单晶电池简史

:近年来，能源危机与环境压力促进了太阳电池研究和产业的迅速发展。目前，晶体硅太阳电池是技术最成熟、应用最广泛的太阳电池，在光伏市场中的比例超过90%，并且在未来相当长的时间内都将占据主导地位［1-2］。其中，单晶硅的晶体结构完美，禁带宽度仅为1．12eV，自然界中的原材料丰富，特别是N型单晶硅具有杂质少、纯度高、少子寿命高、无晶界位错缺陷以及电阻率容易控制等优势，是实现高效率太阳电池的理想材料［1-2］。

如何提高转换效率是太阳电池研究的核心问题。1954年，美国Bell实验室首次制备出效率为6%的单晶硅太阳电池［3］。此后，全世界的研究机构开始探索新的材料、技术与器件结构。1999年，澳大利亚新南威尔士大学宣布单晶硅太阳电池转化效率达到了24．7%［4］，2009年太阳光谱修正后达到25%［5］，成为单晶硅太阳电池研究中的里程碑。新南威尔士大学取得的25%的转换效率记录保持了十五年之久，直到2014年日本Panasonic公司和美国SunPower公司相继报道了25．6%［6］和25．2%［7］的效率。此后，日本Kaneka公司［9，14-15］、德国Fraunhofer研究中心［10-11］、德国哈梅林太阳能研究所［12-13］等陆续报道了效率超过25%的单晶硅太阳电池，具体参数如表1所示。

1单晶硅太阳电池的理论效率

对于同质结单晶硅太阳电池，2004年，Shockley和Queisser理论上计算的单晶硅太阳电池极限效率达33%，也称之为Shockley-Queisser(SQ)效率［16］，但是该效率仅仅考虑了辐射复合，忽略了非辐射复合与本征吸收损失(例如俄歇复合与寄生吸收等)［17］。2013年，Richter等提出一种新颖且精确的计算单晶硅太阳电池的极限效率的方法，考虑了新标准的太阳光谱、硅片光学性能、自由载流子吸收参数以及载流子复合与带隙变窄的影响，当硅片厚度为110μm时，单晶硅太阳电池理论效率为29．43%［17］。硅异质结(SHJ)太阳电池的模拟指出，最佳背场结构能够同时提高其Voc与Jsc，以及硅片厚度对电池性能的意义，对称结构的SHJ电池的理论极限效率为27．02%［18］。2013年，Wen等分析得出，界面态缺陷、带隙补偿与透明导电氧化物(TCO)的功函数都会影响a-Si∶H(p)/n-CzSi的界面传输性能，并由此模拟出27．37%的理论极限效率［19］。2015年，刘剑等进一步提出了合适的a-Si∶H的厚度、掺杂浓度与背场结构都会改善a-Si∶H/c-Si异质结太阳电池的载流子转移性能，模拟出理论极限效率为27．07%［20］。上述的研究都认为，最佳的背场能够改善载流子的输运，降低载流子在PN结中的损失，并指出载流子迁移性能是提高SHJ电池转化效率的重要条件［18-20］。

对于新型的无掺杂硅异质结电池，2014年，Islam等采用金属氧化物作为新型载流子选择性钝化接触层，降低了载流子在“PN结”中的损失，同时改善了与金属接触的电压降损失，模拟计算的极限效率达到27．98%［21］。表2总结了理想情况下单晶硅太阳电池的理论极限效率。

2高效单晶硅太阳电池结构及特点分析

MartinGreen分析了造成电池效率损失的原因，包括如图1所示的五个可能途径［1，22］:(1)能量小于电池吸收层禁带宽度的光子不能激发产生电子-空穴对，会直接穿透出去。

(2)能量大于电池吸收层禁带宽度的光子被吸收，产生的电子-空穴对分别被激发到导带和价带的高能态，多余的能量以声子形式放出，高能态的电子-空穴又回落到导带底和价带顶，导致能量的损失。(3)光生载流子的电荷分离和输运，在PN结内的损失。(4)半导体材料与金属电极接触处引起电压降损失。(5)光生载流子输运过程中由于材料缺陷等导致的复合损失。

以上各种能量损失的途径可概括为光学损失(包括(1)、(2)和(3))和电学损失(包括(3)、(4)和(5))。为了提高太阳电池效率，需要同时降低光学损失和电学损失。降低光学损失的有效措施包括前表面低折射率的减反射膜、前表面绒面结构、背部高反射等陷光结构及技术，而前表面无金属电极遮挡的全背接触技术则可以最大限度地提高入射光的利用率。减少电学损失则需要从提高硅片质量、改善PN结形成技术(如离子注入等)、新型钝化材料与技术(如TOPCon、POLO等)、金属接触技术等方面入手［1］。针对如何降低光学损失和电学损失的问题，人们提出了多种结构的单晶硅太阳电池，目前转换效率超过25%的单晶硅太阳电池主要包括以下六种。

2．1钝化发射极背场点接触(PEＲC)电池家族

新南威尔士大学(UNSW)MartinGreen领导的小组提出PERC结构的单晶硅太阳电池，在P型FZ硅片上实现了22．8%的高转换效率［23］，其基本结构如图2a所示。1999年，UNSW的该团队再次宣布其PEＲL太阳电池(如图2b所示)转化效率达到24．7%［4-5］。与传统的单晶硅太阳电池相比，PEＲL太阳电池的主要特点和优势包括:(1)氧化硅作为PEＲL太阳电池背表面的钝化层，界面的复合速率显著降低。(2)背金属电极通过小孔接触到重掺杂的发射极，这种结构能够形成良好的欧姆接触，从而降低电阻损失［4］。(3)倒金字塔陷光结构提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作为双减反层减少了光的反射，两者共同显著提高了太阳电池的短路电流［23］。为了解决背部接触不足带来的等效串阻增大等问题，他们将整个硅片背面先采用轻硼掺杂，而后再采用定域重硼掺杂制备金属接触区，从而形成PERT电池，其结构如图2c所示。它可以实现高电导和低背表面复合速率，改善了开路电压和填充因子，在4cm2的P型MCZ硅片上取得24．5%的高效率［25］。而PEＲC太阳电池结构如图2a所示，它具有背表面钝化优异与其制备技术的优势，近年来得到产业界的广泛重视，成为产业界下一代高效率高端电池产品。

FraunhoferISE采用一种无光刻、加工速度快、适用各种不同硅衬底的技术，获得的PEＲC电池效率超过21%，具有很好的产业化前景［27］。2017年，隆基乐叶和晶科两家公司分别报道了效率达到23．26%［28］和23．45%［29］的单晶硅PERC电池。2018年，他们又先后报道了效率为23．6%和23．95%的电池［30］，成为光伏行业的里程碑。在PEＲC电池的制备工艺中，背部电极的设计和金属电极与硅基底之间形成良好的欧姆接触是两个关键的步骤［1-2］。目前实现金属电极与硅基底的欧姆接触技术越来越成熟，在生产线上已经得到普遍的运用。

原标题:单晶电池简史