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概述：長(zhǎng)期以來，晶體硅(c-Si)光伏一直被認(rèn)為是能源密集型和昂貴的。在過去的幾十年中，制造鏈上的顯著改進(jìn)使c-Si成為一種不能再被忽視的低成本電力來源。

2020年c-Si組件安裝量超過125GW，占整個(gè)光伏市場(chǎng)的95%，累計(jì)安裝量超過700GW。有一些強(qiáng)有力的跡象表明，到2040-2050年，c-Si光伏可能成為世界上最重要的電力來源。在這篇評(píng)論中，我們調(diào)查了與硅光伏組件的材料和工業(yè)加工相關(guān)的關(guān)鍵變化。在晶圓層面，多晶硅成本的大幅下降以及金剛石線鋸的普遍實(shí)施降低了單晶晶圓的成本。在平行下，各種晶圓中的雜質(zhì)和電子缺陷濃度已降低，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的高效率。生產(chǎn)線清潔度的提高、工具自動(dòng)化程度的提高以及生產(chǎn)技術(shù)和電池架構(gòu)的改進(jìn)都有助于提高主流模塊的效率。電池級(jí)別的效率提升伴隨著晶圓尺寸的增加和先進(jìn)組裝技術(shù)的引入。這些改進(jìn)減少了電池到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率增益。最后，我們討論了其他光伏技術(shù)在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)所需的條件。生產(chǎn)線清潔度的提高、工具自動(dòng)化程度的提高以及生產(chǎn)技術(shù)和電池架構(gòu)的改進(jìn)都有助于提高主流模塊的效率。電池級(jí)別的效率提升伴隨著晶圓尺寸的增加和先進(jìn)組裝技術(shù)的引入。這些改進(jìn)減少了電池到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率增益。最后，我們討論了其他光伏技術(shù)在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)所需的條件。生產(chǎn)線清潔度的提高、工具自動(dòng)化程度的提高以及生產(chǎn)技術(shù)和電池架構(gòu)的改進(jìn)都有助于提高主流模塊的效率。電池級(jí)別的效率提升伴隨著晶圓尺寸的增加和先進(jìn)組裝技術(shù)的引入。這些改進(jìn)減少了電池到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率增益。最后，我們討論了其他光伏技術(shù)在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)所需的條件。電池級(jí)別的效率提升伴隨著晶圓尺寸的增加和先進(jìn)組裝技術(shù)的引入。這些改進(jìn)減少了電池到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率增益。最后，我們討論了其他光伏技術(shù)在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)所需的條件。電池級(jí)別的效率提升伴隨著晶圓尺寸的增加和先進(jìn)組裝技術(shù)的引入。這些改進(jìn)減少了電池到模塊的效率損失，并將加速主流模塊的年度效率增益。最后，我們討論了其他光伏技術(shù)在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)所需的條件。

介紹

光伏發(fā)電是正在進(jìn)行的能源向低碳排放社會(huì)轉(zhuǎn)型的主要參與者。光伏(PV)效應(yīng)依賴于使用吸收光并將其轉(zhuǎn)換為自由電荷載體的半導(dǎo)體材料。盡管有幾種材料可以——并且已經(jīng)——用于制造太陽能電池，但過去生產(chǎn)和今天仍在生產(chǎn)的絕大多數(shù)光伏組件都是基于硅——地殼中僅次于氧的第二豐富元素——在晶體中形式。除了批量制造的快速增長(zhǎng)之外，近幾十年來晶體硅(c-Si)技術(shù)取得成功的一種解釋是，從石英到模塊的c-Si制造鏈可以很容易地分為單獨(dú)的步驟（圖1a）。多年來，與薄膜更容易加工相比，c-Si PV技術(shù)中眾多加工步驟的明顯劣勢(shì)已轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)：每個(gè)步驟都可以并且已經(jīng)被準(zhǔn)獨(dú)立地以大批量和高良率（通常> 98%從晶圓到電池），導(dǎo)致所有步驟的成本顯著降低（圖1b），因?yàn)樾轮圃焐掏ǔＶ魂P(guān)注價(jià)值鏈中的一兩個(gè)步驟——晶圓、電池或模塊制造，或系統(tǒng)安裝——而不是試圖通過垂直整合來鞏固利潤(rùn)率。

