適用于太陽能飛行器的單晶硅太陽電池

潘振，呼文韜，王寅，郭林，付增英

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

適用于太陽能飛行器的單晶硅太陽電池

潘振1，呼文韜1，王寅1，郭林2，付增英1

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

綜述了適用于太陽能飛行器的單晶硅太陽電池的國內外研究進展，主要介紹包括IBC、HIT、HBC、PERC等高效太陽電池的器件結構、研制工藝、性能特點以及在太陽能飛行器能源領域的應用。結合可能存在的臨近空間環(huán)境特點，從轉換效率、環(huán)境適應性和可靠性等方面對這幾種太陽電池進行了比較分析。

單晶硅；太陽電池；太陽能；無人機；太陽能飛行器

太陽能飛行器能夠實施超高空長航時飛行，具備持久的對地觀測、偵察、通訊中繼等能力，能源清潔環(huán)保，在軍用和民用領域極具發(fā)展前景。太陽能飛行器通過其表面鋪設的太陽電池陣，將太陽輻射能轉變?yōu)殡娔芄﹦恿ο到y(tǒng)和載荷設備使用[1]。而受太陽輻射能量密度低，太陽電池陣鋪裝面積有限，以及飛行器質量和飛行環(huán)境等諸多條件限制，太陽能飛行器的進一步發(fā)展對其最基本發(fā)電單元——太陽電池的性能提出了更高的要求，主要包括效率、質量比功率、可靠性等方面。單晶硅太陽電池具有研發(fā)制造相對成熟、效率較高、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)勢，適于太陽能飛行器，特別是太陽能飛機、無人機使用。

1 高效率單晶硅太陽電池

1.1 IBC太陽電池

IBC意為叉指型背接觸(Interdigitated Back Contact)，IBC電池的pn結、背表面場和相對應的金屬接觸電極都在背面[2-6]。如圖1所示，由于光照產(chǎn)生的少數(shù)載流子需要擴散通過整個硅片厚度方可到達p-n結區(qū)，IBC電池必須使用少子壽命高的硅片作為襯底，一般選用n型區(qū)熔單晶硅。硅片正面制成絨面陷光結構，具有n+前表面場和鈍化減反射層(如SiO2、SiNx等)。而背面分布著叉指狀的磷和硼局部擴散區(qū)分別作為n+背表面場和p發(fā)射區(qū)，二者之間需被一個未擴散的區(qū)域分隔開。金屬電極并不是與n+背場或p發(fā)射區(qū)全部接觸，而是通過絕緣鈍化薄膜的局域開口與擴散區(qū)局部接觸。該結構設計最大程度降低了少子復合率，從而提高了電池的效率，但會使制備工藝步驟多而復雜。背面鈍化層可采用Al2O3或SiO2等薄膜，制程中需多步掩膜或激光刻劃工藝以隔離不同極性的區(qū)域及相應的電極。電極制備如選用絲網(wǎng)印刷工藝則需要與鈍化層開槽精確對準，另外可采用沉積金屬種子層然后電鍍加厚的方法。

圖1 IBC太陽電池結構

IBC太陽電池優(yōu)點是：(1)前表面無金屬柵線，因此沒有遮光，可專注于陷光結構和鈍化性能的設計，利于提升短路電流；(2)背面電極設計可單純考慮提升接觸特性、降低串阻，能使用更寬的電極，從而提高填充因子；(3)效率高，輸出功率高，可靠性好；(4)正負電極均在背面，組合較為容易，利于實現(xiàn)自動化程度更高的表面貼裝技術(SMT)制備組件，同時提高了電池封裝密度，使整體組件的轉換效率提升；(5)組件外觀一致、美觀。

2014年澳大利亞國立大學研發(fā)的小面積IBC電池效率達24.4%[5]。SunPower公司是最知名的IBC太陽電池生產(chǎn)商，電極采用電鍍工藝，實驗室效率高達25%[6]，該公司已為國際上多架太陽能飛行器和賽車提供IBC電池。IBC電池用于太陽能飛行器光伏電源目前已有多個報道。近期的陽光動力2號(Solar Impulse II)太陽能飛機其電力來源于機翼、機身和水平尾翼上安裝的總共17 248片SunPower的厚度為135 μm、效率為22.7%的IBC高效太陽電池。美國Titan Aerospace公司開發(fā)的小型版Solara無人機，根據(jù)公布的相關視頻可判斷其使用的是IBC電池。2001年創(chuàng)下無燃料飛行器飛行高度紀錄(29 524米)的“太陽神”號(Helios)無人機使用的也是IBC電池。

