HIT电池工作原理2

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1、HIT 电池工作原理太阳能以其独具的优势，其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源 短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。HIT 电池由日本Sanyo 公司于 1990 年提出，目前已达到 23.7%的最高效率。 HIT 太阳能电池， 即含有本征薄层 的异质节太阳能电池， 属于硅薄膜太阳能电池的一种。 本文详细论述 HIT 太阳能 电池的各部分构成、相关原理及其制作。关键词：HIT 电池；缓冲层； PECVD ；能带理论1. 人类面临的能源问题能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着不可再生资源日益减少， 光伏发电逐渐受到人们的重视。 太阳能以其独具的优势， 其开发利用是最终解决常规

2、能源特别是化石能源短 缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。 太阳能的 优势有：储量的“无限性”。存在的普遍性。利用的清洁性。利用的经 济性。关于太阳能的利用，基本分为太阳能热能工程和太阳能光伏工程两大类。 100 多年前科学家就开始了对光伏发电技术的研究。1839 年法国物理学家 A.E. 贝克勒尔意外地发现， 用两片金属浸入溶液构成的伏特电池，光照时会产生 额外的电势，他把这种现象称为 “光生伏特效应” 。 1880 年 Charles Fritts 开 发出以硒为基础的光伏电池。以后人们即把能够产生光生伏特效应的器件称为 “光伏器件”。半导体 p-n结器件在阳光下

3、的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池”或“太阳能电池”(Solar Cell)1。太阳能电池的种类很多， 单晶硅太阳能电池、 多晶硅薄膜太阳能电池、 非晶 硅薄膜太阳能电池、 多元化合物薄膜太阳能电池、 聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池6。多年来各国科学家一直在努力研究低成本高效薄膜太阳电池技术， 1990年日本 Sonya 公司在非晶硅薄膜太阳电池的基础上提出了 a-Si/c-Si 异质结太阳电池，并称其为HIT(hetero-junction with intrinsic thin layer)电池。HIT 电池既利用了薄膜电池的制造工艺优势，又发挥了晶体 硅

4、和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效、低成本太阳电池的发展前景。2. 太阳能电池工作原理太阳能电池的基本工作原理如图 2-1 所示7。p-n 结两侧因多数载流子 （n+区中的电子和 p 区中的空穴）向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 W，建立自建电场iE。它对两边的多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散；但它对两边的少数载流子（n+区中的空穴和 p 区中的电子）却有牵引作用，能把 它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流，输出电 能。但是，当光伏电池受到太阳光的照射时，在光伏电池内部产生出大量处于非 平衡状态的电子 -空穴对，这些光生非平衡少数载流子 （即 n+区中的

5、非平衡空穴和 P 区中的非平衡电子）可以被内建电场iE牵引到对方区域，然后在光伏电池的 p-n 结中形成光生电场phE。 其中光生电场phE的方向与内建电场iE相反。当接通外电路，即可流出电流，有电能输出。太阳能电池工作原理示意图 2-1 等价电路图3.HIT 电池的构造及原理在太阳能电池家族中，单晶硅太阳能电池的转换效率很高，技术成熟。但是 由于其需要高温工艺和高质量的单晶硅作为衬底，使得电池的造价昂贵， 难以大 规模推广应用。 非晶硅薄膜太阳能电池运用等离子增强型化学气相淀积（PECVD ） 进行制备，其低温工艺过程使得廉价衬底的使用成为可能；同时极薄的非晶硅层 减少了原料的消耗，降低了电

6、池成本。但非晶硅太阳能电池的转换效率（10 % ） 远低于单晶硅太阳能电池， 光致衰退效应 （S-W 效应）的存在更使得电池的稳定 性差，效率损失严重， 这构成了非晶硅太阳能电池的致命缺陷。Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer (HIT)太阳能电池结合了单晶硅太阳能电池和非晶 硅太阳能电池的优势。 下图为 HIT 太阳能电池的结构示意图。 该电池在单晶硅衬底上依次淀积本征 非晶硅薄膜和掺杂非晶硅。不同的是 HIT 电池采用的是异质结结构。异质结定 义为用两种不同材料所组成的结。HIT 电池是以晶体硅作为衬底， 上面的非晶硅 薄膜作为发射极来构成 p-

