硅基薄膜太陽電池簡介

介紹了不同硅基太陽電池技術(shù)優(yōu)勢及其所用正面導(dǎo)電銀漿的作用及組成，對比了國內(nèi)外各正銀漿料供應(yīng)商針對不同電池技術(shù)所研發(fā)的正面銀漿，分析了各種正銀漿料產(chǎn)品的不同與現(xiàn)狀，總結(jié)并展望了未來高效電池技術(shù)及正銀漿料發(fā)展的方向，為未來光伏技術(shù)的發(fā)展及正銀漿料國產(chǎn)化提供了一定的思路

01不同硅基太陽電池技術(shù)

晶體硅太陽電池主要由經(jīng)過不同工藝處理的硅基片、正面電極、鋁背場及背面電極等組成。圖1～圖5 分別為不同技術(shù)的太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 為常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖，常規(guī)太陽電池的制備工藝簡單、成本較低，但和其他硅基太陽電池技術(shù)相比，其轉(zhuǎn)換效率較低。

PERC 太陽電池，即鈍化發(fā)射極及背面太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。PERC 太陽電池與常規(guī)

太陽電池的主要區(qū)別在于[5]：1)PERC 太陽電池在背表面有鈍化介質(zhì)層( 多為Al2O3) 和保護層( 多為SiNx);2) 常規(guī)太陽電池鋁背場與硅片完全接觸，而PERC 太陽電池鋁背場是通過激光開窗的空洞區(qū)域與硅片進(jìn)行局部接觸。

圖3 為n 型晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。n型晶體硅太陽電池較p 型晶體硅太陽電池具有少子壽命高、光致衰減小等優(yōu)點，有更大的效率提升空間。同時，n 型晶體硅太陽電池還具有弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點。

IBC 太陽電池，即叉指背電極太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖4 所示[6]。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在[7]：1) 轉(zhuǎn)換效率高，正面無柵線使入射光子數(shù)量最大化;2)表面輕摻雜，增強了短波光譜響應(yīng);3) 基區(qū)和發(fā)射區(qū)的電極均制作在背面，可實現(xiàn)電池正、負(fù)極焊線的共面拼裝，簡化了光伏組件制作工藝流程，易實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率。

圖5 為HIT 太陽電池( 異質(zhì)結(jié)太陽電池)結(jié)構(gòu)示意圖[8-9]。HIT 太陽電池以高質(zhì)量超薄本征非晶硅層對晶體硅基底材料的兩面進(jìn)行鈍化，降低表面復(fù)合損耗，提高了器件對光生載流子的收集能力，從而形成高效的新型晶體硅太陽電池。其主要優(yōu)勢有[10-11]：1) 采用低溫技術(shù)，整個燒結(jié)工藝可在200 ℃左右完成，減少能耗，降低成本;2) 光電轉(zhuǎn)換效率高;3) 穩(wěn)定性好，沒有形成B-O復(fù)合體而導(dǎo)致的光衰效應(yīng)。

02硅基太陽電池用正銀漿料

2.1

正銀漿料在太陽電池中的作用

正銀漿料是通過絲網(wǎng)印刷將銀漿印刷在晶體硅片上，然后經(jīng)過烘干和燒結(jié)工藝在硅片表面形成電極或電路。在光照條件下，硅片中的p-n 結(jié)產(chǎn)生的光生電子會朝著電池正面電極運動，空穴朝著背電極運動。如果電子運動到正面電極之前未被缺陷或雜質(zhì)復(fù)合就會被電極收集，進(jìn)而形成電流流至外電路。因此，這對漿料的要求較高，如形成良好的歐姆接觸、低的接觸電阻、良好的印刷性、良好的附著力等。漿料的質(zhì)量和性能對晶體硅太陽電池的效率有重要影響，近年來晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高大部分要歸功于漿料的改善，尤其是正銀漿料。不過由于不同種類太陽電池的結(jié)構(gòu)和制備工藝有差別，對正銀漿料的性能要求也有所差異，主要包括高溫型和低溫型，分別應(yīng)用于晶體硅太陽電池和HIT 太陽電池。

