量转换效率。典型的商用晶体硅PV电池的结构如图1所示。标准电池是使用两种不同的硼掺杂p型硅衬底之一生产的；单晶和多晶。每种类型的电池通常分别为125毫米（5英寸）或156毫米（6英寸）平方。单晶太阳能电池是由伪方形硅晶片基板制成的，该基板是通过Czochralski（CZ）工艺生长的柱状晶锭切割而成的（参见图2）。另一方面，多晶电池是由正方形的硅基板制成的，该基板是从石英坩埚中生长的多晶锭切割而成的。电池的前表面覆盖有微米级的金字塔结构（纹理表面），以减少入射光的反射损耗。氮化硅（SiNx）或氧化钛（TiOx）的抗反射涂层（ARC）覆盖在纹理化的硅表面上，以进一步减少反射损耗。晶体硅太阳能电池在掺硼的p型（电子接受）衬底的前表面上具有高度掺杂磷的n （电子产生）区域，以形成pn结。在硅衬底的背面上形成背面p 场（BSF）区域，以抑制少数载流子（光生电子）的复合。BSF区域通常由带式炉中的丝网丝网印刷铝浆形成。在硅块和扩散层中产生的载流子（电子）被形成在硅前后表面上的银触点（电极）收集。前触点由通过母线连接以形成梳状结构的网格线组成。背面触点通常是一系列银条，通过焊接的铜互连线连接到相邻电池的前母线。接触通常是由丝网印刷的银浆的形成与形成BSF区域的同时形成的。前触点类似地通过使用丝网印刷在ARC层顶部的银浆形成。前电极与硅衬底的n 区域之间的接触通过烧结实现，以使银穿透ARC层。烧结制备的丝网印刷前银触点可以穿透ARC，是大批量制造现代标准晶体硅电池的最重要技术之一。其他技术，例如使用硼掺杂的BSF和镍铜镀层触点，少数电池制造商也采用了其他技术。具有标准电池结构的典型商用晶体硅太阳能电池的效率在单晶衬底上为16–18％，在多晶衬底上为15–17％。大多数标准晶体电池使用的基板厚度为160–240mu;m。通过使用乙烯乙酸乙烯酯作为密封剂，通过焊接和层压至前玻璃面板将太阳能电池组装成模块。标准太阳能电池模块的能量转换效率大约比单个电池效率低2％，在12-15％的范围内。

从原材料到组件的晶体硅太阳能电池生产顺序如图2所示。晶体硅太阳能电池和组件的价值链比薄膜太阳能电池的价值链更长。通常与晶体硅太阳能电池和组件生产相关的三个行业：用于原料硅生产的冶金和化工厂，通过多线锯制造单晶和多晶锭和晶片的生产以及太阳能电池和组件的生产。光伏生产的成本大致分为太阳能电池组件生产和系统平衡制造（包括逆变器，电缆和安装）的一半。太阳能电池模块的制造成本包括硅基板的成本（50％），电池加工的成本（20％）和模块加工的成本（30％）。因此，成本份额受多晶硅原料的市场价格的强烈影响，降低硅基板的成本仍然是PV行业最重要的问题之一。

光伏发电的工业目标是将发电成本降低到与商业电网发电相当的水平。太阳能电池的能量转换效率是另一个重要问题，因为该效率会影响从材料生产到系统安装的光伏系统的整个价值链成本。太阳能电池的效率受到三种损耗机制的限制：三种是表面反射引起的光子损耗，硅整体传输和背接触吸收；另一种是光损耗。少数载流子（p区域的电子和n区域的空穴）由于硅本体和表面的复合而损失；以及由于网格线和汇流排，触点与硅之间的界面处以及硅本体和扩散区域中的串联电阻而导致的热焦耳损耗。在太阳能电池和工艺的设计中，在不降低太阳能电池生产率的情况下将这些损失最小化。
太阳能电池的电气性能取决于短路电流（Isc），开路电压（Voc），最大功率点（Imp）的电流，最大功率点（Vmp）的电压，最大功率（Pmax），填充系数（FF）和能量转换效率（eta;）。在研究和开发中，还使用了短路电流密度（Jsc）。空气质量1.5（AM1.5）频谱条件（1,000 W*m–2）是地面太阳能电池的标准测试条件。AM1.5条件定义为地球大气光谱吸收率的1.5倍；相反，空间的光谱吸收率为零（空气质量为零，AM0）。AM1.5条件下的太阳能用作计算太阳能电池效率的输入能量。使用以下公式计算太阳能电池的填充系数和效率。

FF= (Pmax［W］=Imp［A］*Vmp［V］)

eta;=

效率提升

历史发展

贝尔实验室于1953年制造了第一批晶体硅太阳能电池，效率达到4.5％，随后在1954年制造了效率为6％的器件[2,3]。自首次演示以来的十年中，晶体硅电池的效率提高到15％左右，并且足以用作航天器，特殊地面应用（如灯塔）和消费品的电源例如电子计算器。过去30年中，各种太阳能电池在研究电池效率方面的改进如图3所示。尽管晶体硅太阳能电池技术的效率还不如基于单结GaAs和多晶硅电池的电池效率高。联结选矿厂，它们目前在效率和成本之间提供了很好的折衷方案。
当前工业晶体太阳能电池中使用的基本电池结构，包括诸如轻掺杂的n 层（0.2-0.3mu;m）以获得更好的蓝光波长响应，由ap/p 低/高结形成的BSF背面等特征在1970年代，针对电池的侧面，随机金字塔结构的光陷获表面以及针对粘附它的胶的折射率进行了优化的ARC，用于太空和陆地用途。在“1阳光”AM0测试条件下，用于太空的单晶电池的效率在14–16％的范围内，相当于在AM1.5下的15–17％。这些用于晶体硅电池的标准结构仍用于标准工业晶体电池中，其效率在14-17％的范围内。
实现20％以上的效率所需的关键技术是在1980年代和90年代开发的，而最新的高效结晶硅电池具有这些功能中的大多数（表1）。