一個(gè)|制造光伏組件的主要步驟：純化多晶硅（poly-Si）制備、晶錠澆鑄或拉制、晶片化、太陽能電池加工和組件組裝。乙|從多晶硅純化到模塊組裝的價(jià)值鏈上資本支出的學(xué)習(xí)曲線。符號(hào)表示歷史數(shù)據(jù)，線條表示鈍化發(fā)射極和背面電池(PERC)電池的預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。c |考慮市場(chǎng)上銷售的所有組件，單晶和多晶硅主流組件的平均效率演變。提供了對(duì)單晶電池效率未來改進(jìn)的估計(jì)。d |隨著時(shí)間的推移，晶圓厚度和硅消耗減少。面板a（西門子反應(yīng)器）經(jīng)參考許可改編。229，愛思唯爾。面板a（錠）由隆基提供。面板b經(jīng)參考許可改編。230，PP阿爾特馬特。面板c和d經(jīng)參考許可改編。231，弗勞恩霍夫ISE。

框1總結(jié)了硅光伏的歷史。在過去十年中，單晶硅和多晶硅的絕對(duì)平均效率每年提高0.3-0.4%（圖1c）。2021年銷售的組件的效率通常在17.4%（低檔多晶電池）到22.7%（高性能背接觸電池）1，估計(jì)產(chǎn)量最多的技術(shù)（鈍化發(fā)射極和背面電池(PERC)單晶）平均為20%。請(qǐng)注意，由于模塊設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，而且由于現(xiàn)有生產(chǎn)線仍在折舊，平均效率低于最先進(jìn)的效率。最新的主流大型組件的效率值將超過21%，但仍在生產(chǎn)老一代組件，平均效率為19%。效率最高的模塊(>22%)可能需要更復(fù)雜的制造，這會(huì)使它們的成本和價(jià)格增加2到3倍。因此，它們主要與利基應(yīng)用（例如屋頂或遠(yuǎn)程系統(tǒng)）相關(guān)，其中效率和功率密度比發(fā)電的平準(zhǔn)化成本更重要。

效率提高和成本降低是否會(huì)跟上步伐的問題對(duì)于光伏作為全球能源的前景至關(guān)重要。在這篇評(píng)論中，我們基于對(duì)材料技術(shù)發(fā)展的詳細(xì)分析和當(dāng)前的研發(fā)趨勢(shì)，解釋了這種趨勢(shì)為何以及如何可能持續(xù)下去。

我們首先回顧了使硅光伏成為低成本電力來源和能源領(lǐng)域主要參與者的關(guān)鍵因素。在過去的幾十年中，材料使用量的減少和晶圓質(zhì)量的提高以及價(jià)格的大幅下降同時(shí)實(shí)現(xiàn)了。然后，我們將討論業(yè)界最喜歡的電池技術(shù)在過去幾年中如何從1970年代描述的歷史結(jié)構(gòu)演變?yōu)樾阅芨玫腜ERC結(jié)構(gòu)。我們進(jìn)一步討論，隨著對(duì)高性能和低成本光伏系統(tǒng)的需求，依賴于鈍化觸點(diǎn)的更高效的電池目前如何在強(qiáng)大的工業(yè)參與下快速開發(fā)。然后，我們調(diào)查了能夠減少電池到模塊效率損失的模塊的最新發(fā)展，特別是在過去的幾年里。在過去十年中，主流組件效率平均每年增加0.3-0.4%，現(xiàn)在已達(dá)到19-22%。此處討論的改進(jìn)顯著使當(dāng)今的模塊能夠在不到一年的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生制造它們所需的能量。根據(jù)當(dāng)今的知識(shí)，我們描述了使光伏發(fā)電成本通常達(dá)到0.013美元至0.03千瓦時(shí)的技術(shù)創(chuàng)新-1在全球范圍內(nèi)的未來十年內(nèi)。最后，我們簡(jiǎn)要討論替代光伏技術(shù)如何在大眾市場(chǎng)上與硅競(jìng)爭(zhēng)。

