怎样维持晶硅太阳能电池的霸主地位

太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源,太阳电池通过利用光伏效应可将太阳辐射能直接转变为电能,其应用技术成熟,安全可靠,受到各国广泛重视。晶体硅太阳电池由于原材料丰富,工艺技术成熟,已一统天下十几载,占据着太阳电池市场的优势地位,被广泛应用到地面电站、建筑光伏等领域。如美国苹果公司的总部大楼就大量融入了晶体硅太阳能电池面板(图1),不仅每年可提供苹果公司约7个月的工作用电,还烘托出建筑所具有的独特科技美感。

叉指背接触(Interdigitated Back Contact,IBC)晶硅太阳电池作为一种高效太阳电池,其转换效率达25.2%,接近单晶太阳电池极限效率26.2%。该电池是基于正负金属电极交叉排列在电池背面的叉指背接触(Interdigitated Back Contact,IBC)结构,不仅有效避免了电极造成的遮光损失,提高了电池转换效率,同时由于电池正面无金属栅线,给人独特的美感,是下一代晶体硅太阳电池的重要的发展方向。

但是,IBC电池对背部掺杂和电极以及对应的界面特性和场效应非常敏感,合适的发射区掺杂分布和优异的背表面钝化有助于提升IBC电池性能,提高电池转换效率,因此,IBC晶硅太阳电池研究的重点在于优化背面掺杂区和金属电极图形结构、调控界面特性以及降低生产成本。

针对此问题,中国科学院上海高等研究院李东栋研究员课题组提出了利用数值计算方法对IBC晶硅太阳电池的结构参数进行优化研究,他们着重研究了电池器件中的多种能量损失途径,系统分析了硅片厚度,电池背面发射区、隔离区和背表面场的面积比以及发射区金属接触的分布和线宽对电池性能的影响,为IBC高效电池的制备提供参考借鉴意义。具体研究成果发表在《激光与光电子学进展》第八期

实验中采用的太阳电池结构如图2所示。该实验通过对电池内部自由能损失的类型和程度进行定量分析,阐明了复合损失、电阻损失等能量损失对电池性能的影响,发现其中体电阻损失和接触复合损失在电池总损失中占比较大,为高效晶硅太阳电池的设计和制备提供有益的参考。

图2 (a)IBC电池一个周期的三维结构示意图(b)Si衬底与背面钝化层之间界面的剖面图

研究人员表示,继续减小金属/介质的接触面积有助于进一步提高电池转换效率,因此后续研究将着重于在电池背面采用点状掺杂与点状电极接触的方式来降低接触复合损失,以期获得更高的效率。

论文信息:胡凡,曹双迎,殷敏,陈小源,李东栋. 叉指背接触晶硅太阳电池背面掺杂区和金属电极图形结构的优化[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(8): 080401