1.2 HIT太陽電池

HIT是Heterojunction with Intrinsic Thin Layer的縮寫，意為本征薄層異質結。HIT太陽電池是以光照射側的p/i型非晶硅(a-Si)薄層(5～10 nm)作為發(fā)射區(qū)和背面的i/n型a-Si薄層(5～10 nm)作為背場，中間夾住單晶硅片(通常為n型)基區(qū)，兩側頂層為透明導電氧化物層(TCO)和電極，具有對稱的結構[7](圖2)。

圖2 HIT太陽電池結構

HIT太陽電池的a-Si薄層與單晶硅(c-Si)形成p-n異質結。a-Si禁帶寬度比c-Si更寬，二者形成的異質結內建電場比c-Si同質結更強。此外，所插入的高質量本征非晶硅(i型a-Si)薄層還起到了如傳統(tǒng)硅電池中的SiO2、SiNx等絕緣介質層一樣對晶體硅表面的鈍化作用。較高的異質結內建電場和優(yōu)良的鈍化性能，能更大程度地減少光生載流子的非輻射復合，降低表面、界面漏電流，提高開路電壓(Voc)，為提高HIT電池光電轉換效率創(chuàng)造了條件[8-9]。

太陽電池Voc越高，輸出性能的溫度依存性越小。高Voc的HIT電池具有較低的溫度系數(shù)，通常為－0.25%/℃，明顯優(yōu)于普通晶硅電池，這使得HIT電池在較高的工作溫度下與普通晶硅電池相比可產(chǎn)生更高的功率輸出。

HIT電池采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)工藝制備a-Si薄層，能夠在～200℃的較低溫度下進行，明顯低于傳統(tǒng)晶硅電池的擴散工藝溫度(一般在800℃以上)。這種低溫工藝特性和對稱的器件結構減少了成膜時因熱量而產(chǎn)生的硅晶片的形變和損傷，對實現(xiàn)電池器件的減薄化、輕質化和高效化極為有利。

HIT電池可實現(xiàn)器件的薄型化，這不但能提高質量比功率，而且使電池片具有一定柔性，可承受一定程度的彎曲(圖3)，這一優(yōu)點非常有利于其在太陽能飛行器方面的應用。

圖3 可彎曲的薄型HIT太陽電池

2013年報道了松下/三洋公司研制的101.8 cm2的HIT電池效率為24.7%[9]，Voc=750 mV(其他參數(shù)Jsc=39.5 mA/cm2，F(xiàn)F=0.832)，批產(chǎn)轉換效率可達22.5%。

1.3 HBC太陽電池

HBC即異質結背接觸(Heterojunction Back Contact)，實際上就是HIT和IBC結構相結合(HIT+IBC)的太陽電池[10]。

2014年日本松下/三洋公布了其研發(fā)成果，143.7 cm2面積的HBC太陽電池效率達到了25.6%[11]，打破了塵封15年的硅基太陽電池世界紀錄(原紀錄為鈍化發(fā)射區(qū)和背面局部擴散p型單晶硅電池(PERL)[12-14]，面積4 cm2，效率24.7%[14]，經(jīng)光譜重新校準后效率為25%)。在大面積硅片上實現(xiàn)這一高效率表明了其今后實際應用的巨大潛力(圖4)。

圖4 HBC太陽電池結構

HBC太陽電池保留了a-Si本征層和異質結，而將受光面的發(fā)射區(qū)和電極移到了電池背面。c-Si/a-Si異質結能夠保證較高的內建電場和優(yōu)良的鈍化效果，提高了開路電壓；去掉前表面遮光的柵線，而在異質結基礎上組合使用背接觸電極的結構，增加了短路電流并提高了填充因子。該類電池集合了HIT和IBC各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)了光電轉換效率的突破。

在融合異質結和背接觸結構上開展工作的還有日本夏普和韓國LG電子等公司。夏普公布了小面積(3.72 cm2)HBC電池效率達到25.1%[15]。目前HBC電池正處于研制階段，尚未大規(guī)模量產(chǎn)，然而效率>25%的成果接連發(fā)布，可以預見其研究開發(fā)今后將會非常活躍，該技術也將得到更為廣泛的應用。

1.4 p型PERC單晶硅太陽電池

PERC為鈍化發(fā)射極與背面電池(Passivated Emitter and Rear Cell)[16]。HIT和IBC技術通常用于制備n型高效太陽電池，而PERC適用范圍廣，p型、n型單晶硅以及多晶硅硅片均可作為襯底。PERC是目前較為成熟的能夠用于量產(chǎn)制備效率超過20%的p型電池(襯底基區(qū)為p型)的技術，工藝復雜度和成本均低于HIT和IBC技術(圖5)。

