一种新型强吸光性晶体硅及其光伏结构研究

Si solar cells are and will still be the mainstream solar cells in the photovoltaic market because of rich storage of silicon resources and the maturity of manufacturing technology. Thus, how to develop new materials of Si solar cell so as to improve the cell performance has drawn world-wide attentions. A number of approaches have been used to prepare highly photoabsorptive Si (or HPAS) materials, which generally fall into two methodologies, i.e., chemical etching and energetic-beam-assisted chemical etching. The HPAS thus prepared is either brittle in mechanical strength, making it unsuitable as a material for the mainstream Si solar cell of PN junction, or it has a large amount of extra structural and compositional defects generated by the preparing process, which supress the photocarrier transport. We recently developed a Si material with self-organized con arrays at the surface induced by Ar ion-beam etching. It is not only mechanically robust and highly photoabsorptive, but also excellent in crystallinity of epitaxy and free of extra bulk defects. Such an HPAS is a noval and promising photovoltaic Si material. In this proposal, we will give a systematical study on the growth mechanism of the new HPAS, and the modulation of its structure, composition and the feature of photoabsorption. Then, we will further develop new and highly efficient crystalline Si solar cells based on the new HPAS materials. The manufacturing of the high efficient Si solar cell can employ the current technology of crystalline Si solar cell. The proposed research is of scientific and practical significance.

由于硅资源储备的丰富性及制备工艺成熟性，硅太阳电池在光伏市场中占据并仍将占据主导地位。因此，发展新型硅太阳电池材料，以获得高光电转化效率硅电池，成为国内外广泛关注的课题。目前有多种方法制备强吸光性硅材料，且基本分为两类，即化学腐蚀法和载能束化学刻蚀法。但所制备的硅材料，或者机械性能脆弱，不宜作为主流PN结型电池材料；或者在制备过程中，体内会引进大量的结构和组份缺陷，严重影响光生载流子迁移。我们最新发展的氩离子束刻蚀方法制备的自组织纳米锥阵列晶体硅，不但有着强吸光性和高机械强度，还具有优良的外延结晶性，体内不存在外引缺陷，是一种新型的优质光伏晶硅材料。本项目将系统研究这种新型强吸光性晶硅材料的形成机制及其结构、组份和吸光特性的调制，在此基础上，研制基于该晶硅材料的晶硅光伏结构。这种光伏结构制备和现有晶硅电池工艺完全匹配。研究工作具有重要的科学价值和现实意义。

由于硅资源储备的丰富性及制备工艺成熟性，硅太阳电池在光伏市场中占据并仍将占据主导地位。因此，发展新型硅太阳电池材料，以获得高光电转化效率硅电池，成为国内外广泛关注的课题。本项目主要研究内容包括：一种接近太阳全光谱（波长在300-2000 nm）强光吸收（吸收度均>95%）的织构晶体硅；利用光致发光（PL）下移提升晶硅电池效率；利用界面场增强晶硅电池效率；利用表面等离激元结合界面场增强晶硅电池效率；高填充因子（>0.83）的获得机制；梯度带隙黑硅发射极晶硅电池；以及近红外吸收结合界面场的宽谱晶硅电池。重要结果有 1）发展了一种强界面场的、具有高填充因子（0.87）的晶硅太阳电池，其效率达到20.3%。其中的高填充因子来自于我们发展的电池前表面的MOS结和PN结反向连接机制。该填充因子突破目前国际上填充因子0.83的最高水平；2）发展了一种具有梯度带隙黑硅发射极的晶硅电池，由于其强光吸收性（紫外到可见光的反射率<0.3%）以及梯度带隙结构对表面复合的抑制作用，效率突破当前同类通用型前后电极结构黑硅电池的最高水平，为19.0%。论文发表后，受到国内外媒体关注和报道；3）发展了一种新的实现近红外光伏响应的方法，即利用织构硅宽谱吸收特性，结合界面场，最终实现红外光伏响应以及宽谱乃至全光谱响应的晶硅太阳电池。该工作已获得初步结果，后续工作还在深入中；4）发展了其他一系列提高晶硅电池效率的方法。研究工作为最终实现宽谱乃至全太阳光谱响应的高效晶硅太阳电池奠定基础。项目执行期间，共发表项目标注SCI论文17篇，申请专利3项，国际会议报告3次，国内会议报告4次，培养博士生3人，硕士生3人。