方框1歷史視角

1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室展示了第一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池，效率為6%（參考文獻(xiàn)237）。在接下來的幾年里，硅電池的主要市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力是空間應(yīng)用，而陸地市場(chǎng)主要局限于離網(wǎng)應(yīng)用。小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為高價(jià)格，阻礙了光伏的大規(guī)模部署。第一座容量為1兆瓦的陸地光伏(PV)發(fā)電廠建于1982年。

從1980年到1990年初，在微電子和功率半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了用于實(shí)現(xiàn)高性能和/或工業(yè)硅太陽能電池的最重要的技術(shù)磚。1985年，單晶太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室中的效率達(dá)到了20%（參考文獻(xiàn)238），在1988年在100倍濃度下達(dá)到了26.2%（參考文獻(xiàn)239）。在此期間，工業(yè)太陽能電池的效率從12%緩慢增長(zhǎng)到14.5%。挑戰(zhàn)仍然是找到一種方法，例如1994年的4-5 W -1美元（參考文獻(xiàn)240)至少降低10倍，以使光伏成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的電力來源，這一目標(biāo)需要技術(shù)改進(jìn)、更大的產(chǎn)量和專門的供應(yīng)鏈。在全球范圍內(nèi)，許多國(guó)家在過去50年中為光伏產(chǎn)業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)：首先，美國(guó)擁有龐大的衛(wèi)星光伏市場(chǎng)和第一批大型光伏電站，然后是澳大利亞擁有龐大的遠(yuǎn)程光伏通信市場(chǎng)，以及日本擁有第一個(gè)重要的住宅光伏市場(chǎng)。21世紀(jì)初出現(xiàn)了大幅加速，德國(guó)和許多歐洲國(guó)家采用了創(chuàng)新和顯著的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼241，這引發(fā)了歐盟設(shè)備制造商的巨大努力，增強(qiáng)了該行業(yè)的制造能力。最后，通過國(guó)際投資者，特別是美國(guó)的大量資金支持，中國(guó)在制造業(yè)中發(fā)揮了重要作用，支持低成本的大規(guī)模工業(yè)化。

從2000年到2010年，這些激勵(lì)計(jì)劃引發(fā)了每年超過30%的強(qiáng)勁市場(chǎng)增長(zhǎng)，并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。2004年光伏行業(yè)首次使用的硅（重量）超過整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)，導(dǎo)致2004年至2009年精制多晶硅短缺。太陽能級(jí)多晶硅原料價(jià)格達(dá)到400美元-1，短缺前的30-50公斤-1美元。這引發(fā)了對(duì)大型多晶硅生產(chǎn)廠的投資，使價(jià)格低至6-12公斤-12021年，與此同時(shí)，太陽能電池和太陽能組件的產(chǎn)能增加，主要集中在亞洲，尤其是中國(guó)，導(dǎo)致全球投資過剩和供過于求。2010-2015年模塊售價(jià)快速下降，迫使許多公司倒閉。大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化在過去十年中以每年約25%的速度增長(zhǎng)，到2020年將超過130吉瓦。這相當(dāng)于630 km 2的晶體硅組件面積，占光伏市場(chǎng)的95%以上10.從1980年到2020年，累計(jì)產(chǎn)能每翻一番，光伏組件價(jià)格就會(huì)下降24%（見圖）。假設(shè)利潤(rùn)率不變，這表明過去40年的學(xué)習(xí)率在成本方面也是24%。過去十年可以觀察到40%的學(xué)習(xí)率，這可以解釋為從2000年代初期的短缺中恢復(fù)，隨后中國(guó)制造業(yè)集群的集中，以及整個(gè)供應(yīng)鏈中工具、流程和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。今天，主流晶體硅組件的典型批發(fā)價(jià)格在0.17-0.25 W -1美元之間（參考文獻(xiàn)10），具體取決于類型和效率，折算成驚人的低35-50 m -2美元。

