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硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池物理與器件在分析當(dāng)今高效晶體硅太陽電池技術(shù)的基礎(chǔ)上引出硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池，是一本全面反映硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池研究和技術(shù)進(jìn)展的著作。硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池物理與器件首先簡要介紹了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本知識(shí)和異質(zhì)結(jié)太陽電池的表征與測(cè)試手段，然后系統(tǒng)闡述了非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制造工藝與技術(shù)、涉及的基本物理問題和模擬研究情況，最后綜述了新型無機(jī)物硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究進(jìn)展。

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第 1章緒論 ——高效晶體硅和異質(zhì)結(jié)太陽電池
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素，能源安全事關(guān)經(jīng)濟(jì)安全和國家安全 [1]。目前，世界能源供應(yīng)主要依賴石油、煤炭、天然氣等化石燃料。隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源消費(fèi)不斷增長，而可供人類利用的這類化石能源的儲(chǔ)量卻越來越少。另一方面，這些傳統(tǒng)的化石能源在使用過程中所產(chǎn)生的廢棄物，如 CO2、SO2、NOx、塵埃等，對(duì)環(huán)境的污染和排放溫室氣體引起的氣候變化，給人類社會(huì)的生存和發(fā)展帶來越來越嚴(yán)重的危害。為應(yīng)對(duì)化石能源的不可再生性和對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，必須逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，限制化石能源消費(fèi)，推動(dòng)節(jié)能和替代能源發(fā)展，大力開發(fā)可再生的、對(duì)環(huán)境友好的新能源。世界各國把水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、潮汐能等各種低碳和無碳的新能源作為今后的發(fā)展方向 [1]。其中太陽能無處不有、應(yīng)用地域廣闊，清潔安全無污染，是十分理想的可再生能源，因此特別受到人們的重視，世界各國都在加大對(duì)太陽能的開發(fā)利用。
1.1 太陽和太陽能
太陽是太陽系的中心天體，是距離地球昀近的恒星。太陽的直徑約為 1.39×106 km，是地球直徑的 109倍；太陽的體積約為 1.412×1018 km3，是地球體積的 130萬倍；太陽的質(zhì)量約為 1.989×1027 t，是地球質(zhì)量的 33萬倍。從化學(xué)組成來看，太陽質(zhì)量的 80%是氫， 19%是氦。太陽的表面溫度約為 5700 K，而中心溫度約為 1.5×107 K，壓強(qiáng)約為 2000多億個(gè)大氣壓。
太陽內(nèi)部處于高溫、高壓狀態(tài)，不斷地進(jìn)行由氫聚變成氦的熱核反應(yīng)，因而每時(shí)每刻都在穩(wěn)定地向宇宙空間輻射能量，太陽的總輻射功率約為 3.8×1026 J·s.1。在地球大氣層之外，地球—太陽平均距離處 (約為 1.5億千米 )，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射功率基本為一個(gè)常數(shù)。這個(gè)輻射強(qiáng)度稱為太陽常數(shù) (solar constant)，相當(dāng)于大氣質(zhì)量為零 (AM0)時(shí)的輻射，世界氣象組織 1981年推薦的太陽常數(shù)值為 (1367±7) W·m.2。太陽能到達(dá)地球的總輻射能量應(yīng)該是太陽常數(shù)與地球表面投影面積的乘積，經(jīng)推算約為 1.73×1017 J·s.1，約為太陽輻射能量的 22億分之一。
陽光穿過大氣層時(shí)至少衰減了 30%，只有約 70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達(dá)地球表面。到達(dá)地球表面的太陽光一部分被表面物體所吸收，另一部分又被反射回大氣層。由于地球表面大部分被海洋覆蓋，到達(dá)陸地表面的太陽能僅占到達(dá)地球范圍內(nèi)太陽輻射能的約 10%，即達(dá)到陸地表面的能量大約只有 1.7×1016 J·s.1，即使是這個(gè)能量也相當(dāng)于全球一年內(nèi)消耗總能量的 3.5萬倍。因此太陽提供給地球的能量是巨大無比的。
太陽能是極具潛力的新能源，與石油、煤及核能相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①太陽能取之不盡，用之不竭，屬可再生能源；②太陽能發(fā)電不使用燃料，不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，對(duì)環(huán)境無不良影響，屬清潔能源；③太陽能沒有地域和資源的限制，有陽光的地方就有太陽能，使用方便安全。因此，太陽能的研究和利用是人類未來能源發(fā)展的主要方向之一。
太陽能能量的轉(zhuǎn)化方式主要分為光化學(xué)轉(zhuǎn)化、太陽能光熱轉(zhuǎn)化和太陽能發(fā)電三種。光化學(xué)轉(zhuǎn)化是指在陽光的照射下，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)、生物反應(yīng)，從而將太陽能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。昀常見的植物光合作用，是在植物葉綠素的作用下，二氧化碳和水在光照下發(fā)生反應(yīng)，生成碳水化合物和氧氣，從而完成太陽能的轉(zhuǎn)換。太陽能光熱轉(zhuǎn)化是指通過反射、吸收等收集太陽能輻射能，使之轉(zhuǎn)化成熱能，如在生活中廣泛應(yīng)用的太陽能熱水器、太陽能水泵、太陽能溫室、太陽能灶等。太陽能發(fā)電主要包括光熱發(fā)電 (solar thermal power，STP)和光伏發(fā)電 (photovoltaic，PV)兩種。太陽能光熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電 (concentrating solar power，CSP)，它是通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽直射光聚集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸氣，蒸氣驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電只有接受較高的直接輻射，太陽能才會(huì)有價(jià)值，受地域限制。而光伏發(fā)電是利用光電轉(zhuǎn)換器件將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能，它可用在地球上任何有陽光的地方，不受地域的限制。
1.2 太陽電池
用于光電轉(zhuǎn)換的器件是太陽電池及其組件等光伏產(chǎn)品。太陽電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。 1839年法國的 Becquerel首先發(fā)現(xiàn)了液體電解液中的光電效應(yīng)。之后人們發(fā)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體 p-n結(jié)上也存在光伏效應(yīng)。直到 1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Chapin等[2]研制出世界上第一塊真正意義上的硅 p-n結(jié)太陽電池，效率為 6%，經(jīng)過改進(jìn)后達(dá)到 10%，從而拉開了現(xiàn)代太陽能光伏的研發(fā)和利用的序幕。 20世紀(jì) 70年代以前，太陽電池主要用于太空衛(wèi)星和航天器上，至今人類發(fā)射的航天器絕大多數(shù)是用光伏發(fā)電作為動(dòng)力的，光伏電源為航天事業(yè)做出了重要的貢獻(xiàn)。 20世紀(jì) 70年代以后，由于技術(shù)的進(jìn)步，太陽電池的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面不斷改進(jìn)，生產(chǎn)成本不斷降低，開始在地面應(yīng)用，光伏發(fā)電逐步推廣到很多領(lǐng)域。20世紀(jì) 90年代，由于太陽電池成本的持續(xù)降低，太陽電池實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽能電站成為可能并在全世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)展。美國、歐洲、日本等先后制定了各種太陽能發(fā)展計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)扶持政策，促進(jìn)了太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。進(jìn)入 21世紀(jì)，全球光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，中國在 2007年成為全球昀大的太陽電池和組件生產(chǎn)國。到 2012年全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 100 GWp[3]，2013年中國安裝光伏組件達(dá) 12 GWp以上，成為全球昀大的安裝應(yīng)用市場(chǎng)。
迄今為止，人們已研制了 100多種太陽電池，分無機(jī)太陽電池和有機(jī)太陽電池。而無機(jī)太陽電池按基體材料分類，一般分為晶體硅 (c-Si)太陽電池和薄膜太陽電池。晶體硅太陽電池包括單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池，薄膜太陽電池可分為硅基薄膜太陽電池、化合物薄膜太陽電池等。圖 1-1為無機(jī)太陽電池的分類圖。