2.2

正銀漿料的分類與組成

高溫?zé)Y(jié)型正銀漿料一般由銀粉、玻璃粉和有機載體等組成。由于銀具有良好的導(dǎo)電性，且相對于其他貴金屬而言價格便宜，因此在導(dǎo)電漿料中具有導(dǎo)電功能，銀粉一般占漿料總量的80%～90%[4]。文獻(xiàn)[12-15] 的研究結(jié)果表明，銀粉粒徑分布、微觀形貌、含量等對太陽電池的轉(zhuǎn)換效率有重要影響。目前銀漿中廣泛使用的是微米、亞微米級超細(xì)球形銀粉，能與硅基片形成良好的歐姆接觸，接觸電阻較低，導(dǎo)電性良好。玻璃粉作為無機粘結(jié)劑，決定著導(dǎo)電漿料對太陽電池減反射膜的腐蝕穿透力和銀膜電極與硅基體的結(jié)合力;以及溶解Ag，并輸送到Ag/Si界面，保證Ag 與Si 形成良好的歐姆接觸。玻璃粉一般占漿料總量的2%～10%[4]。文獻(xiàn)[16-18]的研究發(fā)現(xiàn)，具有適當(dāng)融化溫度和潤濕能力的玻璃粉，有助于降低銀電極體電阻和接觸電阻，增加焊接拉力，是獲得最佳電池性能的關(guān)鍵因素之一。有機載體主要由有機溶劑、樹脂、添加劑等組成，其作用是分散和潤濕漿料中的銀粉及玻璃粉，控制漿料的流變性能，使?jié){料具有良好的印刷性能，最后在燒結(jié)的過程中揮發(fā)出去，一般占漿料總量的5%～15%[19]。通過調(diào)節(jié)有機載體的組成和含量可以改變漿料的粘度、揮發(fā)性、觸變性等性能，使?jié){料在印刷時具有較高的流動性，增大柵線高寬比，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。正銀漿料這些組成成分的性能和比例會直接影響太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

2.2.2

低溫固化型正銀漿料

HIT 太陽電池的正面電極通常在200 ℃左右進(jìn)行燒結(jié)，因此，必須使用低溫型電極漿料。低溫銀漿成分主要由銀粉、樹脂、溶劑及添加劑組成[8-9]。其中，銀粉為導(dǎo)電相，樹脂是粘結(jié)相，溶劑用來溶解樹脂、控制漿料的揮發(fā)性等，添加劑則是用來改變漿料的各種性能，使其適用于HIT 太陽電池電極的印刷和固化工藝。

低溫固化型正銀漿料中，一種為熱塑性漿料，采用熱塑性樹脂，其溶劑含量較多，固化工藝窗口較窄[10];另一種采用熱固性樹脂，稱為熱固性漿料，加熱時，熱固性聚合物在相鄰的聚合鏈間形成化學(xué)鍵，導(dǎo)致形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比熱塑性漿料形成的二維結(jié)構(gòu)要剛硬[11]。

03適用于不同太陽電池技術(shù)的正銀漿料

導(dǎo)電銀漿的品質(zhì)對太陽電池的電性能起著決定性作用，優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電銀漿是制造高效太陽電池的關(guān)鍵。雖然目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的漿料市場占有率較低，但在國內(nèi)漿料生產(chǎn)商的努力下，國產(chǎn)漿料與進(jìn)口漿料的性能差距已經(jīng)較小，主要是穩(wěn)定性與品牌知名度還亟需提高。表1～表5 列舉了國內(nèi)外漿料商為不同結(jié)構(gòu)太陽電池設(shè)計的最新正銀漿料的性能參數(shù)[20]。

由于常規(guī)太陽電池技術(shù)的發(fā)展較為成熟，其使用的正銀漿料研發(fā)較早、技術(shù)更新較快、國產(chǎn)產(chǎn)品型號較多，部分國產(chǎn)漿料在性能上可與進(jìn)口漿料相媲美。目前，國內(nèi)只有少部分企業(yè)采用無鉛玻璃粉。PERC 太陽電池結(jié)構(gòu)和常規(guī)太陽電池相比，主要區(qū)別在于背表面沉積鈍化層和激光開窗結(jié)構(gòu)，就正面結(jié)構(gòu)而言區(qū)別較小，PERC 太陽電池的燒結(jié)溫度相對較低些，因此，有些常規(guī)太陽電池正面銀漿可以兼容PERC 太陽電池。n 型晶體硅太陽電池，如IBC 太陽電池，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和制備工藝，其導(dǎo)電銀漿中導(dǎo)電相為Ag-Al 合金，可以在p+ 發(fā)射極硅表面獲得低接觸電阻。對于HIT 太陽電池而言，高溫會對電極下面摻雜的非晶硅薄膜產(chǎn)生損傷[21]，因此必須采用低溫漿料。低溫漿料中不含玻璃粉，固化溫度在200 ℃以下，無銀粉燒結(jié)過程，銀粉之間、銀與硅之間通過有機樹脂相進(jìn)行粘結(jié)。

