提高薄膜太陽能電池的效率方法有哪些？

降低硅太陽能電池成本的方法之一是盡量減少高質(zhì)量硅材料的使用量，如薄膜太陽能電池。不過這種太陽能電池的效率只達(dá)到了約11-12%。研究人員們正在尋求提升其效率的方法。最近取得突破的技術(shù)有通過干法絨面優(yōu)化上表面的結(jié)構(gòu)和在外延層/襯底界面處插入一個(gè)中間多孔硅反射鏡。采用這兩種方式可將太陽能電池的效率提升到約14%。

兩種提升效率的技術(shù)

與基于體硅的太陽能電池相比，外延薄膜太陽能電池比較便宜。但現(xiàn)在外延薄膜太陽能電池的主要缺點(diǎn)是它們的效率相對(duì)較低。已有兩種技術(shù)表明能提高薄膜太陽能電池的效率。一是利用鹵素原子等離子加工，優(yōu)化上表面結(jié)構(gòu)，另一種技術(shù)是在外延層/襯底界面處引入中間反射鏡。優(yōu)化的上表面結(jié)構(gòu)兼有滿足均勻光散射（朗伯折射，LamberTIanrefracTIon）的要求和通過微量減除硅來降低反射（因?yàn)橥庋庸鑼右严喈?dāng)薄）兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。引入中間反射鏡（多重布拉格反射鏡）將低能光子的路徑長(zhǎng)度至少延長(zhǎng)了7倍，最終大大提高了太陽能電池的效率。

低成本太陽能電池



基于單晶或多晶體硅基底的硅太陽能電池是光伏市場(chǎng)的主體。但若全部用高純硅制作，生產(chǎn)這種太陽能電池非常耗能，并且比較昂貴。為進(jìn)一步推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)通過降低材料成本來大力減少太陽能電池的生產(chǎn)成本。

外延薄膜硅太陽能電池具有成為體硅太陽能電池的低成本替代方案的潛力。與當(dāng)前的體硅太陽能電池（200μm）相比，這種絲網(wǎng)印刷太陽能電池采用的襯底較便宜和有源硅層較薄（20μm）。這種低成本襯底包括高摻雜的晶體硅晶圓（用冶金級(jí)硅或廢料加工的純凈硅）。用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在這種襯底上沉積一層外延有源硅薄層。

產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力

外延薄膜硅太陽能電池的生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)的體硅太陽能電池非常相似。因此，與其它薄膜技術(shù)相比，在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)外延薄膜硅太陽能生產(chǎn)相對(duì)容易。不過，外延薄膜硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要不足之處在于，比起傳統(tǒng)的體硅太陽能電池，薄膜硅太陽能電池的效率較低：這些電池的開路電壓和填充因數(shù)可以達(dá)到與體硅太陽能電池相近的水平，但由于存在光學(xué)活性薄層（與體硅厚度200μm相比，薄膜硅的活性層厚度僅20μm），光從外延層傳輸?shù)揭r底時(shí)，襯底質(zhì)量較差引起光損失，短路電流損失，最多可高達(dá)7mA/cm2。

挑戰(zhàn)在于如何在效率和成本之間獲得完美的平衡，還須考慮大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本文介紹兩種可延長(zhǎng)光學(xué)路徑長(zhǎng)度并因此提高外延薄膜硅太陽能電池效率的技術(shù)：等離子絨面和在低成本硅襯底與活性層的界面處插入多孔硅反射鏡。結(jié)果表明，這些措施可將外延薄膜硅太陽能電池的效率提高至14%左右。

上表面等離子絨面



通過處理太陽能電池活性層的上表面，表面光散射發(fā)生變化，從而影響太陽能電池的性能。目的是形成最理想的上表面，100%漫反射（朗伯折射，表現(xiàn)出全散射）。此時(shí)光子平均以60°的角度穿過活性層，使得傳播路徑長(zhǎng)度增大兩倍。也就是說，僅20μm厚的活性層的光學(xué)表現(xiàn)為40μm厚。