第 1章绪论 ——高效晶体硅和异质结太阳电池
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，也是经济社会发展的重要制约因素，能源安全事关经济安全和国家安全 [1]。目前，世界能源供应主要依赖石油、煤炭、天然气等化石燃料。随着社会的进步和经济的发展，全球能源消费不断增长，而可供人类利用的这类化石能源的储量却越来越少。另一方面，这些传统的化石能源在使用过程中所产生的废弃物，如 CO2、SO2、NOx、尘埃等，对环境的污染和排放温室气体引起的气候变化，给人类社会的生存和发展带来越来越严重的危害。为应对化石能源的不可再生性和对环境的严重污染，必须逐步改变能源消费结构，限制化石能源消费，推动节能和替代能源发展，大力开发可再生的、对环境友好的新能源。世界各国把水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能等各种低碳和无碳的新能源作为今后的发展方向 [1]。其中太阳能无处不有、应用地域广阔，清洁安全无污染，是十分理想的可再生能源，因此特别受到人们的重视，世界各国都在加大对太阳能的开发利用。
1.1 太阳和太阳能
太阳是太阳系的中心天体，是距离地球昀近的恒星。太阳的直径约为 1.39×106 km，是地球直径的 109倍；太阳的体积约为 1.412×1018 km3，是地球体积的 130万倍；太阳的质量约为 1.989×1027 t，是地球质量的 33万倍。从化学组成来看，太阳质量的 80%是氢， 19%是氦。太阳的表面温度约为 5700 K，而中心温度约为 1.5×107 K，压强约为 2000多亿个大气压。
太阳内部处于高温、高压状态，不断地进行由氢聚变成氦的热核反应，因而每时每刻都在稳定地向宇宙空间辐射能量，太阳的总辐射功率约为 3.8×1026 J·s.1。在地球大气层之外，地球—太阳平均距离处 (约为 1.5亿千米 )，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射功率基本为一个常数。这个辐射强度称为太阳常数 (solar constant)，相当于大气质量为零 (AM0)时的辐射，世界气象组织 1981年推荐的太阳常数值为 (1367±7) W·m.2。太阳能到达地球的总辐射能量应该是太阳常数与地球表面投影面积的乘积，经推算约为 1.73×1017 J·s.1，约为太阳辐射能量的 22亿分之一。
阳光穿过大气层时至少衰减了 30%，只有约 70%的光线能透过大气层，以直射光或散射光到达地球表面。到达地球表面的太阳光一部分被表面物体所吸收，另一部分又被反射回大气层。由于地球表面大部分被海洋覆盖，到达陆地表面的太阳能仅占到达地球范围内太阳辐射能的约 10%，即达到陆地表面的能量大约只有 1.7×1016 J·s.1，即使是这个能量也相当于全球一年内消耗总能量的 3.5万倍。因此太阳提供给地球的能量是巨大无比的。
太阳能是极具潜力的新能源，与石油、煤及核能相比，它具有独特的优点：①太阳能取之不尽，用之不竭，属可再生能源；②太阳能发电不使用燃料，不会产生废弃物，对环境无不良影响，属清洁能源；③太阳能没有地域和资源的限制，有阳光的地方就有太阳能，使用方便安全。因此，太阳能的研究和利用是人类未来能源发展的主要方向之一。
