硅基单结太阳能电池的制备技术、缺陷及其性能的研究／季鑫等15 硅基单结太阳能电池的制备技术、缺陷及其性能的研究* 季鑫1，杨德仁2，答建成3
(1上海工程技术大学基础教学学院，上海201620；2浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州310027；3上海工
程技术大学材料工程学院，上海201620)
摘要首先综述了硅基单结太阳能电池的分类、制备方法及进展，介绍了化学气相沉积法、液相外延法(LPPE)、金属诱导结晶法(MIC)、磁控溅射法以及分子束外延法等各种硅基太阳能电池的制备方法，阐述了各种制
备工艺的优缺点。其次，总结了单晶硅、多晶硅以及非晶硅太阳能电池在组织结构、缺陷方面的研究现状。最后，对 硅基太阳能电池的机械、电学、光学以及光电性能等方面的研究进展做了论述。
关键词硅基单结太阳能电池制备方法单晶硅多晶硅非晶硅缺陷力学性能
中图分类号：T1334文献标识码：A DO I：10．11896／j．i ss rL1005—023X 2016．03．003
Researches of Preparation Technologies，Defects and Properties of Silicon
Based Single-j unction Solar Cells
羊毛粉JI Xinl，YANG Deren2，DA Jianchen93
(1Colleg e of Fundamental Studie s，Shan gha i Un ivers ity of En gine eri ng Science，Shanghai 201620；2S ta t e Key La bo ra to ry of S il ic on Materials，Zhejiang Un i ve rs i ty，H an gz h ou310027；3College of Materials En gi n ee ri n g，Sh an g ha i University
of Engineering Science，Shanghai 201620)
Abstract The cl a s si f i ca t i on，p r e p a ra t i on tec hno log y a nd development of s ili con ba sed single-jun ction solar c ells
a r e review ed fi r st ly．Al l kinds o f preparation me t h o d s of sili con s o l ar c ell s suc h a s chemical vapor de p o s i ti o n，l i q u i d
phas e epitaxy(LPP E)，metal in duc ed crys ta ll iza ti on(M IC)，mag ne tr on sputte ring and molecu lar be am epitaxy a r e
then introduc ed．In addition，the adv ant age s and dis advan tages of va r i o u s prepar ation techniques a r e desc ri be d．T he
research status of sil icon，p olyc rys tall ine silico n a nd amorphous silico n s ol ar ce lls a r e summ ar ize d．Fi nal ly，t he r e—
search progress on the me c h a n i c a l，e l e c t r i c a l，o p t i c a l and p ho t o e le c t ri c p r o pe r t i e s o f sil ico n b ase d so la r cell s is di s—
cussed．
K ey w ol d s sili con b ase d single-ju nctio n solar c e ll s，p r e p a r a t i o n m et ho d，m on oc ry st all in e silic o n，p ol ys il i co n，
a m o r ph o u s silicon，defect，mechanical pr o p e r t i es