圖5 PERC太陽電池結構

普通晶硅電池中鋁背場完全覆蓋了電池背面，起到較好的吸雜作用，并作為p+背場一定程度上阻止了少數(shù)載流子向背面的遷移。然而電池背面硅與金屬鋁(Si/Al)接觸界面的態(tài)密度比較高，而對光的反射率又比較低，因此全鋁背場會帶來背面復合速率較高以及電池對長波光子利用率低等問題。在硅片減薄情況下這些問題將更為突出，并且還會造成電池片翹曲度增大，很大程度上限制了電池的轉換效率。PERC電池上表面仍采用SiNx或SiO2絕緣層鈍化電池的發(fā)射極，不同之處在于背面用局部接觸來代替普通晶硅電池的全鋁背場，并采用原子層沉積(ALD)Al2O3和PECVD制備SiNx雙層介質膜進行背表面鈍化[17-18]。ALD制備的Al2O3對Si表面鈍化效果非常好，界面處產(chǎn)生極低的表面態(tài)密度，同時還能減少金屬雜質和表面層錯，從而大大降低背表面處的復合速率，使硅片具有較長的少子壽命。SiNx、Al2O3介質鈍化膜位于背面金屬層和硅基區(qū)之間，避免了兩者直接接觸，可有效防止電池片的翹曲，同時雙層鈍化膜的合理組合設計配合底面金屬層能夠起到很好的背反射作用，增加了電池對長波光子的吸收和利用。這些優(yōu)勢的集中使得大尺寸p型PERC太陽電池能夠突破20%的光電轉換效率[18-19]。近期德國SolarWorld研制的一款p型PERC電池效率達到21.7%，為目前最高紀錄(圖6)。

圖6 PERC太陽電池與普通單晶硅電池結構對比

1.5 用于太陽能無人機的單晶硅太陽電池組件

用于太陽能無人機的太陽電池組件與地面或空間用光伏組件有所不同。除需滿足質量輕、與機翼表面形狀貼合等要求外，串并聯(lián)組合以及封裝還應考慮飛行過程中的可靠性，如升空后高低溫變化和濕度影響，飛行過程中機翼的振顫形變，著陸時的瞬間沖擊等。通常選用透光、阻濕性好且具有一定柔性和機械強度的高分子膜作為組件封裝材料。

中國電子科技集團公司第十八研究所開發(fā)并掌握了無人機機翼蒙皮一體化單晶硅電池組合封裝技術，研制出了半剛性高效太陽電池組件，并通過了力學、低壓、濕熱等多項可靠性測試(圖7)。

圖7 太陽能無人機用高效單晶硅太陽電池組件

2 綜合分析

飛行器用太陽電池的選擇，除需參考其標準輸出特性參數(shù)外，還應結合飛行環(huán)境考慮太陽電池自身性能特點，涉及內容甚至包括電池的器件結構、材料以及具體工藝對可靠性和穩(wěn)定性的影響，并進行相應的驗證和分析。

表1總結了目前單晶硅電池研發(fā)和生產(chǎn)的進展情況。高效單晶硅電池的研制持續(xù)開展，電池效率穩(wěn)步提升并迅速向規(guī)?；慨a(chǎn)推進，這為其應用于太陽能飛行器創(chuàng)造了有利條件。

??????????????????????????????????????? ?????????P?PERL??25%(UNSW) ??P??????18%～19%P?PERC??21.7%(SolarWorld) P?PERC??20%～20.7%N?IBC??25%(SunPower) N?IBC??21%～23%N?HIT??24.7%(Panasonic) N?HIT??20.5%～22%N?HBC??25.6%(Panasonic)

HIT電池除具有比功率高、溫度系數(shù)低等優(yōu)勢外，還可根據(jù)實際需求進行劃片，裁剪適宜的形狀尺寸進行組合。存在問題是HIT電池片相對脆弱，抗沖擊性較差。另外在超高空飛行器應用中，HIT正面的a-Si成分以及絲網(wǎng)印刷電極，其可靠性和長期穩(wěn)定性方面可能存在一定隱患。太陽光譜中短波長的紫外光主要在太陽電池上表面附近被吸收，HIT電池p/i型a-Si正位于此處。在紫外光很強的超高空光照條件下，a-Si內部微結構可能會發(fā)生變化，產(chǎn)生一定數(shù)量中性懸掛鍵等亞穩(wěn)態(tài)缺陷，使復合損失增加，導致性能衰退。而絲網(wǎng)印刷后烘干或燒結工藝制備的電極，其內部會殘留一些玻璃層或孔洞，雖具有與金屬相近的導電性能，但質地較脆，延展性和抗沖擊性較差。這兩個因素對HIT電池性能的影響尚不十分明確。