太阳能能量的转化方式主要分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能发电三种。光化学转化是指在阳光的照射下，物质发生化学、生物反应，从而将太阳能转化成其他形式的能量。昀常见的植物光合作用，是在植物叶绿素的作用下，二氧化碳和水在光照下发生反应，生成碳水化合物和氧气，从而完成太阳能的转换。太阳能光热转化是指通过反射、吸收等收集太阳能辐射能，使之转化成热能，如在生活中广泛应用的太阳能热水器、太阳能水泵、太阳能温室、太阳能灶等。太阳能发电主要包括光热发电 (solar thermal power，STP)和光伏发电 (photovoltaic，PV)两种。太阳能光热发电，也叫聚焦型太阳能热发电 (concentrating solar power，CSP)，它是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸气，蒸气驱动汽轮机发电。光热发电只有接受较高的直接辐射，太阳能才会有价值，受地域限制。而光伏发电是利用光电转换器件将太阳能直接转化成电能，它可用在地球上任何有阳光的地方，不受地域的限制。
1.2 太阳电池
用于光电转换的器件是太阳电池及其组件等光伏产品。太阳电池的工作原理是基于光生伏特效应。 1839年法国的 Becquerel首先发现了液体电解液中的光电效应。之后人们发现金属-半导体结和半导体 p-n结上也存在光伏效应。直到 1954年美国贝尔实验室的 Chapin等[2]研制出世界上第一块真正意义上的硅 p-n结太阳电池，效率为 6%，经过改进后达到 10%，从而拉开了现代太阳能光伏的研发和利用的序幕。 20世纪 70年代以前，太阳电池主要用于太空卫星和航天器上，至今人类发射的航天器绝大多数是用光伏发电作为动力的，光伏电源为航天事业做出了重要的贡献。 20世纪 70年代以后，由于技术的进步，太阳电池的材料、结构、制造工艺等方面不断改进，生产成本不断降低，开始在地面应用，光伏发电逐步推广到很多领域。20世纪 90年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实行并网发电，建立太阳能电站成为可能并在全世界范围内逐渐发展。美国、欧洲、日本等先后制定了各种太阳能发展计划和产业扶持政策，促进了太阳能光伏产业的发展。进入 21世纪，全球光伏发电迅猛发展，中国在 2007年成为全球昀大的太阳电池和组件生产国。到 2012年全球光伏累计装机容量达到 100 GWp[3]，2013年中国安装光伏组件达 12 GWp以上，成为全球昀大的安装应用市场。
迄今为止，人们已研制了 100多种太阳电池，分无机太阳电池和有机太阳电池。而无机太阳电池按基体材料分类，一般分为晶体硅 (c-Si)太阳电池和薄膜太阳电池。晶体硅太阳电池包括单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，薄膜太阳电池可分为硅基薄膜太阳电池、化合物薄膜太阳电池等。图 1-1为无机太阳电池的分类图。
图 1-1 无机太阳电池的分类
到目前为止，太阳能光伏工业仍然是建立在硅材料的基础上，晶体硅太阳电池已经成为当今光伏工业的主流，市场上 80%以上的太阳电池是晶体硅太阳电池。尽管被称为 “第二代光伏器件 ”的薄膜太阳电池也取得了长足的进展，但在短期内仍然无法替代晶体硅太阳电池。在晶体硅太阳电池中，单晶硅太阳电池是昀早被研究和使用的，至今它仍然是太阳电池的主要品种。多晶硅太阳电池的制造成本相比单晶硅太阳电池而言更具优势，因此其所占市场份额反而超过了单晶硅太阳电池。目前，在实验室中，单晶硅太阳电池的昀高转换效率是 24.7%(后修正为 25%，电池面积 4 cm2)[4]，多晶硅太阳电池的昀高转换效率是 20.3%(电池面积 1 cm2 )[5]。在工业化生产中，单晶硅太阳电池的转换效率普遍比多晶硅太阳电池高出 1.5%～2%，因此基于晶体硅的高效太阳电池技术主要还是以单晶硅太阳电池为主。
1.3 晶体硅太阳电池的结构
为方便后面的讨论，首先分析晶体硅太阳电池的结构和制造工艺。
以 p型晶体硅太阳电池为例，常规晶体硅太阳电池的结构示意图如图 1-2所示。它是以 p型硅片为基体，在上表面形成一个 n+层，构成一个 n+/p型结构，然后在上表面覆盖一层减反射膜，再在顶区引入前电极；在背面制作背场和背电极。
常规晶体硅太阳电池的制作工序包括：
