硅基光伏电池技术发展方向分析

1. 2010中国经济和信息化论坛，北京 硅基光伏电池技术发展方向分析 贾锐( “百人计划” 研究员，副主任) Rui Jia(Dr. Prof, deputy director ) Research Center of Solar Cell, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所光伏实验室 2010.11.30

2. 提 纲 • 前言 • 硅基高效电池的主要发展方向 • 结论

3. 未来可再生能源发展趋势 未来主要能源供应：光伏能源 (数据来源 EU JRC PV Roadmap 2004)

4. 我国已成为世界第一大光伏电池生产大国 1. 美国First Solar：1100MW 2. 中国无锡尚德：704MW------>2010年产能达1.8GW 3. 日本夏普：595MW 4. 德国Q-Cells：586MW 5. 中国英利绿色能源：525.3MW ----->2010年产能达1.3GW 6. 中国晶澳太阳能：520MW ----->2010年产能达1GW 7. 日本京瓷(Kyocera)400MW 8. 中国天合光能：399MW ----->2010年产能达0.7GW 9. 美国SunPower：397MW 10. 中国台湾昱晶368MW。 • 2009年，95%以上的产品出口国外，国内利用率不到5% • 2010年，中国各大厂商纷纷扩大产能，总产能达以12GW

5. 太阳电池分类（依照产业规模） • ① 晶硅电池： • 多晶硅，单晶硅等； • ② 薄膜电池： • a-Si，a-Si/ c-Si，CIGS，CdTe，GaAs，poly-Si等； • ③ 新型电池及新概念电池： • 染料敏化电池－光电化学电池（Grātzel电池）， • 有机电池， • 多结(带隙递变)电池， • 中间带（杂质带）电池，量子点、量子阱电池， • 上转换器（低能光子合并成高能光子）电池， • 下转换器（高能光子分解成低能光子）， • 热载流子电池等。

6. 晶体硅(多晶和单晶)占据主流市场地位，未来10-15年仍然以晶体硅为主晶体硅(多晶和单晶)占据主流市场地位，未来10-15年仍然以晶体硅为主 • 光的充分吸收和利用 • 表面钝化 • N型晶体硅电池 (MWT/EWT、HIT、背接触、OECO、LFC)

7. 提 纲 • 前言 • 硅基高效电池的主要发展方向 • 结论

8. 光的充分吸收和利用

9. 超小绒面：米氏散射理论的计算 平均介电常数 散射与入射光对之比 光的有效路径长度 路径增强因子

10. 反射率(%) 反射膜 渐变表面 波长(微米) 折射率渐变表面的反射率和减反膜的对比 折射率渐变表面有着极低的反射率，与减反膜形成鲜明的对比

11. 传统减反和超小绒面结构减反表面对比 Nano Lett. 2009, Vol.9, No.4, p1549-1554, Silicon Nanowire-Based Solar Cells on Glass: Synthesis, Optical Properties, and Cell Parameters

12. 最高反射率3.7% (中国计量院测试结果)红外波段有着很好的响应(quasi-black silicon)。 • 低成本 • 大面积 • 方法简单位 • 可产业化 常规单晶硅电池 我们的结果

13. 表面钝化

14. p/i a-Si n type c-Si (textured) i/n a-Si 表面钝化对电池的影响 新南威尔士大学, PERL电池  ＝5%（25％） 日本Sanyo HIT电池, 23% (100cm2)

15. SiO2/SiNx叠层表面钝化：干氧&平板式PECVD实现 SiO2/SiNx叠层钝化效果非常明显 高温处理及长时间放置，可靠性及稳定性非常好 Yevgeniya Larionova, Verena Mertens,Appl. Phys. Lett. 96, 032105 (2010), Surface passivation of n-type Czochralski silicon substrates by thermal-SiO2/plasma-enhanced chemical vapor deposition SiN stacks

16. a-Si/SiNx叠层表面钝化 p型衬底少子寿命变化 少子寿命与非晶硅薄膜的关系 N型衬底少子寿命变化 Koichi Koyama et al, Appl. Phys. Lett., 97, 082108 (2010), Extremely low surface recombination velocities on crystalline silicon wafers realized by catalytic chemical vapor deposited SiNx /a-Si stacked passivation layers

17. Al2O3钝化后，不同制备方式表面速率的影响 Al2O3和SiO2钝化后，在紫外光照下的少子寿命变化 Florian Werner, Boris Veith, et al, Appl. Phys. Lett., 97, 1621114(2010)

18. N型电池的Al2O3/SiNx叠层表面钝化 PECVD沉积Al2O3，28nm厚，所获得的表面复合速率达到10cm/S Jan Schmidt, et al “PROGRESS IN THE SURFACE PASSIVATION OF SILICON SOLAR CELLS”, 2DP.2.4, pp.974-981, 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia, Spain

19. 效率达到23.2%，Voc达到0.7036V。 300-600nm很高的内量子效率表面很好的表面钝化效果 Jan Benick, et al, Appl. Phys. Lett., 92, 253504 (2010), High efficiency n-type Si solar cells on Al2O3-passivated boron emitters

20. 中国科学院微电子研究所的有关钝化研究 • 利用微电子成熟工艺，采取六钟叠层钝化方式，最好的一种少子寿命提高了5倍 • 钝化方式，兼顾了规模化生产的可实现性、钝化的有效性 • 同时在降低反射率上有着优异的表现。

21. N型晶体硅电池

22. N型硅衬底的优点 • N型硅（n-Si）相对于P型硅来说，由于对金属杂质和许多非金属缺陷不敏感，或者说具有很好的忍耐性能，故其少数载流子具有较长而且稳定的扩散长度。 • 目前只有Sunpower和sanyo两家企业N型Si衬底生产高效太阳能电池做得较好。

23. 如何在N型硅衬底上实现PN结 • 硼扩散制结、非晶硅/晶硅异质结以及Al扩散制结三种基本方法。 • 硼扩散制结需要高温，高温是太阳能电池制备工艺最忌讳的！ • HIT电池只有Sanyo做得较好，没有推广。 • Al推进制结目前受到普遍关注，因其价格低廉而又容易实现。

24. Al推进形成PN结 R.Bock, IEEE TED, vol.57, No.8, 2010，The ALU+ Concept: N-Type Silicon Solar Cells With Surface-Passivated Screen-Printed Aluminum-Alloyed Rear Emitter

25. 退火处理及方式对开路电压等有着重要影响

26. Al推进形成背发射极PN结 实验室类型 大面积类型 Christian Schmiga et al, 24th EPSEC 21-25 Sep.2009, Hamburg, Germany, Large-area N-type Silicon solar cells with printed contacts and Aluminium-alloyed rear emitter

27. 表面钝化效果非常好

28. 中国科学院微电子研究所的Al推进背接触电池 • Al浆选择 • 电池结构设计 • 处理工艺 • 钝化 • 表面织构化 面积：4cm×4cm，n型CZ-Si，光刻+丝网印刷，前期已获得良好结果

29. 提 纲 • 前言 • 硅基高效电池的主要发展方向 • 结论

30. 结论 光的充分吸收和利用、表面钝化、N型晶体硅电池是目前对产业界或者即将产业化光伏非常关键的技术，是产业界和科研究共同关心的话题。这些技术的不断进步将会使晶体硅效率技术不断地提高。

31. 谢谢！