直到2021年的數(shù)據(jù)在ref的許可下進(jìn)行了調(diào)整。10，弗勞恩霍夫ISE。

從多晶硅原料到晶圓

對(duì)于高效的光伏電池和組件，需要雜質(zhì)濃度低、晶體缺陷少的硅晶體。給出一個(gè)想法，硅中0.02 ppb的間隙鐵，對(duì)應(yīng)于大約10 12 ?cm -3的濃度，可以將c-Si太陽能電池的效率從20%降低到~12%，因?yàn)榧ぐl(fā)的電子會(huì)失去它們的能量鐵相關(guān)的重組中心。所需的硅原料純化和以下工藝的清潔度可與微電子技術(shù)中的規(guī)范相媲美。

硅加工從冶金級(jí)硅（約1%的雜質(zhì)）開始，它與HCl反應(yīng)生成三氯硅烷（SiHCl 3或TCS），這是一種沸點(diǎn)為32 °C的液體。一系列蒸餾循環(huán)（通常為3-5個(gè)）用于獲得純度為9N至12N的TCS，即每十億個(gè)原子的雜質(zhì)少于一個(gè)（在12N的情況下為萬億分之一）。隨后，TCS與H 2一起進(jìn)料進(jìn)入冷壁反應(yīng)器，在其中將高純度硅絲（幾毫米寬）加熱到1,150 °C。TCS在熱硅細(xì)絲的表面熱解離，硅沉積使細(xì)絲變粗成直徑為10-20厘米的棒。該工藝通常稱為西門子工藝，是硅光伏鏈中成本高昂且能源密集型的部分，但內(nèi)部罐反射涂層的改進(jìn)和反應(yīng)器尺寸的增加降低了其成本和能源需求。在最大的反應(yīng)器中，現(xiàn)在可以在約100小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)多達(dá)10噸的高純硅，能耗為35-45 kWh kg -1（參考文獻(xiàn)2）。然后將硅棒壓碎成塊并用于硅錠的生長(zhǎng)。根據(jù)影響材料質(zhì)量的蒸餾循環(huán)次數(shù)，太陽能級(jí)硅的價(jià)格通常在低質(zhì)量硅的6-7 kg -1和高質(zhì)量硅的10-12 kg -1之間。- 2020年的優(yōu)質(zhì)硅。進(jìn)一步降低成本2是可能的，例如，通過使用更大的管狀硅絲，由于它們?cè)黾拥某跏急砻娣e3而減少了沉積時(shí)間。流化床反應(yīng)器構(gòu)成了一種沉積硅的替代方法，可以將這一步的能源需求減半4，但它們的市場(chǎng)份額很小5.采用最先進(jìn)的工藝并從沙子開始，生產(chǎn)1 kg純化多晶硅原料的總電力消耗約為60 kWh（11 kWh kg -1用于制造冶金級(jí)硅，49 kWh用于純化和生產(chǎn)多晶硅）。

然后使用兩種主要技術(shù)來制備硅錠（方框2 ）：定向凝固(DS)和Czochralski (Cz)方法6、7，其中Cz方法使用的電量大約是DS技術(shù)的四倍（32對(duì)7 kWh kg -1的結(jié)晶硅）。隨后將塊和錠切割成典型邊長(zhǎng)為156-210毫米的（偽）方形磚，然后使用多線鋸技術(shù)將其鋸成晶片。在這里，一根細(xì)鋼絲在導(dǎo)向圓柱體上纏繞多次，以同時(shí)鋸切多達(dá)數(shù)千個(gè)晶片。1980年代開發(fā)的原始工藝使用乙二醇溶液中的碳化硅顆粒漿料來切穿硅8.這個(gè)過程有顯著的切口損失（線徑加上碳化硅顆粒直徑的兩倍），加起來高達(dá)120–200 μm。2015年至2019年期間，金剛石線（與金剛石微粒結(jié)合的鋼絲）成為新標(biāo)準(zhǔn)9，將切口損失降低到50–70 μm，并為近年來晶圓價(jià)格的下降做出了重大貢獻(xiàn)。結(jié)合電池厚度的減小和電池效率的提高，原始硅的數(shù)量從2000年的14 g W -1顯著下降到今天的3.0 g W -1（圖1d，所有功率值均指標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的峰值功率）?？偨Y(jié)從沙子到晶片的所有電力消耗，產(chǎn)量略低于100 kWh kg -1（包括用于晶圓切割的5 kWh m - 2），即0.3 kWh W -1。這種能量消耗會(huì)在2到4個(gè)月內(nèi)在野外得到補(bǔ)償，具體取決于輻照度?？偠灾瑢?duì)于DS和Cz生長(zhǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)安裝，如今在南歐國(guó)家，硅光伏系統(tǒng)的能源投資回收時(shí)間不到1年（北歐為1.2年），DS生長(zhǎng)的硅具有輕微優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈捷^低的能源需求10、11，并且僅考慮模塊部分遠(yuǎn)低于1年。