7、n 异质结，将光能转换为电能输出。 HIT具体结构如下图所示， c-Si （n）为吸收层， 光学帯隙比较小， 大概1.2ev 左右， c-Si 的作用一是形成 p-n结，产生内建电场二是在光照条件下产生载流子 ( 作为吸收层），三是与背面a-Si 形成背电场。 a-Si （i ）层的作用是钝化 c-Si ， 减少载流子的复合从而增大电流。n+的a-Si 作为背电场，与 n 型的c-Si 形成 n-n+结构，形成 n+区指向 n 区的内建电场，相当于一个钝化场，极大地减小了 载流子的复合。 TCO 是透明导电氧化物，这一层作为电极。另外无论是a-si 层还 是TCO 层，其光学帯隙分别为 1.7

8、ev 和4.0ev 左右，比 c-si 帯隙大有利于更多的光到达c-si 层3。HIT太阳能电池结构示意图对于HIT电池， 一般都以 n-c-si作为吸收层。下图是 p 型和 n 型Si 衬底HIT 结构电池能带结构示意图。 非晶Si 和晶体 Si 的导带 EC 和价带带阶差 EV 分 别约为 0.15, 0.45 eV, 显然价带带阶更大。 对n 型Si 衬底HIT 电池, 前表面处较小的光学帯隙有利于多数载流子即电子的收集2， 而较大的价带带阶 , 形成少子空穴陷阱 , 势阱中空穴势垒较高 , 热发射概率小 , 有效地阻止了光产生空穴的传输。 背面薄本征 a-Si ： H 及n 型a-Si

9、 ： H 与n 型c-Si 形成有效的背表面场 ( BSF) , 其价带处较大的带阶及较厚的本征 层形成了空穴镜。而导带处较小的带阶差对电子的传输不构成阻碍。也就是说 a-Si ：H( i/ n) 提供了完美的多子输运的背接触及少子反射的反射镜。 对p 型衬底 HIT 电池, 前表面处 , 导带带阶小 , 少数载流子即电子受到较 小的阻滞 , 比在n 型衬底结构中更容易被收集, 因此内建电压比 n 型衬底的低很多。 在背面 , 导带带阶小 , 形成的反射镜作用弱得多。 另外, 价带处大的带阶 , 极大阻碍了多子即空穴的收集。可见, 理论上从带阶的比较中可以看出n 型Si 衬底HIT 电池性能更

10、为优越。 n 型Si 衬底还具有其他优势 , 一方面 n 型衬底Si 电池克服了 p 型Si 衬 底上电池的光致衰退现象, 另外n 型Si 材料中高效复合中心的密度远低于p型材 料; 电子具有更高的寿命及扩散长度; 高温稳定性也更好 ; n 型Si 电池的光电 转换效率更高。人们对 n 型Si 电池给予了相当大的期望。（a）p型si 衬（b）n型si 衬 N 型Si衬底和 p型Si衬底上 HIT结构太阳能电池的能带图4.HIT 电池的优势与制备HIT 太阳能电池利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) 法 ，即 PEC

11、VD 法制备而成。一方面实现了单晶 硅太阳能电池的高转换效率(22.3%) 另一方面其低温工艺也使得廉价衬底（如太 阳电池级硅）的使用成为可能，有效降低了成本。相对于传统晶硅电池，HIT 电 池具有明显的优势。 与传统晶硅电池相比它还具有优良的温度特性，同时可以获得很高的开路电压。概括起来，HIT 太阳能电池有以下显著优点4：(1) 低温工艺 HIT 太阳能电池结合了薄膜太阳能电池低温（200250）制造的优点，使得 a-Si:H 薄膜掺杂、禁带宽度和厚度得以较精确控制，工艺上易于优化器件特性； 而且低温工艺对硅衬底的热损伤较小，由此引起的少子寿命下降几乎可以忽略。 从而允许采用“低品质”的单