目前太阳能电池获得了日新月异的发展，在未来光伏市0引言
场的份额也将逐步提高。作为性能最好的硅基太阳能电池，随着社会的发展，人类对能源的需求不断地增加，新能其转换效率不断地提高，新的高性能的硅基半导体材料也被源材料和器件引起了全世界科学界的广泛关注。因此，研究应用于太阳能光电材料。为了适应这一发展趋势的需要，许与开发新的和清洁的可再生能源仍然是国际关注的热点。多国内外研究人员在硅基单结太阳能电池的制备技术和性太阳能具有无污染、可再生以及无穷无尽等u3优点，正是由能方面开展了大量的研究工作。本文在硅基单结太阳能电于上述优点太阳能产业将成为世界备受关注的新兴产业。池的制备技术、结构、缺陷以及性能方面进行了简要的介绍，
硅基太阳能电池以其廉价[2]、高效[3]、高的理论转化效最后对硅基太阳能电池的发展趋势和方向进行了展望。
率[43(高达30％)、高的吸收系数[5]和较强的空间抗辐射性能
1硅基太阳能电池的制备方法的研究
等优点，成为最具潜力的第三代太阳电池材料哺]。硅基单结
太阳能电池的研究是近年来迅速发展的热门课题，正是由于目前太阳能电池中应用最广的主要是硅基太阳能电池，它在光伏领域具有潜在的应用前景而受到广泛的关注。研根据硅材料的晶体结构可以分
为单晶硅、多晶硅及非晶硅太究与开发高质量的硅基单结太阳能电池具有重要意义，这将阳能电池‘“。而单晶硅和多晶硅太阳能电池称为晶体硅太在清洁能源利用和纳米量级光电集成中有重要用途。因此，阳能电池，占全世界太阳能电池市场的很大部分。近年来随对它的制备方法和光电机理的研究具有开拓性的意义。着各种制备技术的不断提高，国内外对硅基太阳能电池的研*上海市第六批高校实验技术队伍建设项目(A1～5300—15—020303) 季鑫：1981年生，博士，副教授，主
要研究方向为光电材料和薄膜器件E-m ai l：jix in you xia ng@163．co rn
万方数据
16 材料导报A：综述篇2016年2月CE)第30卷第2期
究活动非常积极，制备方法也呈现出多样化趋势。目前硅基面电极口“，非晶硅太阳能电池的基本结构分为3种：肖特
基单结太阳能电池的制备方法一般有直拉法(单晶硅)，化学气势垒型、异质结结构与p-i—n结构[1“。相沉积法、液相外延法(LPPE)和溅射沉积法(多晶硅)，以及2．1肖特基势垒型反应溅射法、PECVD法和LPCVD法
(非晶硅)等口]。以下针肖特基势垒电池的结构为玻璃或绝缘体／金属电极／染
对硅基太阳能电池的制备方法以及特点进行逐一介绍。料／金属电极，由于结构原因，肖特基势垒电池所吸收的光谱
1．1单晶硅太阳能电池范围很窄，这通常会使太阳能电池的填充因子变小，从而使单晶硅太阳能电池是以高纯度的单晶硅为原料的太阳得太阳能电池的稳定性变差以及转换效率变低[1引。
能电池，是当前效率提高得最快的一种太阳能电池[9]。目2．2异质结结构前，单晶硅的拉制生长技术主要有直
拉法和悬浮区熔法两异质结电池的结构通常为透明绝缘材料／IT0／a—si：H
种。另外，单晶硅电池的高性能建立在高质量的单晶硅材料(i)／A1，它主要由ITO和n—Si：H构成异质结，IT0一
般都与成熟的后处理工艺基础上。随着光伏产业的迅猛发展，传是间并类型的n型，而a—Si：H(i)却是弱n型，因此
就可以统工艺生产的硅原料已不能满足市场发展的要求，所以近年形成异质结。但因为异质结电池的实际应用范围较小
以及来开发了一些适合于太阳能级硅生产制备的新工艺，生产出转化效率较低的特点，所以它仍不能获得大范围的推
广使高纯多晶硅，以用于太阳能单晶硅拉制的原料。新开发的单用。
晶硅电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电2．3 p-i-n结构池，提高转化效率主要靠单晶硅表面微
pc104总线结构处理和分区掺杂对非晶硅电池来说，不能像单晶硅太阳能电池可以利用
工艺。简单的p-n结制备，丽需要采用p-i—n结方式，采用该方法
主
1．2多晶硅太阳能电池要是由于非晶硅的晶体结构所决定：非晶硅属于短程有序而多晶硅太阳能电池主要是通过浇铸多晶硅技术得到，该长程无序的结构，并且有很高的能隙域态密度，这样载流子技
术省去了昂贵的单晶拉制过程，用纯度低的硅作投炉料，的运动除了漂移之外并无别的运动形式。近几年非晶硅电
耗料耗电较小，铸锭工艺主要有定向凝固法和烧铸法两种。池得到快速发展，目前世界上已有许多家公司在生产。20世20世纪70年代中期研究者[10]通过沉积法制备了多晶硅薄纪80年代初，日本大阪大学制备出能量转换效率为4．5％的膜，该方法制备的硅膜晶粒尺寸较小，为获得大尺寸晶粒的菲晶硅p-i—n电池[163。改进后的a-SiC：H