IBC太陽電池目前已有較多用于太陽能飛機的成功先例。位于背面的電極較為寬、厚，電極采用電鍍工藝制備，其導電性、金屬延展性和可靠性明顯優(yōu)于絲網(wǎng)印刷電極。IBC電池片機械強度較好，可靠性高，采用獨特的共面互聯(lián)技術制備的組件，某一部位電池出現(xiàn)裂片時仍能繼續(xù)發(fā)電。而其缺點是不適宜進行劃片剪裁，質量比功率比HIT電池略低。

HBC太陽電池目前尚未進入規(guī)?；慨a(chǎn)階段，但電池結構以及轉換效率的優(yōu)勢顯而易見。將a-Si層和電極全部轉移到背面就在很大程度上消除了前述HIT電池可靠性方面存在的隱患，且在大面積的電池上實現(xiàn)突破記錄的高效率，未來發(fā)展和應用空間廣闊。

太陽電池發(fā)展之初主要應用于航天領域。1963年Bell實驗室發(fā)現(xiàn)高能粒子輻射下n型電池性能衰減嚴重，穩(wěn)定后效率明顯低于類似結構的p型電池[20]，各國研究機構也獲得了同樣結論。因此抗輻射性能更好的p型電池成為空間應用的首選，隨后地面光伏也沿用了p型。由于地面應用無需考慮輻射影響，而n型單晶硅相較于p型具有少子壽命長、對雜質容忍度高以及地面光照條件下光致衰退不明顯等優(yōu)點，近幾年n型電池研制受到重視，效率已明顯超過p型電池。太陽能飛行器如在較低空飛行，高效n型電池具有優(yōu)勢。而對于20 km以上的超高空平流層，紫外線、宇宙射線、高能粒子的輻射將會明顯增強[21]，n型太陽電池在這一區(qū)域工作，長期可靠性可能存在隱患，因此需考慮一種抗輻射性能好的高效p型電池作為備選方案。PERC技術目前能實現(xiàn)量產(chǎn)轉換效率>20%的p型電池，滿足備選和補充條件。隨著硅原料的提純、摻雜以及硅單晶生長等技術不斷進步，p型硅片的質量和性能將會進一步得到改善，而PERC器件工藝今后如能與選擇性發(fā)射極(Selective Emitter)以及硅片減薄化等技術相結合，未來將能夠制造出效率更高、性能更適合超高空飛行器應用的PERC太陽電池。

需要特別指出的是，為提高產(chǎn)能、降低成本，單晶硅電池制造商大都傾向于采用絲網(wǎng)印刷結合烘干燒結的電極制備工藝，而這類電池應用于飛行器將存在諸多不確定因素。解決該問題，除對電池可靠性進行嚴格的考量和驗證外，還需通過與廠商合作，專門針對電極開發(fā)更為可靠的制備工藝，以滿足實際應用的需求。

3 展望

太陽電池效率和比功率的提升是太陽能飛行器發(fā)展的重要需求之一。單晶硅電池實驗室最高效率目前已比較接近理論極限，進一步提高的空間不是很大，未來主要是進行工藝優(yōu)化和改進使批產(chǎn)電池的效率向實驗室效率逐步逼近，而通過硅片減薄或硅外延等技術來提高質量比功率的方案仍具一定潛力。

介于空、天之間的臨近空間尚未深入探索，目前對該區(qū)域氣候以及射線或粒子輻射等環(huán)境信息的掌握并不十分充分，太陽電池用于高空飛行器現(xiàn)階段能夠借鑒的經(jīng)驗不多。今后可在飛行器試飛過程中，獲取相應高度的環(huán)境特征以及對電池性能的影響等信息，進而對太陽電池的設計、工藝進行有針對性的調整和改進，經(jīng)過多次反饋迭代，最終研制出適用于超高空太陽能飛行器的高效太陽電池。

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Monocrystalline Si solar cells suitable for solar aerial vehicle

PAN Zhen1,HU Wen-tao1,WANG Yin1,GUO Lin2,FU Zeng-ying1
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

The search progress of the monocrystalline silicon solar cells for solar aerial vehicle was reviewed,including IBC,HIT,HBC,PERC solar cells.The device structures,processing technologies,characteristics and application in solar aerial vehicle were introduced.According to possible environmental characteristics of near space,the efficiency,environmental suitability and reliability of these solar cells were contrasted and analyzed.

monocrystalline silicon;solar cell;solar energy;UAV;solar aerial vehicle

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1722-04

2016-01-28

潘振(1983—)，男，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向為太陽電池。