复旦大学信息学院陆明教授课题组制备出一种18.97%效率的黑硅发射极晶硅太阳电池

Published：2016-09-23

近日，我校光科学与工程系陆明教授课题组博士生王亮兴等人利用黑硅材料制备出了高效的太阳电池。9月19日，相关学术论文“A porous Si emitter crystalline-Si solar cell with 18.97% efficiency”在《纳米技术》（Nanotechnology）上发表，同时该文入选《纳米技术选集》（翻译请确认）（Nanotechnology Select Collection）。陆明教授代表课题组接受了《纳米技术》（Nanotechnology）的专访，采访内容以“Simple silicon etch has multiple photovoltaic benefits”为题在线发表于该期刊官方网站。我校光科学与工程系博士生周智全和郝洪辰分别为文章的第二和第三作者。

目前，晶体硅电池在太阳电池中占比约90%，在太阳能发电应用市场占据主导地位，且未来几十年仍将保持这种趋势。电池效率的提升，依赖于电池表面反射率的降低和对太阳光的充分利用。常规多晶硅电池主要通过采用酸制绒形成蠕虫状的坑洞来降低反射率；而单晶硅电池则采用碱制绒，形成金字塔结构的绒面。传统的绒面和减反射膜的制备工艺成本高，尤其是在短波长和长波的近红外区域的减反射效果比较差。如何降低太阳能电池的制作成本，提高其电池效率成为工业界和学术界一直关注的问题。
陆明教授课题组创新性地提出了一种提高电池效率的新方法。这种方法采用黑硅材料，制备的电池效率突破国际上同类结构电池的最高水平，达到18.97%。
课题组通过在p型单晶Si(100)(110.2 mm3)上扩散磷制备pn结，利用化学刻蚀方法在n型发射极中形成多孔黑硅，其紫外可见光范围反射率低于0.3%（图1）。黑硅由Si纳米晶组成（图2），其中黑硅表面由SiO2钝化，背面由Al2O3钝化，顶电极用ITO，背电极用Al，从而构筑出太阳电池（图3）。与平面晶硅电池相比，这种黑硅电池具有宽谱特性（图4），其光电转换效率高达18.97%。由于硅纳米晶带隙高于晶硅，因此该黑硅电池的开路电压高于相应的平面硅电池，而且，发射极的梯度带隙结构抑制了前表面电子和空穴的复合。另外，由于短波长范围吸收度高，短波长处的光伏响应也较好。因为采用了背面场效应钝化，抑制了背面区域长波长光激发产生的电子和空穴的复合，使得长波长处的光伏响应显著提升。未来可通过提升开路电压和增强填充因子，进一步提升该黑硅电池的效率。
与其它黑硅电池的制备方法相比，这种黑硅的制造方法简单，且在很宽的波长范围内的反射更低（小于0.3%），在短波长范围内的量子效率很高，说明表面复合较小。制造这种黑硅太阳电池无需增加任何设备，比传统绒面加减反射膜的工艺简单、成本更低、效果更好。如《纳米科技》的报道所言，这是“一种简单的且与工业上硅太阳电池制备工艺兼容的制备方法。该方法同时减少了载流子的复合，提高硅太阳能电池的光吸收，转换效率达到18.97%”。
该研究获得了国家科技部973项目和国家自然科学基金的支持。