一种18.97%效率的黑硅发射极晶硅太阳电池

    复旦大学光科学与工程系陆明教授课题组博士生王亮兴等人利用简单的制备工艺，实现了利用黑硅材料制备高效的太阳电池。9月19日，相关研究论文“A porous Si emitter crystalline-Si solar cell with 18.97% efficiency”发表在《Nanotechnology》，同时该文入选《Nanotechnology Select Collection》，入选论文系发表在《Nanotechnology》中最好的文章。陆明教授代表课题组接受了该期刊的专访，采访内容以“Simple silicon etch has multiple photovoltaic benefits”为题在线发表在http://nanotechweb.org/cws/article/tech/65876。论文已在线发表http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/27/42/425207。光科学与工程系博士生周智全和郝洪辰分别为第二和第三作者。

陆明教授（右一）和他的研究团队

              目前使用的太阳电池中，晶体硅电池在太阳能发电应用市场占据主导地位，占比约90%，这种趋势将在未来几十年仍将保持。电池效率的提升，依赖于表面反射率的降低和对太阳光的充分利用。常规多晶硅电池减反主要采用酸制绒，形成蠕虫状的坑洞；而单晶采用碱制绒，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和学术界内一直关注的问题。复旦大学光科学与工程系陆明教授领导的课题组创新性的提出了一种提高电池效率的新方法，这种方法采用了黑硅材料，制备的电池效率突破了19%，系国际上同类电池中最高的。

              该高效率黑硅太阳能电池的制备工艺简单，成本低廉。作者通过在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）。在此基础上构筑太阳电池（图3），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。与平面晶硅电池相比，这种黑硅电池具有宽谱特性（图4），其光电转换效率达到18.97%。硅纳米晶带隙高于晶硅的，因此该黑硅电池的开路电压比平面硅电池的高。另外，由于短波长范围的高吸收度，短波长处的光伏响应也较优。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，由此使长波长处的光伏响应也显著提升。将通过提升开路电压和增强填充因子，进一步提升该种黑硅电池效率。

论文的主要结果

      与其它方法制备的黑硅电池相比，这种黑硅的制造方法十分简单，并且在很宽的波长范围内的反射更低（小于0.3%），在短波长范围的量子效率很高，说明表面复合较小。而且制造这种黑硅太阳电池无需增加任何设备，而且比传统绒面加减反射膜的工艺更简单、成本更低、效果更好。

      在采访报道中提到：在中国上海的复旦大学陆明教授和他的团队已经证明了使用一种简单的且与工业上Si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，实现转换效率达到18.97%。

      该研究得到了国家科技部973项目和国家自然科学基金的支持。