1、摘要：阐述了异质结(HIT)太阳能电池的结构与特征，并从异质结能带结构的优化、非晶硅层的制备方法、背面场(BSF)的研究、衬底材料的选取以及发射极材料的革新等方面综述了HIT 太阳能电池的技术发展状况。概述了 HIT 电池的产业化应用研究现状，并展望了 HIT太阳能电池的未来发展趋势。关键词：HIT；太阳能电池；异质结结构0 引言能源危机和环境污染问题促进了清洁能源的广泛研究与应用开发。太阳能光伏发电是种利用光伏效应将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术，凶具有资源充足、清洁、安全、寿命长等优点，被认为是最有前途的可再生能源技术之一，已成为可再生能源技术中发展最快、最具活力的研究领域。日前
2、国际光伏市场上的太阳能电池主要有晶体硅(包括单晶硅、多晶硅)、非晶单晶异质结(HIT) 、非晶硅薄膜、碲化镉 (CdTe)薄膜及铜铟硒(CIS)薄膜太阳电池等。其中商品化的晶体硅太阳能电池仍占主流，其光电转化效率已达 25，但受到材料纯度和制备 T 艺限制，很难再提高其转化效率或降低成本；而非晶硅太阳能电池虽然能大面积生产，造价又低廉，但其转换效率仍比较低，并且稳定性差。为了降低成本同时保持高转换效率，近年来 HIT 电池得到了迅速的发展。这种异质结结构的电池是综合两者优点充分发挥各自长处的最佳设计。本文介绍了 HIT 电池的结构与特点，综述了 HIT 电池的发展现状，并对 HIT 电池的未来
3、进行了展望。1HIT 太阳能电池的结构与特点1.1HIT 太阳能电池的结构图 1 为 HIT、太阳能电池的基本构造，其特征是以光照射侧的 p-i 型 a-Si：H 膜(膜厚5lOnm)和背面侧的 i-n 型 a_Si：H 膜(膜厚 510nm)夹住晶体硅片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称结构的 HIT 太阳能电池。1.2HIT 太阳能电池的特点(1)低温工艺HIT 电池结合了薄膜太阳能电池低温(900)扩散工艺来获得 p-n 结。这种技术不仅节约了能源，而且低温环境使得 a_Si：H 基薄膜掺杂、禁带宽度和厚度等可以较精确控制，工艺上也易于优化器件特性；低温沉积过程中，单品硅
4、片弯曲变形小，因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值(约 80m)；同时低温过程消除了硅衬底在高温处理中的性能退化，从而允许采用“低品质“ 的晶体硅甚至多晶硅来作衬底。(2)高效率HIT 电池独有的带本征薄层的异质结结构，在 p_n 结成结的同时完成 r 单晶硅的表面钝化，大大降低了表面、界面漏电流，提高了电池效率。目前 HIT 电池的实验室效率已达到 23，市售 200W 组件的电池效率达到 19.5。(3)高稳定性HIT 电池的光照稳定性好，理沧研究表明非品硅薄膜晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现 Staebler-Wronski 效应，从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照
5、而衰退的现象；HIT 电池的温度稳定性好，与单晶硅电池一 0.5的温度系数相比，HIT电池的温度系数可达到一 0.25，使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出“。(4)低成本HIT 电池的厚度薄，可以节省硅材料；低温工艺可以减少能量的消耗，并且允许采用廉价衬底；高效率使得在相同输出功率的条件下可以减少电池的面积，从而有效降低了电池的成本。2HIT 太阳能电池的发展现状2.1HIT 太阳能电池的技术发展状况1990 年，日本 Sanyo 公司最早开始研究异质结太阳能电池。1992 年，Tanaka 等就创下 p-a-Si：Hi-a-Si：Hn_c-Si 结构太阳能电池光电转换效率 18.1的纪
