基于黑硅材料的高效太阳电池研究

黑硅是一种新型的表面微纳结构材料，它是在SF6等硫系元素环境中，通过超快脉冲激光辅助化学腐蚀Si表面，自组装成众多微米尺度的晶锥。这种晶锥具有光子陷阱作用，使入射光的反射趋近于零；同时，硫系元素在Si表层的非平衡高浓度掺杂，形成了局域态叠加的深能级子带，导致了三级或多级光吸收，使黑硅对整个太阳光谱具有90%以上的吸收率。这种高的光吸收对提升电池的光电转换效率有着直接的推动作用，而高效太阳电池对减少矿物能源消耗、降低污染排放、保护绿色环境都有着极其重要的意义。本课题主要涉及激光与Si表面作用，涉及黑硅表层显微结构、光学吸收特性、电学特性的表征与分析，涉及深能级位置和浓度、杂质激活率、缓变型PN结等基础特性研究；涉及黑硅太阳电池的器件结构设计、载流子产生、分离、输运和收集的机理研究；涉及电子束退火、离子束注入和粗糙表面电极制备等工艺组合，以及短路电流、开路电压和转换效率的测试分析。

课题组采用脉冲激光在空气、真空和SF6气氛中对硅表面进行扫描辐照，制备出了各种晶锥阵列的黑硅，并用扫描电子显微镜对其结构进行了观察和分析；采用反射和透射光谱分析黑硅光吸收。直接采用此黑硅制备电池，其短路电流极低，说明大部分载流子都被复合掉了。而后将黑硅表面掺硫层去除，只运用晶锥结构制备电池，获得了4%的电池效率。由于在激光掺杂的黑硅中各种因素交叉在一起，不便进行单一目标的分析，故转入离子注入的研究阶段。.课题组深入研究了硅表层硫系离子注入+退火工艺，通过改变注入剂量、注入能量，实现了硫系杂质在硅中深度分布的有效控制。采用Rutherford背散射沟道谱对Se离子的替位浓度进行了表征，采用深能级瞬态谱对Se离子在硅表层所引入的深能级位置和浓度进行了表征，采用Hall测试对载流子的激活浓度、迁移率和电阻率进行了表征。课题组采用硅表层硒膜蒸发+激光辐照+退火工艺，制备出工艺可重复的硅光电探测器，其光电响应在低压下达到100A/W@5V，与国际上最好结果一致。基于深能级光吸收以及载流子通过深能级向导带跃迁的几率计算，课题组从理论上分析了探测器低偏压、高响应的机理，并建立了经深能级跃迁的载流子输运模型。在p型硅衬底上通过注入硒离子来制备太阳电池，其电池的暗I-V特性显示反向漏电较激光掺杂电池小，但比起掺磷的硅电池要大的多，说明Se+的注入增加了复合中心，该电池的最高效率为0.8%。.课题组采用产业化技术路线制备晶硅太阳电池，在正面制备随机金字塔结构，在背面进行了Al蒸发镀膜和AlSi合金的烧结，分析了铝背场的相变过程；用丝网印刷工艺制备电池电极，分析了电池的各个特性。采用实验室技术路线制备晶硅太阳电池，用化学腐蚀在硅表面制备倒金字塔；用离子注入和扩散技术在正面制备选择性发射区，在背面制备背场，用SIMS方法对晶体硅电池的发射极掺杂分布进行了表征，用半导体工艺及器件仿真工具对扩散工艺和热氧化工艺进行了仿真，其结果与测试一致；采用表面钝化及退火技术，对电池内复合进行了有效的控制，探索最优的栅线间距与发射极方块电阻的关系，以及选择性发射极和背面局部重掺的优化；采用各种蒸发技术进行栅电极和背电极制备，使其形成欧姆接触。研制出短路电流密度Jsc=43.9mA/cm2，开路电压Voc=602.0 mV，填充因子FF=0.758，效率20.0%的晶体硅太阳电池，达到了国内先进水平。