04總結(jié)與展望

目前，為了使光伏發(fā)電具有競爭力，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率且降低其生產(chǎn)成本是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心目標(biāo)。未來的硅基高效技術(shù)主要是基于n 型和PERC 技術(shù)來制備方阻高、少子壽命高、光致衰減小、弱光響應(yīng)好的硅基片。其中，PERC 太陽電池在生產(chǎn)上相對容易實施，只需在常規(guī)太陽電池的制備工藝中增加2 個工序：沉積背面鈍化疊層和背面鈍化層激光開窗。對銀漿而言，電阻小、高寬比大、降低銀含量、玻璃粉無鉛化是未來的發(fā)展目標(biāo)。綜上所述，為了提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，降低度電成本，越來越多的電池技術(shù)涌現(xiàn)，導(dǎo)電銀漿越來越專業(yè)化。因此，未來硅基太陽電池技術(shù)和銀漿的發(fā)展主要趨勢為：

1) 采用基于n 型晶體硅和PERC 高效技術(shù)優(yōu)化太陽電池結(jié)構(gòu)，并針對不同太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的新型導(dǎo)電漿料;

2) 導(dǎo)電銀漿用銀粉粒徑超細(xì)化，多種粒徑的銀粉混合使用;

3) 玻璃粉無鉛化，有利于環(huán)境保護;

4) 為了降低成本，在保證柵線印刷高精度的同時降低漿料中銀的含量。

浙江亞通焊材有限公司 浙江省釬焊材料與技術(shù)重點實驗室

■ 馬君杰* 馮斌 鐘海鋒

來源《太陽能》雜志社2018 年第4 期( 總第288 期)

化石燃料能源的使用促進(jìn)了人類社會的進(jìn)步，但是化石燃料的過度消耗也引起了全球氣候變暖和生態(tài)環(huán)境的惡化，給人類的生存帶來了巨大的威脅。改變能源消費結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，已成為世界各國的共識。在眾多的可再生能源中，太陽能因其具有取之不盡、用之不竭、清潔安全無污染、應(yīng)用地域廣闊等特點，因此特別受到人們的重視。太陽能的利用主要包括光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換是指將太陽散發(fā)的能量聚集起來，轉(zhuǎn)換成熱能，如太陽能熱水器等，也包括將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，再利用熱能發(fā)電的光熱發(fā)電。光電轉(zhuǎn)換是指利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，通過太陽電池器件將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，即光伏發(fā)電，如太陽能光伏電站和發(fā)電系統(tǒng)。

世界太陽能光伏發(fā)電科技和應(yīng)用發(fā)展迅猛，到2012年年底全世界光伏累計裝機容量已突破100GWp的里程碑節(jié)點，預(yù)計光伏發(fā)電將在2030年占到世界能源供給的10%，對世界的能源供給和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整做出實質(zhì)性的貢獻(xiàn)。中國光伏迅猛發(fā)展，2014年新增光伏裝機容量10.6GWp，單年新增裝機容量全球第一；到2015年底，中國累計光伏裝機容量43GWp，成為全球光伏應(yīng)用第一大國。光伏發(fā)電需要通過太陽電池組件實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，目前仍以第一代的晶體硅太陽電池組件為主，其市場份額超過80%，未來10～20年內(nèi)仍將是市場主流，因此提高晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率對于確保其優(yōu)勢地位特別重要。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率逐年提高。在當(dāng)前光伏工業(yè)界，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到20%以上，多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)18%以上。然而大規(guī)模生產(chǎn)的、轉(zhuǎn)換效率達(dá)22%以上的硅基太陽電池有美國SunPower公司的背接觸太陽電池和日本松下公司的帶本征薄層的非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。其中，非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池是以晶體硅為襯底，在其上沉積非晶硅薄膜形成p-n 異質(zhì)結(jié)，其電池結(jié)構(gòu)和工藝與常規(guī)晶體硅太陽電池有很大的區(qū)別，但是非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)合了晶體硅電池和硅基薄膜電池的優(yōu)點，具有制造流程短、工藝溫度低、適合使用薄型硅片、轉(zhuǎn)換效率高和發(fā)電量多等特點。

在當(dāng)今眾多的高效晶體硅太陽電池方案中，非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池?zé)o疑是關(guān)注度很高的一種。在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域，日本松下公司可謂一枝獨秀，2013年其報道的最高電池效率達(dá)24.7%，電池面積～100cm?2;，達(dá)到商用規(guī)格大小。隨著松下公司關(guān)于帶本征薄層的非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的主體專利在2010年到期，國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)和企業(yè)都加大了對非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研發(fā)與投入。2014年，松下公司報道了效率達(dá)25.6%的背接觸異質(zhì)結(jié)太陽電池，打破了保持了20多年的經(jīng)過太陽電池世界紀(jì)錄。2016年，日本KANEKO公司報道了效率達(dá)26.33%的背接觸異質(zhì)結(jié)太陽電池，進(jìn)一步提高了晶硅太陽電池的效率。中國的異質(zhì)結(jié)太陽電池技術(shù)近年也獲得較大進(jìn)展，2016年有近十家企業(yè)宣布進(jìn)軍高效異質(zhì)結(jié)電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，相信在不久的將來中國必將成為高效異質(zhì)結(jié)太陽電池的技術(shù)和生產(chǎn)強國。