／a-Si：H电池转薄膜，研究者提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多换效率已经超过8％，通过p_i～n
异质结太阳能电池的结构改采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积法(LPCVD)和进其转换效率甚至超过了
10％[17]。国内关于非晶硅薄膜电等离子增强化学气相沉积法(PEcVD)。此外，金属诱导晶体池特别是叠层太
阳能电池的研究不多，南开大学的耿新华法、非晶Si薄膜固相晶化法、激光晶化法、等离子喷涂法、液等[J81
以铝背电极制备出面积为20×20 cm2、转化效率为
相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可以用来制备多晶硅薄膜8．28％的a-Si／a-S i叠层太阳能电
池。电池‘1¨。
硅基太阳能电池的缺陷研究
1．3非晶硅薄膜太阳能电池
相比于多晶硅和单晶硅，非晶硅的制造成本一般比较硅基太阳能电池中的单晶硅、多晶硅以及非晶硅材料在
低，通常采用材料消耗低的工艺，所需的沉积温度较低，能够加工制造以及生长过程中都会产生更多的杂质与缺陷，而杂
沉积的面积大，因此受到人们的重视并得到迅速发展。非晶质和缺陷对太阳能电池的力学性能、电学性能以及光学性能
硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，包括反应溅射法、电研究有重要影响。相关研究者对直拉单晶硅与多晶硅中的
子柬蒸发法、低压化学气相沉积法(LPCVD)、物理气相沉积杂质和位错以及非晶硅薄膜的掺杂进行了大量研究。目前
法、高频率辉光放电法以及热分解硅烷法等[1引。但实际上多提高和改善大直径硅片的力学性能，防止和减少可能产生的
晶硅太阳能电池通常在其表面采用PECVD或LPCVD镀上位错、位错滑移和硅片翘曲，正成为半导体硅材料界研究
的
一层膜，经过热分解产生氢离子然后进行氢钝化。非晶硅太重点之一[1“驯。国内浙江大学硅材料国家实验室的李晓强
阳能电池由于具有较高的转化效率、较低的成本以及较轻的等[2妇采用快速热处理的方式引入cu杂质，利用择优腐蚀
以质量等特点，有着极大的潜力。如果进一步解决稳定性以及及光学显微镜研究了P型硅和n型硅中多种类型缺陷对
Cu 低效率问题，那么非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主杂质沉淀行为的影响。同时，他们还研究了铜杂质在太阳电
要发展产品之一。池用多晶硅中的沉淀及吸杂行为口引，发现铜杂质沉淀行为与
缺陷密度密切相关。另外，赵泽钢等[2朝研究了应力预释放对
2硅基太阳能电池的结构研究
单晶硅片的压痕位错滑移的影响。林磊等[24]通过高温快速硅基太阳能电池按照材料分为同质结太阳能电池、异质热处理法研究硅中氧沉淀在高温快速热处理下的消融行为。
结太阳能电池以及肖特基结太阳能电池[1 3|。到目前为止，世符黎明等[2朝研究了直拉硅中氧沉淀在快速热处理和常规炉
界上绝大多数的太阳能光电器件是用单晶硅制造，而单晶硅退火过程中的高温消融以及再生长行为。太阳能电池主要由
同质结构成。另外，单晶硅太阳能电池片铸造单晶硅具有较高密度的晶界、位错、微缺陷等多种
万方数据
的结构为正面电极、减反射膜、n型层、p-n结以及P型层背缺陷和大量金属杂质[2引，它们影响了电池器件的电学性能，
硅基单结太阳能电池的制备技术、缺陷及其性能的研究／季鑫等．17．
从而降低了太阳电池的转化效率。王莉蓉等‘271通过单步退硅片的表面形成金字塔结构使得转换效率达到最优。火方法研究了直拉单晶硅太阳电池中碳对氧沉淀的作用。4．2光学性能李养贤等[28]对中子辐照的直拉硅中的本征吸除效应进行了硅基太阳能电池的光学性能同样也受到缺陷(位错密研究。也有研究者考察了快中子辐照、电子辐照以及7辐照度)的影响。对于这方面的研究，国外Hayashi S等‘。s3研究等辐照效应对硅晶体太阳能电池的影响[2。陈玉武等‘。01利表明，嵌入Si粒子对于SiO。薄膜的光学性能有很大的影
响。用离子注入技术在铸造多晶硅中引入(铜、铁、镍)杂质，利用陈乐等[46]利用射频磁控溅射法制备了富硅的氧化硅薄膜，发微波光电导衰减仪测试技术研究了杂质对硅片少子寿命的现硅含量的增大使得siq结构与分布发生了改变，硅含量影响。李东升等[31]研究了掺氮直拉硅单晶中氮杂质对位错对Si—NC的光学和电学性能有显著的影响。李斯等