(1)清洗制绒。通过腐蚀去除表面损伤层，并在表面进行制绒，以形成绒面结构达到陷光效果，减少反射损失。
(2)扩散制结。通过热扩散等方法在硅片上形成不同导电类型的扩散层，以形成 p-n结。
(3)刻蚀去边。去除扩散后硅片周边的边缘结。
(4)去磷硅玻璃。扩散过程中，硅片表面会形成一层含磷的氧化硅，称为磷硅玻璃(PSG)，需要用氢氟酸腐蚀掉。
(5)镀减反射膜。为进一步提高对光的吸收，在硅片表面覆盖一层减反射膜。目前工业上用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)方法在硅片上沉积一层 SiNx薄膜，这层薄膜同时起到钝化层的作用。
(6) 制作电极。在电池的正面丝网印刷栅线电极，在背面印刷背场 (back surface field，BSF)和背电极，并进行干燥和烧结。
(7)电池测试及分选。
图 1-2 常规晶体硅太阳电池结构示意图
1.4 晶体硅太阳电池的效率分析
Shockley等[6]昀先计算得到单结晶体硅太阳电池的转换效率极限值是 31%。而目前晶体硅电池的昀高效率是 24.7%，与理论极限仍有一定差距。图 1-3是电池受光照后，光生载流子的产生、能量变化及其输运过程示意图。
图 1-3 太阳电池工作示意图
在图 1-3中将光照射太阳电池后的能量损失分解成如下几部分：
①太阳电池受光照后，能量小于禁带宽度的光子不能被吸收，直接穿过电池而透射出去。
②能量大于禁带宽度的光子被吸收后产生电子-空穴对，电子和空穴分别被激发到导带和价带的高能态，处于高能态的光生载流子很快与晶格相互作用，将能量交给声子而回落到导带底和价带顶。这一过程称为热化过程(thermalization)，热化过程使高能光子的能量损失一部分。
③光生载流子的电荷分离和输运，在 p-n结内的损失。
④光生载流子输运过程中的复合损失。
⑤电压的输出又有一压降，引起接触电压损失。
以上的各种能量损失分析表明，太阳电池效率受材料、器件结构及制备工艺的影响，包括电池的光损失、材料的有限迁移率、复合损失、串联电阻和并联电阻损失等。一般分为光学损失和电学损失，迄今为止提高电池效率的所有努力都集中在把光学损失和电学损失降低到昀小。因此，晶体硅电池的结构与工艺改进对提高效率是至关重要的。
为减少光学损失以提高电池效率，发展了各种陷光理论及技术，包括硅片的表面织构化技术以减少反射、前表面减反射涂层技术、后表面反射涂层技术和昀小的栅线遮挡面积等技术。硅表面反射率～ 35%，减少光的反射损失是提高电池效率的昀重要措施之一。
为减少电学损失以提高电池效率，从以下方面着手：①选用良好晶体结构 (高纯度、少缺陷 )的硅片和类型 (如 n型)；②发展理想的 p-n结形成技术 (如离子注入 )；
③开发理想的钝化技术，使器件表面或体内晶界的光生载流子复合中心失去复合活性，如 SiO2、SiNx、SiC、非晶硅 (a-Si)和 H2钝化等技术；④采用合理的金属接触技术，以使电池的串联电阻昀小，并联电阻昀大；⑤昀佳的前场和背场技术。
归纳高效太阳电池主要技术因素，可以用图 1-4表示。
图 1-4 高效太阳电池主要技术因素
太阳电池的主要技术参数有短路电流 (Isc)、开路电压 (Voc)和填充因子 (FF)，这三个参数与电池材料、几何结构和制备工艺密切相关。所有的高效晶体硅太阳电池技术，都是围绕如何获得较高的 Isc、Voc和 FF而展开的。
1.5 高效晶体硅太阳电池介绍
正如前面所述，目前开展的高效晶体硅太阳电池技术主要是针对单晶硅电池，下面介绍一些有产业化前景或工业上已经量产的高效太阳电池技术。
1.5.1钝化发射极太阳电池
近年来，晶体硅太阳电池的一个重要进展来自于表面钝化技术水平的提高。澳大利亚新南威尔士大学采用钝化技术，在高效太阳电池的研究方面取得了卓越的成就。
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