高效能的HIT太阳能电池研究

高效能的HIT太阳能电池研究

刘绍欢　

国电光伏（江苏）有限公司　　江苏（宜兴）　

Abstract: Heterojunction with Intrinsic Thin Layer (HIT) solar cells have combinated the characteristics of amorphous silicon and monocrystalline silicon solar cells, with low temperature preparation, high conversion efficiency and excellent temperature coefficient and so on. From the structure and principle of HIT, the making and preparing procedure have been discussed. The ways to enhance the efficiency of HIT solar cell also have been analyzed.

Key words: HIT solar cell; amorphous silicon; monocrystalline silicon; efficiency

　1. 引言

晶体硅太阳能电池虽具有效率高，技术成熟等优点。但是由于在制备过程中需要高温扩散，这会导致硅晶片的变形和热损伤。所以，通过这一工艺制备的晶体硅太阳能电池不仅在生产成本方面不具优势，而且在转化效率和器件尺寸方面也受到负面影响。相反，非晶硅薄膜太阳能电池在这些方面和前者形成了鲜明的对比，它具有重量轻，工艺简单，成本低和耗能少等优点。但是由于非晶硅缺陷较多，导致了其转换效率低，并且随着光照的时间其转换效率会不断下降，这

摘要：本征薄层异质结HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)电池结合了非晶硅和单晶硅的特性，具有低温制备工艺，转换效率高，高温特性优异等特点。本文从HIT太阳能电池的结构和原理出发，探讨其制备工艺。研究其发展历程，讨论提高HIT太阳能电池效率的有效途径。

关键词：ＨＩＴ太阳能电池；非晶硅；单晶硅；效率　　

使得非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。

近几十年来，许多学者和研究人员对本征薄层异质HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)电池进行了深入的研究。研究表明该类型电池在结合单晶硅和非晶硅材料各自特性的基础上，具有如下的性能特性：(1)低温工艺：在低温度环境下(<200℃)完成整套制备工艺，避免采用传统的高温(>900℃)扩散工艺来获得PN结，减少了热负载。在节约能源成本的同时,使得非晶硅（a-Si）薄膜掺杂、禁带宽度和厚度可以得到较精确控制。此外，器件特性在工艺上更易于得到优化。(2)高效率：通过插入高质量的本征非晶单晶硅，HIT电池形成了独有的带本征非晶硅薄层

的非晶硅和晶硅的异质结结构，可以有效地提高晶硅表面的钝化质量，从而降低表面、界面漏电流，提高电池转换效率。(3)高稳定性：HIT电池没有光致衰减效应而且温度稳定性好。(4)低成本：HIT太阳能电池的晶硅厚度薄，节省硅材料；低温工艺减少能量的消耗，并且允许采用“低品质”的廉价硅衬底，有效降低了电池的成本。在硅片厚度为100微米时，HIT太阳能电池光电转换效率达到18%以上，与常规的单晶硅、多晶硅太阳能电池相比具有很大竞争优势。

Sanyo公司开发研究的HIT太阳能电池实验室转换效率已达到22.3%[1]，且R.M.Swanson通过理论分析，预言这种结构电池的转换效率可以超过25%[2]。

2. HIT太阳电池的构造及工作原理

2.1 HIT太阳能电池的构造

图1-1 HIT电池结构示意图

Fig. 1-1 Schematic diagram of a HIT solar cell

图1-1为HIT电池结构的示意图，该结构中有本征非晶硅薄膜层。其特征是以光照射侧的薄层非晶Si层-p型非晶Si发射层(膜厚5~10 nm)和背面侧的非晶Si层-n型非晶Si(膜厚5~10 nm)夹住n型

单晶Si片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称构造的HIT太阳电池。 2.2 HIT太阳能电池的工作原理