圖 1-1 無機(jī)太陽電池的分類
到目前為止，太陽能光伏工業(yè)仍然是建立在硅材料的基礎(chǔ)上，晶體硅太陽電池已經(jīng)成為當(dāng)今光伏工業(yè)的主流，市場(chǎng)上 80%以上的太陽電池是晶體硅太陽電池。盡管被稱為 “第二代光伏器件 ”的薄膜太陽電池也取得了長足的進(jìn)展，但在短期內(nèi)仍然無法替代晶體硅太陽電池。在晶體硅太陽電池中，單晶硅太陽電池是昀早被研究和使用的，至今它仍然是太陽電池的主要品種。多晶硅太陽電池的制造成本相比單晶硅太陽電池而言更具優(yōu)勢(shì)，因此其所占市場(chǎng)份額反而超過了單晶硅太陽電池。目前，在實(shí)驗(yàn)室中，單晶硅太陽電池的昀高轉(zhuǎn)換效率是 24.7%(后修正為 25%，電池面積 4 cm2)[4]，多晶硅太陽電池的昀高轉(zhuǎn)換效率是 20.3%(電池面積 1 cm2 )[5]。在工業(yè)化生產(chǎn)中，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率普遍比多晶硅太陽電池高出 1.5%～2%，因此基于晶體硅的高效太陽電池技術(shù)主要還是以單晶硅太陽電池為主。

1.3 晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)
為方便后面的討論，首先分析晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝。
以 p型晶體硅太陽電池為例，常規(guī)晶體硅太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2所示。它是以 p型硅片為基體，在上表面形成一個(gè) n+層，構(gòu)成一個(gè) n+/p型結(jié)構(gòu)，然后在上表面覆蓋一層減反射膜，再在頂區(qū)引入前電極；在背面制作背場(chǎng)和背電極。
常規(guī)晶體硅太陽電池的制作工序包括：
(1)清洗制絨。通過腐蝕去除表面損傷層，并在表面進(jìn)行制絨，以形成絨面結(jié)構(gòu)達(dá)到陷光效果，減少反射損失。