因此，與10年前相比，每平方米模塊面積的硅片成本現(xiàn)在低得驚人。以170 μm的典型晶圓厚度為例，2020年現(xiàn)貨市場(chǎng)上優(yōu)質(zhì)晶圓的多晶硅售價(jià)為每片0.13美元至0.18美元，單晶硅為每片0.30美元至0.35美元，其中，典型尺寸為158.75 × 158.75 mm 2 ，相當(dāng)于6-13 m - 2美元。這一價(jià)格為方框2中討論的替代晶片技術(shù)設(shè)定了高基準(zhǔn)。值得注意的是，對(duì)硅原料的強(qiáng)勁需求導(dǎo)致2021年價(jià)格大幅上漲2到3倍（方框1）。加上光伏玻璃短缺，這導(dǎo)致整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)格上漲，預(yù)計(jì)隨著新產(chǎn)能的增加，價(jià)格將在2022年和2023年再次下降。

框2不同種類的硅

用于光伏的硅晶片可以通過它們的結(jié)晶方式來區(qū)分。在過去的二十年里，通過定向凝固(DS)制造的多晶硅(mc-Si)晶圓平均占據(jù)了大約60%的市場(chǎng)份額。在DS中，熔融硅在方形坩堝中從底部到頂部緩慢結(jié)晶，該坩堝由涂有氮化硅(SiN x )的熔融石英制成（見圖，左圖）。每次凝固都需要一個(gè)新的坩堝。坩堝底部含有晶種以影響晶體生長(zhǎng)38 , 242 , 243.這種“孵化層”由小塊硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅或其他高溫材料制成，用作種子以獲得通常為幾毫米的相對(duì)較小的晶粒，這些晶粒比晶體位錯(cuò)更容易松弛。大顆粒。這種類型的硅被稱為高性能多晶（"HP-multi"）材料?；蛘撸褂脝尉ЬХN導(dǎo)致大部分晶錠具有單晶結(jié)構(gòu)（“準(zhǔn)單晶”或“鑄造單晶”材料）（見圖，中間面板）244。坩堝的尺寸不斷增加：可固化高達(dá)1,650 kg的鑄錠。

受高效鈍化發(fā)射極和背面電池太陽能電池的發(fā)展（需要更高質(zhì)量的基板）的推動(dòng)，以及能夠?qū)崿F(xiàn)多次充電和多次拉晶的Czochralski (Cz)工藝的最新改進(jìn)，2018年出現(xiàn)了硅片市場(chǎng)發(fā)生重大變化。當(dāng)前市場(chǎng)的主要份額現(xiàn)在基于通過Cz方法生長(zhǎng)的單晶錠（見圖，右圖）。在這里，將晶種浸入包含在旋轉(zhuǎn)石英坩堝中的熔融硅中，然后慢慢向上拉，產(chǎn)生約2米長(zhǎng)的圓柱形單晶，直徑通常為200-300毫米。坩堝可以在仍然熱的時(shí)候再充電，并且可以拉出三到五個(gè)錠而不冷卻和破壞受控氣氛245，246、247。__最終，有害金屬雜質(zhì)由于其在液相中較高的溶解度而積聚在熔體中，因此必須更換帶有殘余熔體的坩堝。晶種的斷裂強(qiáng)度（其典型直徑為3毫米）限制了最大鑄錠重量，因此也限制了其長(zhǎng)度。

