低成本晶体硅太阳电池材料的晶界工程

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太阳能是清洁、可再生的能源,而开发利用太阳能的重要途径之一是通过太阳电池进行光伏发电。目前光伏产业90%左右的太阳电池都是采用晶体硅材料制备的。与传统的火力发电相比,晶体硅太阳电池的发电成本还比较高。为了降低太阳电池的成本,低成本太阳能级硅材料(如UMG硅)的光伏应用一直是国内外研究的热点。低成本太阳能级硅材料中通常含有较高浓度的金属杂质,这些金属杂质本身对载流子具有较强的电学复合能力并且能与晶体缺陷相互作用提高缺陷的电学复合性,对太阳电池的效率产生较大的负面影响。

浙江大学硅材料国家重点实验室杨德仁教授和余学功副教授及其研究团队最近在低成本晶体硅太阳电池材料中晶界与金属杂质的相互作用方面做了大量的研究工作。他们定量的阐述了位错和晶界在晶体硅中引入的电学能级的特征参数,包括态密度、能级位置、对载流子的俘获截面以及这些参数与金属杂质沾污的关系及其机制,而且,在此基础上提出了利用晶界对金属杂质的吸杂效应来有效控制金属杂质对晶体硅太阳电池性能影响的“晶界工程”。其基本思路是先采用合适的中温热处理工艺将金属杂质吸附到晶界上,然后通过后续较低温度的退火让金属杂质在晶界上形成沉淀,这样可以大幅度减少材料中电活性复合中心的浓度。材料中缺陷态密度的减小可以通过调节合适的退火工艺形成低密度、大尺寸的金属沉淀来实现。该项研究结果对于有效控制低成本太阳能级硅材料中的金属杂质的有害影响、提高太阳电池效率具有理论指导作用,对于低成本太阳能级硅材料的应用具有重要的实际意义。

相关工作得到了国家自然科学基金、国家科技支撑项目以及浙江大学硅材料国家重点实验室的资助。