(2)擴(kuò)散制結(jié)。通過熱擴(kuò)散等方法在硅片上形成不同導(dǎo)電類型的擴(kuò)散層，以形成 p-n結(jié)。

(3)刻蝕去邊。去除擴(kuò)散后硅片周邊的邊緣結(jié)。

(4)去磷硅玻璃。擴(kuò)散過程中，硅片表面會(huì)形成一層含磷的氧化硅，稱為磷硅玻璃(PSG)，需要用氫氟酸腐蝕掉。

(5)鍍減反射膜。為進(jìn)一步提高對(duì)光的吸收，在硅片表面覆蓋一層減反射膜。目前工業(yè)上用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)方法在硅片上沉積一層 SiNx薄膜，這層薄膜同時(shí)起到鈍化層的作用。

(6) 制作電極。在電池的正面絲網(wǎng)印刷柵線電極，在背面印刷背場(chǎng) (back surface field，BSF)和背電極，并進(jìn)行干燥和燒結(jié)。

(7)電池測(cè)試及分選。

圖 1-2 常規(guī)晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 晶體硅太陽電池的效率分析
Shockley等[6]昀先計(jì)算得到單結(jié)晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率極限值是 31%。而目前晶體硅電池的昀高效率是 24.7%，與理論極限仍有一定差距。圖 1-3是電池受光照后，光生載流子的產(chǎn)生、能量變化及其輸運(yùn)過程示意圖。

圖 1-3 太陽電池工作示意圖
在圖 1-3中將光照射太陽電池后的能量損失分解成如下幾部分：
①太陽電池受光照后，能量小于禁帶寬度的光子不能被吸收，直接穿過電池而透射出去。

②能量大于禁帶寬度的光子被吸收后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子和空穴分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，處于高能態(tài)的光生載流子很快與晶格相互作用，將能量交給聲子而回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂。這一過程稱為熱化過程(thermalization)，熱化過程使高能光子的能量損失一部分。

③光生載流子的電荷分離和輸運(yùn)，在 p-n結(jié)內(nèi)的損失。

④光生載流子輸運(yùn)過程中的復(fù)合損失。

⑤電壓的輸出又有一壓降，引起接觸電壓損失。

以上的各種能量損失分析表明，太陽電池效率受材料、器件結(jié)構(gòu)及制備工藝的影響，包括電池的光損失、材料的有限遷移率、復(fù)合損失、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻損失等。一般分為光學(xué)損失和電學(xué)損失，迄今為止提高電池效率的所有努力都集中在把光學(xué)損失和電學(xué)損失降低到昀小。因此，晶體硅電池的結(jié)構(gòu)與工藝改進(jìn)對(duì)提高效率是至關(guān)重要的。
為減少光學(xué)損失以提高電池效率，發(fā)展了各種陷光理論及技術(shù)，包括硅片的表面織構(gòu)化技術(shù)以減少反射、前表面減反射涂層技術(shù)、后表面反射涂層技術(shù)和昀小的柵線遮擋面積等技術(shù)。硅表面反射率～ 35%，減少光的反射損失是提高電池效率的昀重要措施之一。
為減少電學(xué)損失以提高電池效率，從以下方面著手：①選用良好晶體結(jié)構(gòu) (高純度、少缺陷 )的硅片和類型 (如 n型)；②發(fā)展理想的 p-n結(jié)形成技術(shù) (如離子注入 )；
③開發(fā)理想的鈍化技術(shù)，使器件表面或體內(nèi)晶界的光生載流子復(fù)合中心失去復(fù)合活性，如 SiO2、SiNx、SiC、非晶硅 (a-Si)和 H2鈍化等技術(shù)；④采用合理的金屬接觸技術(shù)，以使電池的串聯(lián)電阻昀小，并聯(lián)電阻昀大；⑤昀佳的前場(chǎng)和背場(chǎng)技術(shù)。
歸納高效太陽電池主要技術(shù)因素，可以用圖 1-4表示。

圖 1-4 高效太陽電池主要技術(shù)因素
太陽電池的主要技術(shù)參數(shù)有短路電流 (Isc)、開路電壓 (Voc)和填充因子 (FF)，這三個(gè)參數(shù)與電池材料、幾何結(jié)構(gòu)和制備工藝密切相關(guān)。所有的高效晶體硅太陽電池技術(shù)，都是圍繞如何獲得較高的 Isc、Voc和 FF而展開的。

1.5 高效晶體硅太陽電池介紹
正如前面所述，目前開展的高效晶體硅太陽電池技術(shù)主要是針對(duì)單晶硅電池，下面介紹一些有產(chǎn)業(yè)化前景或工業(yè)上已經(jīng)量產(chǎn)的高效太陽電池技術(shù)。
1.5.1鈍化發(fā)射極太陽電池
近年來，晶體硅太陽電池的一個(gè)重要進(jìn)展來自于表面鈍化技術(shù)水平的提高。澳大利亞新南威爾士大學(xué)采用鈍化技術(shù)，在高效太陽電池的研究方面取得了卓越的成就。

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