基于晶體硅的太陽電池現(xiàn)在主宰光伏市場，其市場占有率超過90%。當(dāng)前多晶硅光伏組件的成本中，約50%與硅片有關(guān)。主要均勻分布在材料成本、晶體生長和硅片制作三方面。必須認(rèn)識到，光伏組件所用硅片價格取決于多晶硅料的成本和可供資源。現(xiàn)今，光伏產(chǎn)業(yè)面臨多晶硅料的短缺，硅片價格上漲。
由此很明顯，減少太陽電池中昂貴的電子級硅的消耗就能降低太陽電池的成本。達到這一點有多種不同的途徑：用薄硅片，以100-150μm厚的硅片替代常用的220μm厚的硅片;或者在低成本襯底上應(yīng)用薄膜晶體硅(厚度小于20μm)。
比利時IMEC研究所以其對PV技術(shù)的洞察，比較了薄硅片太陽電池和薄膜太陽電池二者的路徑，確定了發(fā)展路線圖(圖1)。
體硅太陽電池
“體硅”太陽電池是基于自支撐的硅片，厚度為180-240μm。大多數(shù)大型商用太陽電池工廠現(xiàn)在采用多晶硅片。硅片通常是p-型摻雜的。N型雜質(zhì)擴散在硅片上面，這樣就在表面下幾百納米處形成p-n結(jié)。
然后，在太陽電池的正面加防反射鍍層(ARC，大都是氮化硅)，增加耦合進入太陽電池的光數(shù)量。ARC層還有表面鈍化作用，它可以防止載流子在太陽池表面的復(fù)合。為了進一步減少反射損失，在做其它工藝步驟前常常將太陽電池的表面制絨，為光線進入電池結(jié)合提供多重機會。
接著實現(xiàn)金屬接觸。在背面制作全面積金屬接觸，通常是絲網(wǎng)印刷金屬漿料(鋁)。在正面，用金屬漿料(銀)，以絲網(wǎng)印刷網(wǎng)狀金屬接觸。金屬接觸要進行短時間退火，將其燒結(jié)并使正面接觸侵蝕穿過ARC層。最后，各太陽電池用細金屬帶互相連接，組裝成組件或“太陽電池板”。
硅片越來越薄時，上述的傳統(tǒng)太陽電池工藝遇到了一些問題。其中之一是與在整個背面加鋁合金有關(guān)。合金工藝及硅與鋁之間的熱失配引起應(yīng)力場擴展，使得硅片明顯彎曲。這在硅片處理和組件制造中會產(chǎn)生很多問題。另一問題是背面的載流子復(fù)合。背面區(qū)域高摻雜鋁(稱為“鋁背場BSF”)，只能提供中等的表面鈍化。對于很薄的電池片，背面的復(fù)合現(xiàn)象非常重要，會引起短路電流密度和開路電壓二者的損失。
i-PERC太陽電池概念
為了規(guī)避薄硅片制造中的這些問題，IMEC開發(fā)了i-PERC工藝。PERC(passivated emitter and rear cells，鈍化發(fā)射極和背表面電池)概念是為實驗室型高效太陽電池提出的?！癷”代表“工業(yè)的”，其意是指，與PERC不同，這一工藝是基于工業(yè)應(yīng)用技術(shù)。i-PERC工藝與標(biāo)準(zhǔn)工藝不同，因為不再把鋁直接淀積在硅的背面。而是用低溫淀積技術(shù)淀積SiO2/SiN介質(zhì)層，然后用激光打洞，最后是鋁絲網(wǎng)印刷，燒結(jié)形成穿過孔洞的局部背場(BSF)接觸。這樣，大部分硅與鋁隔離，減少了背表面復(fù)合，從而提高了短路電流和開路電壓。i-PERC背面結(jié)構(gòu)也改善了光線的束縛，因為在1000nm以上紅外波長處，它比Al-BSF有更多的反射。在1100nm處，Al-BSF的背反射率為64%，而i-PERC背反射率是91%。這體現(xiàn)了凈增長0.9mA/cm2，或總效率提高4%。此外，對i-PERC太陽電池來說，完全消除了彎曲問題(即使硅片薄至80μm)，因為由鋁合金工藝引起的應(yīng)力只是局部的。
