低成本和高效率的多晶硅薄膜太阳能电池的研究

为了获得高转化效率和低成本的玻璃衬底多晶硅薄膜太阳能电池，必须开发出低缺陷密度的多晶硅薄膜的低温生长工艺，同时为了降低整个电池模块的制作成本，应综合考虑单个电池的制作工艺和电池之间的互联工艺的兼容性，因此，本项目从下面几个方面展开研究：（1）设计铝诱导玻璃表面粗化的光俘获结构，增强电池表面对光的吸收；（2）采用铝诱导非晶硅晶化作为多晶硅的种子层，研究晶化工艺与种子层质量的关系；（3）利用低温外延加厚并固相晶化的方法获得多晶硅薄膜，并利用等离子体氢化处理以改善薄膜的电学输运特性，探寻多晶硅薄膜中限制传输性质（如扩散长度）的因素（如晶粒尺寸、晶粒间界等）；（4）提出背接触式的薄膜电池的电极设计方案，应用载流子输运模型，研究电池的设计参数和材料特性等与电池的短路电流和开路电压等特性参数之间的关系，以达到优化电池设计的目的，简化电池的互联工艺。

由于硅基薄膜太阳能电池（非晶硅、微晶硅及多晶硅薄膜电池等）的成本低，易于大规模生产，近年来得到迅速的发展，已被列入我国太阳能光伏产业“十二五”规划的发展重点。由于多晶硅薄膜包含了很多缺陷，如何降低多晶硅薄膜中的缺陷态的密度和提高薄膜电池中的光俘获是多晶硅薄膜电池的设计制作的关键，因此，我们提出了一种低缺陷密度的多晶硅薄膜的低温生长工艺，降低了多晶硅薄膜电池的生产成本。在本项目中，我们从以下几个方面进行了研究：（1）铝诱导玻璃表面粗化的光俘获结构的研究。沉积在康宁玻璃上的铝膜，经过退火处理后，然后通过H3PO4和HF/HNO3混合溶液腐蚀，在玻璃表面形成了光俘获结构。与普通的玻璃衬底相比，经过铝诱导玻璃表面粗化处理的玻璃作为衬底的电池效率提高了5%左右，说明这种光俘获结构的陷光效果比较明显；（2）采用铝诱导非晶硅晶化作为多晶硅的种子层。以玻璃为衬底，利用金属诱导非晶硅晶化的方法，当退火时间为5小时、退火温度为500℃时，非晶硅（a-Si）/铝（Al）/玻璃结构转变为Al/Al2O3/多晶硅（pc-Si）/玻璃结构，然后将表面多余的金属铝和Al2O3用酸腐蚀掉，玻璃表面那层多晶硅可留下用来成长多晶硅薄膜的晶种层。（3）利用低温外延加厚并固相晶化的方法获得多晶硅薄膜。利用这种金属诱导方法，可以低温沉积晶粒尺寸大于10 μm、空穴迁移率大于20 cm2/V.s、空穴浓度大于1019 cm-3的多晶硅膜，此方法最大优点即生长温度不高即可得质量较高的多晶硅薄膜。（4）利用等离子体氢化处理以改善薄膜的电学输运特性。在衬底温度为500℃和射频功率为10 W的等离子体钝化条件下，多晶硅薄膜的迁移率从24 cm2/V.s提高到28.5 cm2/V.s，提高了18%。（5）采用了背接触式的薄膜电池的电极设计方案，减少由于传统的前面电极带来的光学损失，简化了电池的互联工艺。.我们以此多晶硅种子层为基底，利用等离子体化学气相沉积法（PECVD）研制多晶硅薄膜太阳能电池，其晶粒大小约10 m，目前实验工作正持续进形中。此方法优点是多晶硅沉积速率快（大于0.5 nm/sec），在低于500℃的温度下生长的晶粒尺寸较大，空穴迁移率较高，设备简易，成本较低，有利于量产。目前完成的背接触式多晶硅薄膜太阳电池雏型组件其初步结构为：铝诱导表面粗化的玻璃/SiNx阻挡层和抗反射层/未掺杂的多晶硅种子层/