除了關(guān)注太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高，其低成本制造更顯重要，這是關(guān)系到太陽能光伏發(fā)電能否與其他能源技術(shù)相競爭的關(guān)鍵問題。我國為實現(xiàn)高效率、低成本的硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池，在“十二五”期間啟動了兩個“MW級薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”863計劃課題，力圖能夠深入理解薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池高效機理，開發(fā)出高性能薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池成套制備技術(shù)，實現(xiàn)薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池中試，建成MW 級產(chǎn)能的中試示范線，使我國具有高效薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池產(chǎn)業(yè)化的能力。

本書作者有幸參加上述863計劃課題之一，在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的理論研究和實際研發(fā)方面做了大量的工作，總結(jié)課題研究成果，得以形成本書。我們旨在深入論述非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)特征、制造工藝與技術(shù)、涉及的基本物理問題和相關(guān)模擬研究的情況，同時還涉及其他新型無機物硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究進(jìn)展。本書是國內(nèi)第一部全面介紹硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池研究和技術(shù)進(jìn)展的學(xué)術(shù)專著，在編著本書時作者希望盡可能反映當(dāng)前硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的科研和生產(chǎn)最先進(jìn)水平和技術(shù)，同時力求寫成一本既具有基礎(chǔ)理論闡述，又具有實際指導(dǎo)意義和實用價值的參考用書。

全書共7章，從內(nèi)容上可以分為三個層面：①高效晶體硅太陽電池、異質(zhì)結(jié)基本知識和相關(guān)表征測試技術(shù)的介紹(第1、2、3章)；②非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制造工藝與技術(shù)、涉及的物理問題和模擬研究(第4、5、6章)；③新型無機物硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的介紹(第7章)。其中，第1章為緒論，全面介紹了當(dāng)今高效晶體硅太陽電池技術(shù)，并引出非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，闡述了硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的歷史、結(jié)構(gòu)與特點、效率進(jìn)展情況等，通過本章的介紹，讀者能基本了解當(dāng)今晶體硅電池的前沿技術(shù)和硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的進(jìn)展。第2章概括了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的基本知識，為讀者能夠理解非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池作必要的鋪墊。第3章介紹了與異質(zhì)結(jié)太陽電池相關(guān)的表征與測試。第4章則按照非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制作工序，逐一敘述每一步工藝過程中的科學(xué)與技術(shù)問題，并簡單介紹了異質(zhì)結(jié)太陽電池組件的應(yīng)用。第5章論述了非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池中涉及的物理問題，力圖從理論上描述異質(zhì)結(jié)太陽電池。第6章對硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的計算機模擬研究進(jìn)行介紹。第7 章介紹新型無機物硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究狀況。

本書的出版得到了國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金的資助，特別感謝我國半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理專家、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所沈?qū)W礎(chǔ)院士欣然為本書作序。作者同時感謝國家863 計劃項目組(2011AA050502)成員的幫助和鼓勵；感謝項目承擔(dān)單位協(xié)鑫集成科技股份有限公司的大力支持；感謝上海交通大學(xué)太陽能研究所曾洋、華夏、鐘思華等博士生幫助收集資料，并在本書成稿后仔細(xì)閱讀和校核。

雖然作者在寫作過程中精益求精，力求介紹全面、表述清晰、敘述流暢，但是限于作者學(xué)識和水平，加之時間倉促、收集的資料有限，因此本書錯誤和遺漏在所難免，懇請讀者和同行批評指正。

該書（《硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池物理與器件》）重點講述的非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池是將半導(dǎo)體能帶工程應(yīng)用于硅基材料和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效電池的典型成功范例。該書具有科學(xué)的深度又兼顧實際研發(fā)應(yīng)用，同時指明了該種電池可能的完善途徑和技術(shù)問題。

——沈?qū)W礎(chǔ)

2014年4月

本文由劉四旦摘編自沈文忠、李正平編著《硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池物理與器件》（北京: 科學(xué)出版社, 2014.8）一書“前言”，作者補充更新了數(shù)據(jù)。

硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池物理與器件

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，全書首先簡要介紹了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基本知識和異質(zhì)結(jié)太陽電池的表征與測試手段，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物硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究進(jìn)展。

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