硅納米結(jié)構(gòu)在太陽電池中的應(yīng)用.pdf

1、減少光學(xué)和電學(xué)損失是設(shè)計高效電池時要考慮的兩個主要方面：一方面，通常采用減反層和有效的陷光結(jié)構(gòu)來增加光吸收；另一方面，通過減少器件的復(fù)合率來改善電池的電學(xué)性能，從而最終實現(xiàn)光學(xué)和電學(xué)性能的最優(yōu)化。最近，硅納米結(jié)構(gòu)由于具有優(yōu)異的減反和陷光效應(yīng)而受到了廣泛關(guān)注。研究表明應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)有望減少硅材料的使用數(shù)量和降低使用時其的質(zhì)量。因而很多研究者致力于硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池研究，為我們提供了很有價值的參考依據(jù)。然而，硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池的效率通常低于常

2、規(guī)工藝生產(chǎn)的電池。研究人員認(rèn)為一方面由于高體表比會導(dǎo)致高表面復(fù)合；另一方面，最新研究結(jié)果表明除了表面復(fù)合，近表面俄歇復(fù)合在限制光生載流子收集及硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池效率上同樣起到很重要的作用。俄歇復(fù)合來源于擴散過程在硅納米結(jié)構(gòu)表面形成的重摻雜區(qū)域。在重摻雜的硅納米結(jié)構(gòu)中，與表面復(fù)合相比，這種近表面俄歇復(fù)合占據(jù)了主導(dǎo)地位。因此，電學(xué)性能的惡化抵消了光學(xué)性能提升的效果。要提高硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池的性能，首要任務(wù)就變成抑制載流子的復(fù)合。
　　

3、表面鈍化方式，例如，熱氧化，碳薄膜鈍化，以及氯離子處理，被用于提高硅納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。然而，這些鈍化方式只對硅納米結(jié)構(gòu)的表面復(fù)合起作用，對占據(jù)主導(dǎo)地位的俄歇復(fù)合的影響不大。為了減少硅納米線太陽電池近表面復(fù)合，同時維持其良好的陷光效果，我們在這里提出一種有效的介質(zhì)鈍化方式。我們通過 SiO2/SiNx疊層鈍化方式來抑制載流子的復(fù)合，這種鈍化方式通過減少重摻雜硅納米線的Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合和近表面俄歇復(fù)合從而

4、實現(xiàn)良好的鈍化效果。此外，我們詳細研究了不同鈍化方式和硅納米線長度對有效少數(shù)載流子壽命，反射，載流子復(fù)合特性以及電池性能的影響。最終，我們在125×125mm2尺寸單晶硅片上按照常規(guī)工藝生產(chǎn)過程得到了轉(zhuǎn)換效率為17.11％的硅納米線太陽電池，這在2013年是當(dāng)時在大面積硅片上制備的效率最高的硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池。
　　為了抑制硅納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)損失，除了通過鈍化層來飽和表面缺陷和懸掛鍵外，還可以采用輕摻雜來減少俄歇復(fù)合和通過調(diào)控硅納米

5、結(jié)構(gòu)形貌來實現(xiàn)。在這三種方法中，調(diào)控硅納米結(jié)構(gòu)形貌，包括調(diào)控主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)（填充因子，周期，直徑等），不僅是跟目前生產(chǎn)過程相適應(yīng)的一種，同時還是調(diào)控光吸收和表面積增加因子AF/A（與表面復(fù)合和俄歇復(fù)合相關(guān)）的簡單方法。因此，我們提出一種簡單而有效的Ag輔助化學(xué)刻蝕和堿修飾方法，來調(diào)控硅納米結(jié)構(gòu)的表面形貌和表面積增加因子AF/A，可以實現(xiàn)硅納米結(jié)構(gòu)的直徑和深度從幾十納米變化到幾百納米，從而在硅納米結(jié)構(gòu)多晶硅太陽電池上同時實現(xiàn)良好的光學(xué)和電

6、學(xué)特性。我們詳細研究了反射，載流子復(fù)合以及電池性能隨表面增加因子 AF/A的變化。通過對這些因素的定量分析，我們成功制備了比常規(guī)電池片效率高的硅納米結(jié)構(gòu)多晶硅太陽電池，其反射率為4.93%，表面復(fù)合速率為6.59m/s，在156×156mm2大尺寸硅片上的認(rèn)證效率為17.75%（TüV公司認(rèn)證，認(rèn)證號為 No.15067482.001），比常規(guī)酸制絨電池效率高了近0.3%。
　　此外，我們也比較了硅納米線結(jié)構(gòu)和硅納米孔結(jié)構(gòu)太陽電池

7、的光學(xué)和電學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)在相同表面積增加因子 AF/A的情況下，硅納米孔結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能更好；在相同反射率的情況下，硅納米孔結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能更好。同時實驗表明在制備電池過程中，硅納米線結(jié)構(gòu)會受到部分破壞。最后電池性能結(jié)果表明，相比硅納米線太陽電池，硅納米孔結(jié)構(gòu)電池性能更佳。
　　由于硅納米結(jié)構(gòu)制備及硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池的制備過程都是在目前的生產(chǎn)過程中完成，我們的工作表明存在大規(guī)模生產(chǎn)高效硅納米結(jié)構(gòu)太陽電池的可能。
　　以上研究得到國