高效太阳电池表面织构与钝化研究

China now ranked first in PV manufacturing in the world, however, the advanced intellectual property is still the key issue restricting the development of photovoltaic industry. At present, single/polycrystalline silicon solar cells play a very important role in the photovoltaic industry due to its high mature technology, and its prospects is to further increase the photoelectric conversion efficiency. This project intends to develop the grating-type solar cells. We'd study the nano-size-effect of grating surface structure in three-dimensional space through the electrical and optical simulation analysis and structural design of solar modules. By replacing traditional silica layer with highly dielectric films and employing IC processing technique, the etching conditions and pore diameter and density of groove of grating surface structure are regulated and controlled, and the quantum efficiency of the solar cell in all range of light waves is improved. Then we will explore the light trapping effect arising from light wave transmission and optical interference among grating nanostructure, and optimize the structure and performance, increase the short-circuit current of the solar cells. In addition, we adopt the ultra-thin oxide layer high dielectric materials to passivate the solar cell surface, via the fixed charge within the ultra-thin oxide layer to change the electric field distribution of the solar cell surface and reduce the surface recombination velocity of carriers and increase the open circuit voltage significantly, and further enhance the single/polycrystalline silicon solar cells conversion efficiency, finally establish advanced intellectual property basis for the development of next-generation solar cells.

中国的光伏产业在世界排名第一，然而，先进的知识产权问题依旧是制约光伏产业发展的关键。目前，单/多晶硅太阳电池由于其技术的成熟度高，在光伏行业扮演着极其重要的角色，其发展前景在于光电转换效率进一步提升。本项目拟研制栏栅型单/多晶硅太阳电池，通过电学与光学仿真对太阳能电池组件进行结构设计与和光电转换效率分析，探讨栏栅型纳米结构间的光波传输和光学干涉现象对陷光效应的影响，研究三维空间栏栅型表面结构的纳米尺寸效应，提高太阳电池在各光波范围的量子效率；采用集成电路工艺技术，用高介电薄膜取代传统的二氧化硅层，采用高介电材料超薄氧化层对太阳电池表面钝化，经由超薄氧化层内的固定电荷来改变太阳电池表面的电场分布，大幅降低表面载子的复合速度和增大开路电压，改进表面钝化效应；研究电化学刻蚀条件对栏栅型结构的沟槽孔径和密度等调控，实现优化结构与性能，提升光电转换效率，为发展太阳电池技术建立先进的知识产权基础。

（1）采用金属 Ag 辅助的化学腐蚀法和金属 Ni 辅助的反应离子刻蚀法实现晶体硅表面制绒，得到微纳减反结构，以降低表面反射率。通过金属 Ag 辅助的化学腐蚀法对金字塔结构的单晶硅和沟壑结构的多晶硅表面进行二次腐蚀，可以得到微纳结构的绒面。利用 Ni 薄膜在 900 °C 的高温下退火自发缩聚形成的 Ni 纳米颗粒作 为掩膜板，然后通过反应离子刻蚀技术实现多晶硅太阳电池表面制绒，得到纳米柱结构的绒面。其中，Ni 纳米颗粒作为掩膜板对纳米柱结构的调控起着关键作用。该纳米柱结构陷光性能优异，在 400 ~ 1000 nm 的波长范围内，表面反射率能够降低至 2% 以下，电池的转换效率可以达到 12.01%。.（2）将 ALD 沉积的高 K 介电薄膜 Al2O3、HfO2 和两者的混合薄膜(HfO2)x(Al2O3)1-x 作为钝化层应用在单晶硅太阳电池中，降低了载流子的复合速率，实现了开路电压的提高和转换效率的改善。通过改变(HfO2)x(Al2O3)1-x 薄膜中 Hf 和 Al 的比例，可以调 节薄膜表面固定电荷的数量从负到正变化，其中 ALD- Al2O3 介电薄膜表面存在负的固定电荷，为-6.4 × 1011 cm-2，而 HfO2 介电薄膜存在正的固定电荷，为 3.2 × 1012 cm-2。在氧气氛围中退火 1 min 可以改善高 K 介电薄膜钝化的硅基底的有效少子寿命。.（3）通过静电自组装技术和超声波雾化喷头喷涂技术将 SiO2 纳米球组装在晶体硅太阳电池表面，利用 SiO2 纳米球做减反层来进一步降低电池的表面反射率，提高电池的转换效率。采用超声波雾化喷头喷涂技术在多晶硅太阳电池表面喷涂100 nm 和200 nm的SiO2纳米球时，发现100 nm 和200 nm 的 SiO2纳米球作为涂 层能够降低表面反射率，提高多晶硅太阳电池的转换效率，尤其是在多晶硅太阳电池 表面喷涂 100 nm 的 SiO2纳米球一个循环时，电池转换效率的改善最为显著。.（4）制备银铜纳米粉末，利用丝网印刷技术制备出太阳能电池片正电极，并确定了烧结工艺。太阳模拟器的测试结果表面在电极中加入10%纳米银铜颗粒能够将太阳能电池片的效率从6.9856％提高到7.0577％。制备纳米银铜核壳粉末，在电极中加入10%纳米银铜核壳颗粒能够将太阳能电池片的效率从6.9856％提高到7.4