n73利用滑移的钉扎作用，以及热处理过程中位错的滑移释放机理。扩散法制备了两种掺杂浓度的硅p-n结二极管，对它们的室陈君等口2]利用电子背散射衍射技术对铸造多晶硅的晶界类温近红外电致发光性能进行了研究。袁志钟等_83研
究了硅型和晶界复合特性进行了研究。综上所述，大多数研究集中晶体中缺陷的光致和电致发光以及硅晶体缺陷在发光器件于单晶硅的杂质与缺陷的研究，但多晶硅与非晶硅薄膜的缺方面的应用，发现
硅晶体中位错等缺陷可能在硅的禁带中引陷研究仍比较少，相信不久的将来这些方面将会获得突破。入深能级从而达到提高发光效率的目的。
4硅基太阳能电池的性能研究4．3电学性能硅基太阳能电池中的单晶硅、多晶硅以及
非晶硅的电学
4．1力学性能性能主要受到位错密度、杂质以及偏聚的影响。国外的Au—硅片的力学性能是保证器件成品率的先决条件，如果硅couturier M等[49]研究了结构和杂质析出对硅材料电性能的片力学性能达不到要求，那么硅器件在加工制造过程中受到影响，研究表明杂质对于硅电池的电性能转换具有重要影热应力、自身重力以及局部应力使得器件发生损坏[33,34]。一响。Shiyong Liu等[50]通过离子蚀刻来改进多晶硅太阳能电般而言，硅片的力学性能的影响因素主要有两个：一是硅片池的转换效率。李任驹等[5妇通过模拟手段对硅电池伏安特的表面状态；二是杂质原子(锗、磷、砷、氧)对直拉硅单晶力性进行研究，对太阳能电池在一定光照下的电学性能进行了学性能的影响。早在1975年国外的H u S M等[3朝提出了直模拟，并与实际测得的硅太阳能电池伏安特性进行了
拉硅单晶中的氧杂质增强了硅片的机械强度，研究表明氧杂王晓泉等[52]研究了在氢气下退火的工艺对比较。
掺氮直拉硅中热质可以钉扎位错，从而提高硅片的机械强度。目前在单晶硅施主和氮氧复合体的影响，研究表
明低温氢退火注入到硅中中主要通过掺杂方式提高硅片力学性能，研究者们提出了硅的氢量很少，不会对硅片的电阻率产生明显的影响。
中掺氮、掺锗以及锗硼共掺等多种手段用以提高硅材料的力
4．4光电性能
学性能。Peng Wang等[36]研究了锗掺杂提高多晶硅的断裂硅基太阳能电池具有优良的太阳能电池转换效率，即使强度，同样也用三点弯曲实验对其结果进行了研究。Wang 少量的复合造成的能量损失也是由光伏材料的性能决定，一G等口71用三点弯曲方法研究了室温下微氮硅的机械强度，发般可以通过延长少数载流子寿命的方式增强硅基材料的
现氮的掺人明显地改善硅室温下的力学性能，他们认为这可电性能。杨德仁等[5朝通过对硅基一维纳米半导体材料进光
行能和氮氧与硅的成键以及对位错运动的影响有关。而国内研究，讨论了一维纳米材料的阵列化制备及其生长机理，这的徐嵌茂等[38]研究了单晶硅片中维氏压痕诱生的位错在不对于硅基一维纳米半导
体材料的光电性能的研究具有非常同气氛下高温快速热处理中的滑移行为。因此，研究薄片硅重要意义。马忠元等[5妇利用等离子体增强化学气相的力学性能具有非常重要的意义。(PECvD)法沉积了a-Si：H多层膜，并研究了这种方法对沉积
a—
国外的Schoenfelder S等口叼利用三点弯曲方法研究了Si：H／SiOz多层膜的发光特性的影响。
不同切样技术对单晶硅片力学性能的影响，Paul I等[4叩研究了不同厚度
硅片的力学性能，发现提高硅片的力学性能可以5展
望
降低薄硅片太阳能电池的破碎率。而国内浙江大学的杨德
随着光伏时代的到来，光伏太阳能电池在能源方面具有仁等[4妇利用三点弯曲方法研究了不同背电极花样的单晶硅举足轻重的地位，它是宇宙的能量之源。中国已经成为太阳
太阳能电池铝背场和细栅区域的力学性能，发现背电极花样
能电池的生产和使用大国，目前并没有掌握多晶硅生产的核对太阳能电池的断裂强度有明显影响。上述都是利用实验心技术。但是，随着科技的不断进步，各种新能源、新工艺以方法得到结论，而张国英等[42]根据位错理论建立了Si中纯及新材料的开发和应用都将促进硅基太阳能电池研究和应
净及掺杂60。位错模型，利用Recursion方法计算了Si片掺
用的不断发展。可以预计不久的将来，太阳能材料及器件将杂中位错的能量和电子结构，进一步说明了杂质对硅单层的会给我们带来更大的经济和社会效益。力学性能具有重要影响。另外，李东升等[43]通过维氏硬度计
研究了硅单晶表面的接触损伤及硅单晶中杂质对表面损伤参考文献
的影响，发现硅单晶的硬度不仅与晶体的晶向有关，还与所
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牙刷消毒器．18．材料导报A：综述篇2016年2月(上)第30卷第2期
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