由于更高的吞吐量和更低的能耗，DS工藝以比Cz方法更低的成本生產(chǎn)硅錠。然而，到目前為止，由于雜質(zhì)從坩堝擴(kuò)散，DS硅比Cz硅有更多的缺陷，而且還有取決于鑄錠中的位置和外部參數(shù)（例如冷卻速度）的沉淀物、位錯(cuò)和晶界。然而，在電池制造過程中可以顯著提高硅的質(zhì)量。作為指示，DS晶錠的世界紀(jì)錄太陽能電池效率為mc-Si的22.8%和準(zhǔn)單晶硅的24.4%（參考文獻(xiàn)74）。相反，Cz錠中的主要雜質(zhì)是氧和碳，其濃度可達(dá)10 18 ?cm -3和5×10 16 ?cm-3，分別為248；通過拉拔器7的精心設(shè)計(jì)，可以降低濃度。由于成本考慮和Cz硅的材料質(zhì)量改進(jìn)，通常用于在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到高性能的浮區(qū)晶體生長(zhǎng)技術(shù)目前未用于光伏行業(yè)。

幾種避免晶錠鋸切步驟的晶圓技術(shù)正在開發(fā)中。在直接外延249中，處理單晶硅襯底以形成多孔硅層。在熱處理之后，使用硅烷或氯硅烷將外延硅沉積到所需的厚度。之后，生長(zhǎng)層可以被剝離250。對(duì)于帶狀硅251，將mc-Si薄片從熔體中拉出并切割成晶片。Direct Wafer技術(shù)252通過選擇性地冷卻表面和剝離固化片材從熔體中生長(zhǎng)多晶硅片。

硅中的載流子壽命

硅的間接帶隙僅產(chǎn)生中等的吸收，因此需要100–200μm的晶圓厚度來吸收大部分能量高于帶隙的光。為了使光生少數(shù)載流子以最小的復(fù)合損耗向選擇性接觸擴(kuò)散，（有效）少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度Leff應(yīng)比晶圓厚度大幾倍；Leff是根據(jù)少數(shù)載流子擴(kuò)散率D和有效剩余載流子壽命τeff定義的?L Dτ=eff eff。

長(zhǎng)壽命需要低水平的重組損失。復(fù)合損失不僅來自于塊體性質(zhì)（框3），還來自于表面的懸掛鍵。通過化學(xué)表面鈍化，這些懸空鍵可以與其他原子結(jié)合，例如，當(dāng)表面被二氧化硅鈍化時(shí)，這些懸空鍵可以與氧結(jié)合。氫還可以非常有效地鈍化懸空鍵。然而，氫鈍化在高溫或紫外線下可能不穩(wěn)定。相比之下，場(chǎng)效應(yīng)表面鈍化依賴于具有合適極性的固定電荷（n型表面的正電荷，如SiNx，或p型表面的負(fù)電荷，如Al2O3）的層，這些層通過帶彎曲累積多數(shù)載流子并耗盡少數(shù)載流子表面，因此，通過從表面移除一種載體12來減少?gòu)?fù)合。原則上，表面鈍化也可以通過反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，但這種鈍化的效率低于積累，對(duì)電荷變化更敏感，并且當(dāng)層因寄生分流而局部打開接觸時(shí)，會(huì)被破壞13,14。