单晶太阳能电池

高效单晶硅PV电池的典型示例是钝化发射极后局部（PERL）电池，具有本征薄层的异质结（HIT）电池以及背接触，背结（BC-BJ）电池（图4（ a，b，c））。这些PV电池具有许多可在此类PV电池中提供高效率的技术。 PERL电池是一种研究型PV电池，具有正面和背面钝化层，倒金字塔形的光捕获表面，背面局部p 层（BSF），双层ARC和p型浮动区（FZ）单晶硅衬底。 PERL电池的少数载流子寿命超过1 ms，对于这种类型的电池，最佳输出参数（Voc，Jsc，FF和eta;）达到706 mV，42.7 mA*cm–2、0.828和25.0％一个4平方厘米的实验室电池[4]。电池接近吸收太阳光子和收集在电池发射极和基极中产生的载流子的当前技术的极限。大约十年前，PERL细胞的效率为24.7％，2009年新南威尔士大学（UNSW）研究人员报告的记录为25.0％，是使用较新的测量技术对同一细胞进行重新测量后获得的。在过去十年中，PERL电池一直是最高效的单晶硅PV电池类型[5]，并且已成为所有高效结晶硅PV电池中最受欢迎的实验室结构。然而，由于类似于具有复杂结构的半导体器件，由于需要多个光刻步骤，因此完整的PERL设计不容易应用于低成本工业生产。用于太空应用的昂贵硅PV电池具有与PERL电池相似的结构[6]。由SunTech Power开发的用于工业用途的PLUTO电池具有更简单的钝化发射极太阳能电池（PESC）设计，该设计也在1985年由UNSW研发[7]，在4cm-cm的环境中提供高达19.2％的效率。PESC具有正面钝化，选择性发射极以及带细网格线的电镀正面触点。
对于大型工业应用开发的HIT电池，据报道其最佳输出参数为729 mV，39.5 mA/cm20.800和23.0％（Voc，Jsc，FF和eta;）[9]该电池具有独特的异质结结构，该异质结结构由CZ n型单晶硅衬底的前表面和后表面上的非常薄的非晶质p型和n型掺杂层以及本征非晶质层组成。该异质结结构通过前非晶硅层的大能带隙和非晶层与晶体衬底之间的界面的优良品质的影响而大大改善了Voc。这种电池的另一个优势是，在Pmax时，其低温系数约为0.30％K-1，而标准工业晶体硅PV电池的低温系数约为0.45％K-1。该电池具有透明导电氧化物（TCO）ARC，其降低了前非晶层的薄层电阻率。与其他高效PV电池相比，Jsc明显更低，这似乎是由于与其他ARC和/或TCO层相比，TCO层的透明度较低，从而抑制了前非晶硅层和体硅的光电流收集或非晶层较低的内部量子效率。结果是较弱的蓝色响应和较低的Jsc。

BC-BJ电池在背面具有交错的n和p掺杂区域以及n和p触点。最初的BC-BJ电池，称为前表面场（FSF）电池或叉指背接触（IBC）电池，是在1970年代后期制造并研究用于太空应用的[10,11]。斯坦福大学在1980年代开发的BC-BJ结构的点接触（PC）电池从一开始就具有超过20％的效率[12]。BC-BJ电池是SunPower在1990年代首次为无人飞机和太阳能赛车制造的。然后，该电池在2000年代扩展到光伏发电系统的大规模生产。迄今为止，报道的大面积工业BC-BJ电池的最佳转换效率为23.4％[13]。BC-BJ电池具有前表面钝化层和后表面钝化层，随机金字塔形的光捕获表面，FSF，背面上的叉指n和p掺杂区域，n和p掺杂的n和p接触网格线在这些区域中，具有少数载流子寿命超过1 ms的单层ARC和CZ n型单晶硅衬底。目前，在市场上所有的晶体硅PV电池模块中，只有那些基于BC-BJ电池的模块才有可能提供超过20％的模块效率。几个实验室和制造商正在研究改善BC-BJ细胞设计和加工的方法[14,15]。与传统的正面接触式电池结构相比，BC-BJ电池具有几个优点：没有网格线（子电极）或母线（主电极）阴影；由于没有正面电极，钝化性能良好的正面；背面触点（电极）的设计，外观改善，没有正面电极。它们还提供了模块组装方面的优势，允许同时在柔性印刷电路上同时互连所有单元（参见图4（d））。通过这种表面贴装技术形成的互连的低串联电阻可导致0.800的高FF，而标准硅PV电池模块的阻值约为0.75 [16,17]。

工业电池

单晶太阳能电池

由掺硼的CZ锭切成的p型单晶衬底已用于标准工业PV电池多年。在陆地光伏电池生产的早期，使用了直径为2-5英寸的小CZ锭，其小尺寸和高成本阻碍了单晶电池成本的降低。在过去的20年中，许多研究和开发致力于降低CZ铸锭和晶片加工的生产成本。分别从6英寸和8英寸直径的锭切成的边长分别为125和156 mm的CZ晶片，现在已广泛用于单晶硅PV电池制造。使用与用于多晶电池生产的晶片相同尺寸的晶片来制造单晶电池和模块，就每输出功率的制造成本而言，已经提高了单晶电池相对于多晶电池的竞争力。单晶电池占2008年制造的所有太阳能电池的38％[1]。

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