当p型的非晶硅薄膜和n型的单晶硅结合在一起，会形成p-n结。由于两边电子和空穴的浓度不同，在n区中的多数载流子(电子)向p区扩散，形成带正电的区域。同时，p区中的多数载流子(空穴)向n区扩散，形成带负电的区域。由于载载流子的扩散，形成了空间电荷区，是一个不断增强的从n型半导体指向p型半导体的内建电场。由于内建电场的存在，导致了多数载流子反向漂移。平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等，方向相反，此空间电荷区的净电流为零。 当光照在HIT电池上时，首先被p型的非晶硅薄膜吸收，激发产生出载流子。p型非晶硅和n型晶体硅形成的p-n结，由于其内建电场的作用，p区中的少数载流子（光生电子）漂移至n型晶体

硅中，n型晶体硅中的少数载流子（空穴）漂移

至p型非晶硅薄膜层。这样，电子漂移至n型晶体硅层，空穴漂移至p型非晶硅薄膜层，于是在异质结两侧出现了光生电荷的积累，产生了光电压，形成了异质结的光生伏特效应。当上电极和下电极间接有负载时，从上电极流出的光生电流在负载上建立电压并输出功率。由此可见，HIT

太阳电池的工作原理和异质结太阳电池几乎一样。

3. HIT太阳能电池的基本工艺

　以直拉n型单晶硅为衬底的HIT太阳能电池

的基本工艺，大体包括以下几个工艺：

(1) n型单晶硅衬底处理：n型单晶硅作为吸收太阳光的主要源区，对它的处理就显得尤为重要，主要包括硅片的制绒和清洗。在n型单晶硅表面进行织构化处理，形成金子塔形状的表面，降低了电池表面的反射率。入射光在电池表面可以多次反射延长了光程，增加了对光子的吸收，相应有较多的光生载流子在p-n结附近产生，从而增加了光生载流子的收集机率。另外制绒还能去除硅片表面损伤层。织绒后的清洗步骤主要是除去残余在硅片表面的金属离子和硅片表面形成的自然氧化膜。现在制绒的主要方法有湿法和干法，其中湿法包括酸性制绒和碱性制绒。

(2) a-Si:H的沉积：a-Si:H膜的均匀性、致密程度及晶化度等影响着HIT太阳能电池的效率。与传统非晶硅薄膜电池不同，作为缓冲层的HIT太阳能电池本征非晶硅层减小了异质结界面态密度，钝化单晶硅和非晶硅界面，由于其具有更宽的能隙，异质结具有更高的内电场，进而获得较高的开路电压。对于异质结太阳能电池，界面态特性(尤其是界面态密度)决定了电池的输出特性。界面态密度主要是由沉积在c-Si上的掺杂a-Si:H引入的。在引入本征非晶硅层后，掺杂层和衬底被分开了，从而获得了一个良好的界面，避免了光生载流子的复合。

现在非晶硅薄膜制备的重要的方法之一是等离子增强化学气相沉积（PECVD）[3]，这一方法能实现低温，大面积沉积。a-Si:H薄膜的沉积技术是整个HIT工艺技术的核心。而影响非晶硅薄膜沉积速率的因素有沉积的气压、射频功率、氢稀释度以及电极进气方式等。

(3)透明导电膜(TCO)的沉积：由于非晶硅几乎没有横向导电性，因此必须在硅薄膜表面沉积一层大面积的TCO来有效收集电流。因此，作为传导层和减反层的TCO必须具较高的光透过性和较低的薄层电阻。在TCO起到减反膜作用的同时，还应减少其光吸收，而常用的HIT电池TCO膜有ITO膜和ZnO膜。它们的主要沉积方法有：直流[4]和射频[5]磁控溅射法、化学气相沉积法、真空蒸发及电子束蒸发工艺。其中又以研究最广泛的是磁控溅射技术最为流行。其特点是成本低，适合大面积沉积，而且薄膜附着力强。

(4)上下电极的制备：指状电极采用蒸发或者丝网印刷的方法制备。电极间具有较小间距，以此来补偿TCO膜方块电阻较高带来的负面影响。 通过对HIT电池的制备工艺过程的总结，可以得到图2-1所示的工艺流程： 　　　　