6、录，并将这种带有本征薄层的结构称之为 HIT 结构。此后，中国、美国、德国、法国、意大利、荷兰等同家也相继投入到 HIT 太阳能电池的研究中( 表 1 为各国研究的 HIT 电池的种类、制备工艺以及电池所能达到的转换效率情况)。为进一步提高电池的效率，其研究主要侧重于以下几个方面。(1)异质结能带结构的优化H1T 电池与传统电池最大的区别就是非晶硅与晶体硅构成的异质结结构。通过设计异质结界面的势垒高度获得合适的能带结构，以提高电池的转换效率。以 Sanyo 公司 HIT 电池为例，在(p)a-Si(i)a-Si (n)c-Si 的异质结结构中，非晶硅与单晶硅界面价带位错要小，以便收集空穴，同时
7、导带的位错要尽可能大，以阻 I 七电子的通过。异质结势垒高度的设计主要是通过控制非晶硅薄膜的沉积参数来实现的。(2)非晶硅层的制备方法HIT 电池的非晶硅层通常用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术进行制备。近年来，中科院研究生院张群芳等以及美国国家可再生能源实验室(NERL)T H Wang 等口朝采用热丝增强化学气相沉积(HWCVD)技术制备了 P 型衬底的 HIT 电池。与 PECVD 相比，HWCVD 产生的等离子能量较低，能有效避免离子的轰击，同时可产生用于预处理硅片表面的低能原子氢，制备过程中的粉尘较少，不易使 a-Si：H 薄层短路。此外，美国纽约州立大学的 BJaganna
8、than 等还用直流磁控溅射技术制备了 P 型 HIT 电池，在 0.3cm2 的面积上得到了 550mV 的开路电压和 30mAcm2 的短路电流。(3)背面场(BSF)的研究背面场能改善背面复合速率和背表面反射，从而提高开路电压、增大短路电流。制备背面场的传统方法有销合金法、硼扩散法、磷扩散法等，但这些工艺都需要高温过程，只能先制备背面场再沉积非晶硅簿膜。与 HIT 电池低温工艺兼容的制备工艺主要有在单晶硅背面沉积重掺杂非晶硅薄膜形成背面场。Toru Sawada 等用 PECVD 法在 n 型衬底上制备出HIT 结构(in a-Si)的背面场。该背面场利用了异质结的特性，不需要重掺杂就能
9、形成。结果显示，HIT 结构背面场达到了比热氧钝化更好的表面钝化效果。Y Ves-chetti 等 u80 还用光刻、硼离子注入实现了局部背面场(Local BSF)，与全面积(Full)铝合金背面场相比，开路电压大大提高，达到了 676mV，为 P 型 HIT 电池开路电压的最高值。H DGoldbach等用 P“c-Si 制作了 P 型 HIT 电池的背面场。因为 c-Si 比 a-Si 有更高的掺杂效率，所以能实现高浓度的掺杂，从而降低激活能，形成性能优良的背面场，提高电池转换效率。数值模拟结果表明，在 n 型衬底 HIT 电池的背面增加一层重掺杂的 n+层可以起到背面场的作用，使电池的
10、效率提高到 24.35。(4)衬底材料的选取衬底的类型不同，电池的转换效率也不同。Tucci M 等研究发现，n 型衬底的 HIT 电池由于异质结能带结构方而的优势，其转换效率略高于 P 型衬底的太辟 j 能电池，但 P 型衬底太阳能电池对界面的要求较低，因此易于制备。THWang 等分别用 P 型区熔(FZ)硅和直拉(CZ)硅作衬底制成了 HIT 电池，结果发现衬底为 FZ 硅太阳电池的效率高于 CZ硅。美国国家可雨生能源实验室的 Wang Qi 等用 HWCVD 法在 Fz 衬底上制备的 HIT 太阳能电池的效率已达到 19.1。但是 FZ 硅的价格高于 CZ 硅，因此应从效率和成本两方新