方框3硅太陽能電池的主要損耗

一個(gè)完美的太陽能電池除了物理或熱力學(xué)規(guī)定的損失外不會(huì)有任何損失。在半導(dǎo)體中，能量低于帶隙的光子不會(huì)被吸收。對(duì)于吸收的光子，超過帶隙的部分能量在稱為熱化的過程中消散為熱量。太陽能電池的理論效率極限然后由輻射復(fù)合控制，這是吸收的相互過程。對(duì)于帶隙為1.1 eV的半導(dǎo)體，該工藝產(chǎn)生的極限效率為32% 253 , 254.對(duì)于晶體硅來說，限制復(fù)合過程不是輻射復(fù)合而是俄歇復(fù)合，這與襯底的純度和完美程度無關(guān)。因此，為了評(píng)估最大理論效率，必須準(zhǔn)確確定俄歇過程的參數(shù)。已經(jīng)提出了幾種模型255 , 256 , 257，將效率限制置于29.5% 256 , 257 , 258左右。除了這些基本損耗機(jī)制之外，其他實(shí)際損耗限制了實(shí)際太陽能電池的效率。這些包括缺陷處的復(fù)合、光損耗和電阻損耗。

通過測(cè)量過量電荷載流子的體壽命τ bulk來評(píng)估體中的復(fù)合損失。前部和后部的晶體表面會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)合損失，這些損失通常由表面復(fù)合速度S f和S r表示。表面的熱氧化是減少界面處載流子復(fù)合的極好方法。多年來，該工藝步驟被認(rèn)為過于昂貴，無法用于低成本太陽能電池的工業(yè)制造。然而，它最近在氮化硅（SiN x:H)沉積。傳統(tǒng)上，減少界面處載流子復(fù)合的低成本方法是引入高-低摻雜分布，以降低界面處的少數(shù)載流子密度，例如，在背面場(chǎng)中。場(chǎng)致累積或反轉(zhuǎn)層具有降低有效表面復(fù)合的相同效果。當(dāng)前的高效硅太陽能電池將薄的氧化硅層與用于n型Si的SiN x :H層結(jié)合在一起，或者將帶有負(fù)電荷的氧化硅層與用于p型Si的Al 2 O 3層結(jié)合在一起。

所有復(fù)合路徑并行疊加，導(dǎo)致有效載流子壽命τ eff的定義，在具有相當(dāng)良好表面鈍化的器件上的均勻載流子濃度的情況下，可以寫為：

其中τ bulk包含輻射復(fù)合、俄歇過程和陷阱相關(guān)載流子壽命的貢獻(xiàn)，而τ表面根據(jù)S f和S r以及器件厚度W定義。τ eff的高值確保所產(chǎn)生的過量電荷載流子的低復(fù)合率，因此能夠建立高內(nèi)部電壓。

金屬觸點(diǎn)的遮蔽(~3–4%)、表面反射(~3%)、介電層和觸點(diǎn)中的寄生吸收(<1%)、自由載流子吸收(<1%)或不完美的光會(huì)導(dǎo)致光學(xué)損耗管理（<1%）。一個(gè)良好的光捕獲方案，結(jié)合抗反射涂層、表面紋理、良好的內(nèi)表面反射率、對(duì)紅外波長(zhǎng)的高反射金屬和低摻雜以避免自由載流子吸收，應(yīng)用于顯著增加弱吸收的路徑長(zhǎng)度，長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子，并保證它們可以被硅晶體吸收。此外，理想情況下，應(yīng)反射波長(zhǎng)大于1,200 nm的子帶隙光子，以避免太陽能電池不必要的加熱。

串聯(lián)電阻可能是另一個(gè)重要的功率損耗來源，特別是在發(fā)射極、金屬指和互連中。這些損耗通過不斷的技術(shù)改進(jìn)得到緩解，例如減小指間距（同時(shí)減小指寬度以保持低陰影）、多母線或?qū)Ь€互連（9到20）以及將電池切成兩半甚至更小的子電池。

增加加工過程中的有效壽命

在太陽能電池加工過程中，晶圓塊內(nèi)的缺陷密度會(huì)發(fā)生顯著變化。根據(jù)加工溫度，沉淀物可以溶解或形成，具體取決于它們的溶解度和擴(kuò)散性15，吸雜過程可以通過將過渡金屬吸引和收集到溶解度更高的“水槽”中來去除過渡金屬16。內(nèi)部吸雜是指在擴(kuò)展缺陷或高摻雜區(qū)域中的分離，而外部吸雜利用晶片表面處的層，例如摻雜玻璃17或SiN x :H層18。