图2-1 HIT电池的工艺流程 Fig. 2-1 Process chain of HIT solar cells

4. HIT太阳能电池的研究现状

1974年三洋公司开始研究a-Si基太阳能电池技术，并实现了10%的稳定效率。三洋公司在1990年最早推出了HIT结构电池，微晶结构的硅是作为本征薄膜层。为了进一步提高效率，三洋公司在1991年采用本征太阳能电池a-Si:H薄

膜层代替本征uc-Si薄膜层，从而降低了界面态密度，提高了C-Si表面的钝化效果，使开路电压得到了很大的提高。1994年，HIT太阳能电池的实验室效率达到18.7%（Voc: 638 mV, Isc: 37.9mA/cm2, FF: 0.755, ?: 18.7%）。1998年，日本三洋公司宣布成功开发出非晶/单晶异质结太阳能电池。2000年，三洋公司研制的100 cm2异质结太阳能电池实验室效率达到20.7%，并且迅速量产达12MW，占当年世界光伏市场的4.2 %。2003年在100cm2面积上实现了21.3%实验室效率（Isc: 38.6 mA/cm2

, Voc: 717 mV, FF: 0.770）。

2007年，三洋公司进一步优化a-Si/c-Si的界面特性及在c-Si表面进行的制绒处理，HIT太阳能电池提高至22.3%，其中Voc: 0.725V, Isc: 39.2mA/cm2, FF:0.791, 100.5 cm2, AIST。2008年9月，三洋公司在第23界欧洲光伏会议上报道，他们研究的HIT太阳能电池n型晶硅的厚度已经降低至85微米, 大大的降低了生产成本。2009年5月，三洋公司[6]宣布他们研制的HIT太阳能电池的实验室效率已经达到23%，比原计划提前了一年。近几年，三洋研制的HIT太阳能电池的效率不断的提高，主要的技术集中在以下四个方面：(1)通过形成高质量低损伤的a-Si膜技术，提高a-Si:H/µ-Si界面的钝化质量；(2)提高c-Si表面凹凸构造的光封闭效果；(3)降低对发电没有贡献的a-Si膜、透明导电膜的光吸收；(4)表面集电极的细线化和低电阻化。

5. 总结

HIT太阳能电池具有结构简单，低成本，吸

引着许多科学家对其展开广泛的研究。本文对

HIT太阳能电池的结构，原理，制备工艺及其研究现状进行了简单分析，总结了提高HIT太阳能电池效率的方法。

致谢

感谢国电光伏（江苏）有限公司所有的员工尤其是ＨＩＴ部门的成员对我工作的支持和帮助。　

参 考 文 献：

[1] S. Taira, Yoshimine, T. Baba, et al. Our approaches for achieving HIT solar cells with more thean 23% efficiency. In: G. Woleke, H. Ossenbrink, P. Helm. eds. Proceedomgs of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference. Munich: WIP-Renewable Energies, 2007, 932-935

[2] R.M. Swanson. Approaching the 29% limit efficiency of silicon solar cells. In: Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Thirty-first IEEE. Floride: Orlando, 2005, 889-894

[3] J. Pla, M .Tamasi, R. Rizzoli R, et al. Optimization of ITO layers for applications in a a-Si/c-Si heterojunction solar cell. Thin Solid Film, 2003, (425): 185-192

[4] L. Zhao, Z. B. Zhou, H. Peng, et al. Indium tin oxide thin films by bisa magnetron rf sputtering for heterojunction solar cells application. Applied Surface Science, 2005, (252): 385-392

[5] I. Usman, A. Supu, T. Winata, et al. Application of a-Si :H in p-i-n Solar Cell by VHF-PECVD method. Indonesian Journal of Physics, 2004, (15): 31-34

[6] Sanyo Electric Co., Ltd. Sanyo develops HIT solar cells with world’s highest conversion efficiency of 23.0%[EB/OL]. (2009-5-21) [2009-7-15]. http:// us.

/News/Sanyo-Develops-HIT-Solar-Cells-with-Worlds

Highest-Energy-Conversion-Efficiency-of-23%

高效能的HIT太阳能电池研究

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作者单位：

刘绍欢

国电光伏(江苏)有限公司 江苏(宜兴)

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