双层发射极与双层背电场结构的晶硅异质结太阳电池的设计与可控构筑

Crystalline silicon-based heterojunction solar cells (SHJC) have potential advantages over conventional diffused junction silicon solar cells on performance and cost. The structures and components of SHJC have great room for variations and development. However, for many years HIT structure has dominated the SHJC development, and this advantage has not been exploited. In present project, novel SHJC structures have been proposed, include emitters and back surface fields (BSF) composed of heavy-shallow doped silicon-based double-layer structure. Silicon-based films with different bandgaps, such as SiOx:H, SiCx:H, Si:H and SiGex:H, will be chosen to compose the layers. The works will include, a) computational analysis of the effects of thickness, optical-electrical properties, and nano-scale-effect of the doped thin films on performances of the SHJC cells, and their mechanisms; b) the optimal design and targeted fabrication of the SHJC with double-layer emitter and double-layer BSF. It is hoped that the series resistance and the recombination rate of the light-induced carriers of the cells would be reduced with the effect of the heavy-shallow doped double-layer structure. The efficiency of the SHJC with the new structured emitter and BSF would reach 22%(AM1.5g,25℃). It is also hoped that the present research would provide a new recipe for crystalline silicon based heterojunction solar cell.

晶体硅基异质结太阳电池（SHJC）在性能和成本上相对于现行扩散制结晶硅太阳都有潜在优势，其结构和组分有很大变化发展空间，然而多年来它为HIT结构所主导，未能充分发挥该优势。本项目提出新的SHJC结构，包括重－轻掺杂双层硅基薄膜复合结构发射极与背电场，其中各层基体以Si:H、SiOx:H、SiCx:H和SiGex:H等不同带隙的薄膜来优化匹配。研究内容包括：双层复合结构中膜层厚度、光电性能及膜层间的纳米尺度效应对SHJC的转换效率、量子效率等性能的影响规律与作用机制的理论分析；双层发射极与双层背电场的SHJC的结构设计优化及可控构筑。通过双层复合结构引入，将减少器件中光生载流子的复合损耗和串联电阻，实现22%(AM1.5g,25℃)的转换效率,为晶体硅基异质结太阳电池的发展提供新的思路。

晶体硅基异质结太阳电池（SHJC）在性能和成本上相对于现行扩散制结晶硅太阳有潜在优势，其结构和组分有很大变化发展空间。然而多年来它为HIT结构所主导，未能充分发挥该优势。本项目从设计新的SHJC结构和材料构成的角度出发以期能够提高太阳电池性能，同时降低各类原辅材料的消耗，降低制造成本。在本项目执行的三年间主要研究内容及结论如下：1、通过理论和实验综合研究分析发现，重-轻掺杂双层硅基薄膜复合结构的发射极相比于单层硅基薄膜发射极有利于SHJC性能的提升，其主要机理是：增加了发射极处的内建电场，从而增加了入射短波光子的量子效率；增加了载流子的隧穿概率并减少了掺杂硅薄膜中的载流子激活能，减少了器件的串联电阻。2、提出了一种以重掺杂c-Si作为背场的双面进光SHJC结构，从进光面开始器件结构为：Ag栅线/氮化硅膜/重掺杂n型c-Si/n型硅片/本征非晶硅钝化层/p型重掺杂硅薄膜/TCO/Ag栅线。理论分析表明该结构可大大增加SHJC的短路电流，减少器件的串联电阻。我们对该SHJC电池结构设计了一条大规模生产可行的技术路线，初步试验得到电池的开路电压达到了669mV，短路电流超过了38.0mA/cm2，后继将继续研究，优化工艺路线提高转换效率。3、在器件的构成材料方面，对掺氧非晶硅薄膜钝化层的PECVD和热丝CVD法制备的控制和薄膜的钝化机理进行了分析。主要得到以下结论：a）热丝CVD法制备本征掺氧非晶硅薄膜钝化c-Si表面是可行的，制备过程中热丝的氧化问题可通过工艺参数的调整得以克服。在我们的研究中，经a-SiOx:H钝化后硅片表面的最低复合速率降到了3.6cm/s；b）掺氧可改善本征非晶硅薄膜的钝化效果并增加工艺窗口（对PECVD和热丝CVD均是），其改善的机理是掺氧后薄膜中的H含量增加，且SiH2/SiH键的比例发生变化。另外我们还猜想掺氧后钝化层与c-Si片之间的界面电荷应该也发生了变化，目前正在对这一假设通过DLTS和CV法等进行测试分析论证。