除了在表面鈍化中的作用外，氫對(duì)體重組也有積極影響。它可以通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積的富含H的SiN x :H層引入，然后進(jìn)行短時(shí)間退火（燒制）以將氫釋放到體硅中。氫化可有效改善缺陷密度較高的區(qū)域，方便地支持通過吸雜實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，盡管局部缺陷結(jié)構(gòu)非常重要19。還發(fā)現(xiàn)氫化在更清潔的樣品中更有效地提高了τ eff，尤其是在降低晶界20、21、22的復(fù)合活性時(shí)。

整體壽命退化現(xiàn)象

在太陽能電池制造過程結(jié)束時(shí)達(dá)到高τ eff很重要，但這不足以確保長(zhǎng)期有效的太陽能發(fā)電。例如，具有高氧濃度的硼摻雜p型c-Si，例如在Cz材料中，在光照下容易退化23。這種效應(yīng)在載流子注入的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)降低了τ eff ；它與硼濃度幾乎呈線性關(guān)系，與間隙氧濃度大致呈二次方關(guān)系24 , 25.這個(gè)過程被稱為硼氧（BO）相關(guān)的光致降解（LID），這是一種誤導(dǎo)，因?yàn)樗舶l(fā)生在黑暗中的電池偏置下，因?yàn)橹恍枰嬖谶^量的電荷載流子，而不是光子本身. BO-LID施加的基本壽命限制是通過研究完全降解后的體積壽命26建立的。2006年，發(fā)現(xiàn)BO-LID后的壽命可以通過在150–300 °C下在樣品中存在氫氣的情況下涉及過量電荷載流子的過程來再生27、28。降解-再生循環(huán)的動(dòng)力學(xué)可以通過三態(tài)模型（退火、降解和再生狀態(tài)）29和更通用的模型30來描述.通過在200 °C以上的高光強(qiáng)度下暴露少于1分鐘（參考文獻(xiàn)31、32）或在黑暗中將電池偏置在200° C左右（例如，在堆疊配置中），可以使缺陷失活33、34。__失活是長(zhǎng)期穩(wěn)定的，因此，BO-LID不再是硼摻雜Cz硅太陽能電池的主要限制。此外，最近鎵幾乎完全取代了用于制造p型晶片的硼，從而避免了BO-LID問題，即使鑄錠中的鎵分布不如硼分布35均勻。

2012年發(fā)現(xiàn)的體硅中的另一種降解機(jī)制（參考文獻(xiàn)36）僅在室溫以上的可測(cè)量時(shí)間尺度上發(fā)生，主要發(fā)生在p型材料中。因此，它被稱為L(zhǎng)eTID（光和高溫誘導(dǎo)的降解）。與BO-LID類似，它基于過量電荷載流子的存在，但對(duì)摻雜或氧含量沒有明確的依賴性37，并且也可以觀察到再生。這種效應(yīng)在多晶材料36中更為明顯（圖2a），其中其強(qiáng)度會(huì)受到吸雜和局部缺陷結(jié)構(gòu)38、39的影響，但在Cz（包括摻雜鎵）甚至更高純度的浮區(qū)（FZ）材料40、41（圖2b）中也觀察到。最近，LeTID也被報(bào)道用于基于n型晶片的樣品結(jié)構(gòu)，前提是它們包含高度摻雜的p型或n型層42，而具有中等n型摻雜的樣品似乎不受影響41。硅塊體中氫的存在被認(rèn)為是缺陷形成43的先決條件，峰值燒制溫度和升溫速率對(duì)LeTID 39、44的強(qiáng)度有很大影響（圖2b）。早期模型假設(shè)擴(kuò)散物質(zhì)參與過程44。最近的研究結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)四態(tài)模型，其中“水庫”狀態(tài)確定了用于退化的缺陷前體的可用性45。在p型太陽能電池中避免LeTID的可能措施是使用較低的燒制&