i-PERL太陽電池概念
PERL(passivated emitter, rear locally diffused，鈍化發(fā)射極，背面局部擴散)概念是為實驗室型小面積高效率太陽電池提出的。它與PERC概念有關(guān)，但特別之處是在背面局部區(qū)域有硼摻雜。由于在擴散區(qū)缺少少數(shù)載流子，背接觸表面處的復(fù)合速率就進一步降低。文獻中已經(jīng)證明，實驗室條件下用PERL概念制作的小面積晶硅太陽電池能達到一個太陽的效率接近25%，采用對體硅壽命譜和表面鈍化所做的實際假定時，這一性能距可能達到的最大效率(26%)已不遠。
IMEC挑戰(zhàn)的是開發(fā)大面積PERL電池的工藝流程，以及工業(yè)上可應(yīng)用的技術(shù)，這些技術(shù)目前只是常用在先進的微電子或封裝場合。
I2-BC太陽電池概念
把正面的金屬柵格去掉有很多優(yōu)點：(1)可產(chǎn)生更多有效的半導(dǎo)體面積，因而有可能增加電池效率;(2)有可能大大降低組件裝配成本，因為全部外部接觸均在單一表面上;(3)從建造結(jié)構(gòu)的觀點看來提供了增值，因為匯流條和焊線串接存在引起的視覺不適被組件背面替代。當(dāng)前背接觸太陽能電池的研究活動一方面是組件制造，另一方面是開發(fā)背接觸太陽電池的新概念，重點是便于轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)中的工藝技術(shù)的使用。
超薄體硅太陽電池(U-電池概念)
將來的薄硅片太陽能電池可能薄至40μm。達到這一點的主要挑戰(zhàn)是怎樣生產(chǎn)如此薄的硅片。用傳統(tǒng)的線切割技術(shù)，硅片的厚度不大可能比100μm低很多，且kerf損失(切割過程中的Si損耗)將是嚴(yán)重的。但是，這種超薄硅片(更進一步為箔硅片)能用lift-off技術(shù)實現(xiàn)。IMEC近來提出了一種生產(chǎn)厚50μm晶硅片的全新方法。這種lift-off工藝，只需要用絲網(wǎng)印刷機和網(wǎng)帶爐，不需要離子注入或多孔層。在厚襯底上淀積與襯底熱膨脹系數(shù)不匹配的一層薄膜(例如金屬層)。冷卻時，收縮差異引起了大應(yīng)力場，它通過平行于表面的方向開始產(chǎn)生并傳播的裂開得到釋放(圖2)。
薄膜硅太陽電池
減少太陽電池所用硅數(shù)量的另一重要途徑是，把有源層厚度減少到20μm或更少。這些晶體硅可用低成本載體(低成本硅或非硅襯底)支撐。
Epi-電池概念
外延薄膜太陽電池是用在低成本高摻雜硅片上生長高質(zhì)量的薄硅有源層(20μm)實現(xiàn)的，這種硅片來自金屬級硅或硅廢料。用化學(xué)氣相淀積法淀積外延層。這種epi-電池法的優(yōu)點是，其太陽電池生產(chǎn)工藝與通常的“體”硅太陽電池非常類似。因而，與其它薄膜電池概念比較，在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中實施這一方法相對來說容易。此法構(gòu)成了體硅太陽電池和薄膜太陽電池(在非硅襯底上)間的橋梁。
外延薄膜硅太陽電池工業(yè)競爭力的主要不足是，與通常的體硅太陽電池相比，其效率中等，約為11-12%。這些電池的開路電壓和填充因子能達到類似于體硅太陽電池的水平，但由于光學(xué)有源層薄(20μm，體硅為200μm)，光由外延層進入襯底時就消失在低質(zhì)量襯底中，導(dǎo)致總量達7mA/cm2的短路電流損失。