12、晶硅甚至多晶硅做衬底。 (2) 高效率 HIT 电池继承了单晶硅的高迁移率特点，独有的带本征薄层的异质结结构，在形 成 p-n 结的同时完成了对单晶硅表面的钝化，大大降低了异质结界面复合，提 高了电池效率。 (3) 高稳定性 HIT 电池的光照稳定性好 , 理论研究表明非晶硅薄膜/ 晶态硅异质结中的非晶硅 薄膜没有发现 Staebler-Wronski 效应, 从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转 换效率因光照而衰退的现象。 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) 法 ，即 PECVD 法，是众多的

13、制备非晶硅薄膜的工艺技术中研究最 为广泛和工业应用最成熟的制备方法，利用辉光放电的物理作用来激活化学气相 沉积反应。 PECVD 方法从根本上改变了反应体系的能量供给方式，源气体反应 所需的能量从由热能供给转由带电粒子动能供给。 等离子体能够使反应所需的温度降低， 这样可以阻止薄膜与衬底发生不必要 的扩散与化学反应， 也可以使薄膜或衬底材料的结构保持稳定，不会对薄膜的 性能产生劣化的影响，而且反应物的活性被大大提高了，这些具有高反应活性 的中性物质很容易被吸附到基体上沉积生成薄膜。PECVD 制备非晶硅成膜, 主要过程为 5: 首先 , 在非平衡等离子体中, 电子与Si4H发生初级反应 , 形

14、成 SiHm离子和活性基团 ; 其次, 活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运 , 同时发生各反应物之间的次级反应( 对于 PECVD 制备非晶硅薄 膜通常选用10-100 Pa, 电子能量小于10eV,因此次级反应的离化物比例较小); 最后, 初级和次级反应产物经过吸附、成键和放氢等在衬底表面形成薄膜。其中 放氢 过程以及 H原子刻蚀作用对薄膜结构影响较为显著。以 Si2H为例:Si2H+(Si-H)(Si -* 3SiH) (i) (Si -* 3HSi)(Si -SiH)+2H( 放氢) (ii) (Si-SiH)+(Si-H)(Si-Si-SiH2) (iii) (i) 、(ii)、(i

15、ii)分别为 SiH2所对应的吸附成键、放氢和最后与邻近Si-H结合构成新的生长表面的过程。 HIT 太阳能电池的主要性能指标有：1. 短路电流 Isc 、2. 开路电压 Voc、3. 最 大工作电压 Vm 、4. 最大工作电流 Im、5. 填充系数 FF、6. 转换效率 、7. 串联电 阻 Rs、8. 并联电阻。5. 小结HIT 电池虽然发展很迅速 , 但是仍然存在许多问题。 由于生产过程中的每一 步工艺要求都很严格 , 所以在保证高效的情况下, 大规模的量产还需要进一步 的研究。 HIT 电池虽然效率已达 23%, 成本也在逐渐降低 , 但发电成本仍然远高 于传统方法的发电成本。 目前,H

16、 IT 电池研究最多的是非晶硅 / 单晶硅异质结电 池, 其中廉价非晶硅的用量很少, 而价格昂贵的单晶硅仍占多数。 因此, 为了满 足国民生产对太阳能电池组件的需求, 在以后的研究中 , 一方面应大力开发新技 术在保证电池转换效率的前提下降低HIT 电池的厚度 ; 另一方面用廉价材料代 替价格昂贵的单晶硅材料来降低成本, 如多晶硅。同时也可以通过开发新技术来 降低单晶硅的生产成本。参考文献1 翁民航 , 刘玮. 太阳能电池 M . 科学出版社 , 2013, 4 2A. Datta, J. Damon-Lacoste, M.Nath,P. Roca i Cabarrocasc. Dominant role of interfaces in solar cells with N-a-Si:H/P-c-Si heterojunction with intrinsic thin layerJ . Materials Science and Engineering B, 2