11、综合考虑，选择合适的衬底。另外，为了减小电池对入射光的反射牢，绒面衬底也被应用到HIT 电池中，并且取得了租好的减反射效果。(5)发射极材料的革新为了减少非晶硅层对入射光的吸收，可采用宽带隙材料如微晶硅(c-Si)、纳晶硅(nc-Si) 等作为发射极，提高光的透过率。C Summontc 等用 RF-PECVD 技术，通过高氢气稀释的气源，在 P 型衬底上制备了 n 型 c-Si 发射极，结果显示，与 a-Si 发射极相比，HIT 电池的短路电流和转换效率有明显提高。中科院半导体所许颖等也用 RF-PECVD 在 p 型衬底上制备出了 n 型 nc-Si 发射极。除 PECVD 法以外，中科院
12、研究生院的张群芳等还用 HWCVD法制备 c-Si 发射极。另外，JDanmon-Lacoste 等用 PECVD 法在形成多态硅(pm-Si)的条件下制各了 HIT 电池的本征层，测试结果显示 pm-Si 的载流于有效寿命比 a-Si 高出 1 个数量级。2.2Hrr 太阳能电池的产业化状况HIT 电池模块自 1997 年投人市场吼来发展极为迅速。图 2 为 2004 年各类太阳能电池所占市场份额，由图 2 可知，短短数年问 HIT 电池已占据世界光伏市场 5的市场份额。在研究及其大规模产业化的过程中，Sanyo 做出了重要贡献。自 1991 年 HIT 电池的研究工作取得突破性进展，在 1
13、cm2 面积上制备出转换效率为 20.0的 HIT 电池以来，Sanyo 公司在工业化生产中推出了名为 HIT Power21 的电池组件，转换效率高达 17.39%，它由 96片 HIT 电池组成输出功率为 180W。同时，,Sanyo 公司还推出了能替代屋顶瓦片的高性价比太阳电池模块(HIT power roof)。双面模块(HIT power double)也随后面世，特别适合安装在地面以及围墙等设施上 。2003 年 4 月，Sanyo 公司推出了输出功率为 200W 的 HIT 电池模块模块的电池转换效率达到 19.5，模块效率为 17，并且温度特性有大幅提高，年发电量比传统太阳电池
14、多出 43。2006 年，HIT 电池的最高转换效率达到 21.8%，270W 的 HIT 电池模块首先在欧洲上市，工程中太阳能电池模块的用量可再减少约 25%。2009 年 5 月，Sanyo 公司又将 HIT 池的转化效率提高到 23的世界纪录。同年 9 月，该公司又以厚度仅为此前 12 左右的 98m 的 HIT 太阳能电池实现了 22.8的电池单元转化效率(开路电压(Voc)为 0.743，短路电流(Isc)为 38.8mAcm2填充因子(FF)为79.1电池单元面积为 100.3cm2)。虽然厚度减半，但电弛单元转换效率却只降低了0.2。由于减少了占成本 12 的硅的使用量从而为 H
15、IT 电池的低成本化开辟了道路。同时 Sanyo 计划近期将此技术应用于量产，并在 FY2013 赢得日本光伏市场的最大份额，从而显示出 HIT 电池具有极大的发展潜力。德国在软件模拟计算中取得了较大的进步使转化效牢提高到了 19.8%；美国研究的HIT 电池效率也达到了 19.1。但是由于核心工艺技术和关键设备技术产业化生产工艺还不是很成熟产业化电池效率不是很高，他们将在今后的研究中大力改进工艺，实现大规模产业化生产。3 结束语HIT 电池虽然发展很迅速，但是仍然存在许多问题。出于生产过程中的每一步工艺要求都很严格，所以在保证高效的情况下，大规模的量产还需要进一步的研究。HIT 电弛虽然效率已选 23%，成本也在逐渐降低，但发电成本仍然远高于传统方法的发电成本。目前，HIT 电池研究最多的是非晶硅单晶硅异质结电池，其中廉价非晶硅的用量很少，而价格昂贵的单晶硅仍占多数。因此，为了满足国民生产对太阳能电池组件的需求在以后的研究中，一方面应大力开发新技术在保证电池转换效率的前提下降低 HIT 电池的厚度；另一方面用廉价材料代替价格昂贵的单晶硅材料来降低成本，如多晶硅。同时也可以通过开发新技术来降低单晶硅的生产成本。