IMEC開發(fā)旨在提高外延薄膜太陽電池效率的技術(shù)。例如，解決了等離子制絨技術(shù)將太陽電池有源層表面制絨，減少反射率并增加表面的光散射。除了由于反射率減少和光斜面耦合進入電池而提高效率外，與平面電池比較，等離子制絨也降低了接觸電阻。等離子制絨產(chǎn)生的效果是：短路電流提高了1.0-1.5mA/cm2，效率提高了0.5-1.0%。
提高外延薄膜硅太陽電池效率的另一改進措施是，在有源層和低成本襯底之間界面處加入多孔硅鏡。此鏡減少長波長光進入襯底的透光率。實際上，反射鏡是由電化學(xué)刻蝕多孔硅堆(由交替的高-孔隙率和低-孔隙率層構(gòu)成)制造的。這些多孔硅層的折射率取決于孔隙率?？紫堵式惶娌煌亩鄬幼饔萌缤嗉壊祭穹瓷溏R。而且，多孔硅保持下層結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)，使外延生長能夠進行。在反射鏡和絲網(wǎng)印刷接觸電極的低成本硅襯底上制作的太陽電池可達到極佳的效率13.9%，接近體晶硅太陽電池的效率。
薄膜多晶硅電池概念
另一個極具降低成本潛力的薄膜太陽電池制造途徑是薄膜多晶硅技術(shù)。在低成本非硅襯底上淀積很薄一層(僅約5μm)晶體硅。為了獲得缺陷密度相對較低的一層，用鋁引發(fā)的結(jié)晶(AIC)技術(shù)制備了縱深比小的晶粒組成的籽晶層，接著外延加厚。因為要用熱CVD生長有源層，選擇的襯底必須要耐高溫，例如陶瓷襯底和玻璃-陶瓷襯底。目前在陶瓷襯底上最好的效率為8%，在玻璃-陶瓷襯底上為6.4%，這些是基于籽晶層方法的薄膜多晶硅電池到目前為止全球最好的結(jié)果。
薄膜多晶硅太陽電池中器件最重要的部分是發(fā)射極。用非晶硅/多晶硅異質(zhì)結(jié)發(fā)射極代替擴散的同質(zhì)結(jié)發(fā)射極使得開路電壓提升了90mV。
硅以外的太陽電池
除了對硅基太陽電池進行大量研究工作外，IMEC還研究地面集聚器所用的光伏堆疊。該研究的主要目的是開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，制造效率能達35%的4端高效機械堆疊。這包括制造薄膜InGaP/GaAs頂層電池和Ge-底層電池。
長期看來，對于一些特殊應(yīng)用，有機太陽電池會成為硅基太陽電池的良好替代品。有機太陽電池的有源層一般在100nm到幾微米數(shù)量級。材料消耗少以及淀積這些材料的技術(shù)(印刷法)適合極高的生產(chǎn)率(比現(xiàn)有的太陽能電池技術(shù)大1-2個數(shù)量級)可以使成本比現(xiàn)有的太陽電池技術(shù)低5-10倍。有機太陽電池領(lǐng)域最具前景的概念之一是施主/受主異質(zhì)結(jié)。此時，有源層是由二種不同的共軛有機材料的均質(zhì)混合物組成，夾在金屬電極之間。
結(jié)論
太陽電池產(chǎn)業(yè)正在飛速增長，全球的研究團隊正在尋找提高電池效率和/或降低成本的途徑。IMEC已提出太陽電池發(fā)展路線圖，預(yù)計了基于薄硅片的太陽電池向在低成本載體上厚度低達40μm或單片薄膜太陽電池組件的逐步轉(zhuǎn)變。所有這些將要使太陽電池的成本至少降低為目前的1/3，每瓦硅用量(Si/W)減少一個數(shù)量級——現(xiàn)在此值稍稍低于10g/W。