提高薄膜太陽能電池的效率方法有哪些？

降低硅太陽能電池成本的方法之一是盡量減少高質(zhì)量硅材料的使用量，如薄膜太陽能電池。不過這種太陽能電池的效率只達(dá)到了約11-12%。研究人員們正在尋求提升其效率的方法。最近取得突破的技術(shù)有通過干法絨面優(yōu)化上表面的結(jié)構(gòu)和在外延層/襯底界面處插入一個中間多孔硅反射鏡。采用這兩種方式可將太陽能電池的效率提升到約14%。

兩種提升效率的技術(shù)

與基于體硅的太陽能電池相比，外延薄膜太陽能電池比較便宜。但現(xiàn)在外延薄膜太陽能電池的主要缺點是它們的效率相對較低。已有兩種技術(shù)表明能提高薄膜太陽能電池的效率。一是利用鹵素原子等離子加工，優(yōu)化上表面結(jié)構(gòu)，另一種技術(shù)是在外延層/襯底界面處引入中間反射鏡。優(yōu)化的上表面結(jié)構(gòu)兼有滿足均勻光散射（朗伯折射，Lambertian refraction）的要求和通過微量減除硅來降低反射（因為外延硅層已相當(dāng)薄）兩個優(yōu)點。引入中間反射鏡（多重布拉格反射鏡）將低能光子的路徑長度至少延長了7倍，最終大大提高了太陽能電池的效率。

低成本太陽能電池

基于單晶或多晶體硅基底的硅太陽能電池是光伏市場的主體。但若全部用高純硅制作，生產(chǎn)這種太陽能電池非常耗能，并且比較昂貴。為進(jìn)一步 推動光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)通過降低材料成本來大力減少太陽能電池的生產(chǎn)成本。

外延薄膜硅太陽能電池具有成為體硅太陽能電池的低成本替代方案的潛力。與當(dāng)前的體硅太陽能電池（200μm）相比，這種絲網(wǎng)印刷太陽能電池采用的襯底較便宜和有源硅層較薄（20μm）。這種低成本襯底包括高摻雜的晶體硅晶圓（用冶金級硅或廢料加工的純凈硅）。用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在這種襯底上沉積一層外延有源硅薄層。

產(chǎn)業(yè)競爭力

外延薄膜硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)的體硅太陽能電池非常相似。因此，與其它薄膜技術(shù)相比，在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中實現(xiàn)外延薄膜硅太陽能生產(chǎn)相對容易。不過，外延薄膜硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)競爭力的主要不足之處在于，比起傳統(tǒng)的體硅太陽能電池，薄膜硅太陽能電池的效率較低：這些電池的開路電壓和填充因數(shù)可以達(dá)到與體硅太陽能電池相近的水平，但由于存在光學(xué)活性薄層（與體硅厚度200μm相比，薄膜硅的活性層厚度僅20μm），光從外延層傳輸?shù)揭r底時，襯底質(zhì)量較差引起光損失，短路電流損失，最多可高達(dá)7mA/cm2。

挑戰(zhàn)在于如何在效率和成本之間獲得完美的平衡，還須考慮大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本文介紹兩種可延長光學(xué)路徑長度并因此提高外延薄膜硅太陽能電池效率的技術(shù)：等離子絨面和在低成本硅襯底與活性層的界面處插入多孔硅反射鏡。結(jié)果表明，這些措施可將外延薄膜硅太陽能電池的效率提高至14%左右。

上表面等離子絨面

通過處理太陽能電池活性層的上表面，表面光散射發(fā)生變化，從而影響太陽能電池的性能。目的是形成最理想的上表面，100%漫反射（朗伯折射，表現(xiàn)出全散射）。此時光子平均以60°的角度穿過活性層，使得傳播路徑長度增大兩倍。也就是說，僅20μm厚的活性層的光學(xué)表現(xiàn)為40μm厚。

利用基于氟的等離子處理，僅會去除極少量的硅（僅1,75μm），就可獲得表現(xiàn)出朗伯折射的理想上表面。這對于外延薄膜硅太陽能電池極為重要，因為這種類型的太陽能電池的活性層相當(dāng)薄（20μm）。除優(yōu)化散射、提高電池效率外，等離子處理還能降低反射，實現(xiàn)傾斜光耦合和降低接觸電阻。這就將短路電流減少1.0到1.5mA/cm2，進(jìn)一步將電池效率提高0.5到1.0%。

硅反射鏡

提高外延薄膜硅太陽能電池效率的另一種方式是在活性層與低成本襯底的界面處插入一層多孔硅反射鏡。該反射鏡可降低長波長的光往襯底中的傳播量。

實際上，利用電化學(xué)交替生長多孔和少孔薄層（一種多重布拉格反射鏡，Bragg reflector）形成多孔硅疊層，制作反射鏡，由四分之一波長定律定義交替層的厚度。外延生長活性層時，疊層中的多孔硅具有大大小小的空洞，重組為薄層，但仍保持最初布局。這種結(jié)構(gòu)已被證明是有效的反射結(jié)構(gòu)。這種反射鏡通過布拉格效應(yīng)（常規(guī)入射反射鏡）或全內(nèi)反射（光以大于臨界角的入射角傾斜入射到反射鏡）反射到達(dá)界面處的光子。結(jié)果這些光子再次通過活性層。逃逸角（大部分反射光子，因為光已被散射）以外的反射光子到達(dá)活性層的上表面，將被再次反射。因此延長了光學(xué)路徑長度，提高了太陽能電池的效率。結(jié)果表明，在上表面實現(xiàn)完美的朗伯表面時，一個15層的多孔硅反射鏡可以將光的傳播路徑長度提高14倍，意味著一個擁有15μm活性層的外延薄膜硅太陽能電池將與210μm厚的體硅太陽能電池具有相同性能。

引入多孔硅反射鏡可使內(nèi)部反射率達(dá)到80~84%，其中25%是因為存在布拉格效應(yīng)本身（圖2）。采用優(yōu)化的反射鏡設(shè)計可以進(jìn)一步改進(jìn)布拉格效應(yīng)，優(yōu)化反射鏡使少孔層及多孔層的厚度隨深度而變化（靈活的多孔硅疊層），讓反射鏡的帶寬增得足夠大。利用這種靈活的特殊結(jié)構(gòu)，低能光子的路徑長度可以在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上提高7倍之多。在低成本硅襯底上利用此反射層和絲網(wǎng)印制接觸制作的太陽能電池達(dá)到了13.9%的高效率，而Jsc 為 29.6mA/cm2