南昌大学光伏研究院太阳电池研究与开发
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南昌大学光伏研究院设立太阳电池研究所。目前研发重点主要集中于以下五方面：高效晶体硅异质结太阳电池器件结构设计与制造技术；晶体硅太阳电池设计与工艺创新；CIGS、CZTS系列器件结构设计与关键技术；低成本高稳定性新型钙钛矿太阳电池设计与制造技术；杂质带硅基光伏电池理论研究与器件设计。对各方向分述如下。
感谢国家自然科学基金委、国家教育部、江西省科技厅、江西省教育厅、赛维LDK太阳能、协鑫集成、浙江正泰太阳能、中科院上海高等研究院、南京航空航天大学等部门、企业和单位的支持与合作。
1 高效硅基异质结太阳电池器件结构设计与制造技术（黄海宾，周浪，Wolfgang R.Fahrner，岳之浩，袁吉仁，孙喜莲，龚洪勇，何玉平，崔冶青，高江，宁武涛）
硅基异质结太阳电池一般由p型氢化非晶硅薄膜与n型晶体硅片形成pn结，它具有输出电压高、温度系数低、弱光效应强、可双面进光等多方面优良特性，而生产工序却更加简洁，能耗更低。近年来以Panasonic的HIT为代表的晶硅异质结太阳电池技术不断获得突破，转换效率达到了25.6%（AM1.5），创造了晶硅太阳电池新的世界纪录。为推进此类太阳电池的国产化，我们在其结构设计及本征钝化层材料与工艺方面开展了一系列研究。提出了双层发射极和双层背电场结构，并从理论和实验证实了该结构的优势与可行性（结构如图1所示）[1-5]；研究了本征非晶硅钝化硅片表面的机理与影响因素，开发了掺氧氢化非晶硅薄膜钝化材料，提高了本征层对硅片表面的钝化效果，且增大了工艺窗口（如图2所示），从而可提高产品的稳定性和良品率[6-11]。我们积极参与了由协鑫集成（原超日太阳能）承担的国家863项目“MW级薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池产业化关键技术”的中试线建设、研发与产业化推进工作（图3）；与浙江正泰太阳能合作开展了以非晶硅薄膜太阳电池线试制异质结太阳电池的研发（图3）；与国内外一批杰出半导体产业专家合作组建了“硅基异质结太阳电池产业技术中心”，致力中国硅基异质结太阳电池及组件产业的推进发展。
(a） (b)
图1 (a) AFORS-HET软件模拟分析所得双层发射极与单层发射极HJT的IV曲线和量子效率，显示效率的提升来源于短波量子效率的提升；（b）实验制备所得不同参数的双层发射极HJt太阳电池相比于单层发射极HJT，有利于提高太阳电池的短路电流，与理论分析相一致[1-5]
（a） （b）
图2. （a）掺氧本征非晶硅薄膜与本征非晶硅薄膜PEVCD法沉积时沉积气压的影响；（b）两种薄膜钝化硅片后进行热处理时温度对钝化效果的影响。[7,9] 从图中可看出：掺氧非晶硅薄膜钝化相比于本征非晶硅薄膜钝化提高了钝化效果并降低了工艺敏感性，有利于提高产品的性能和良率
图3. 从Lab到Fab… 从左到右依次为：太阳电池研究所超净实验室、所制硅基异质结太阳电池样品、2012年获中国光伏大会优秀论文奖、在国际上出版硅基异质结太阳电池专著、团队成员在协鑫集成863项目中试线。
2014年12月江苏宜兴国家863计划“高效异质结太阳电池技术”产业化推进发布会。中国可再生能源学会理事长石定寰到会致辞。南昌大学光伏研究院与上海交大和中科院电工所作为技术支持单位共同承办此会。
[1] HUANG Haibin, GAO Jiang, Wolfgang R. Fahrner, ZHOU Lang. Theoretical analysis of the double-layer emitter with different doping concentrations for a a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. 中国科技论文在线. http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2014/04/282/
[2] 高江，周浪，黄海宾，崔冶青。双层梯度掺杂发射极HIT太阳电池的模拟研究。中国光伏大会暨国际光伏展览会（CPVC12），北京，9月6日，2012.
[3] 黄海宾，高江，周浪。双层发射极结构改善a-Si:H/c-Si异质结太阳电池性能的机理分析。第八届太阳能级硅级光伏发电研讨会 （CSPV8），上海，12月7日，2012.
[4] 黄海宾，宁武涛，龚洪勇，周浪：双层发射极结构改善晶硅异质结太阳电池性能的实验研究. 第10届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(10th CSPV ), 南通,11月8日,2014.
[5] 黄海宾;周浪;.一种晶硅异质结太阳电池的发射极结构. 公开号：CN102683468A, 2012年9月公开。
[6] 龚洪勇，周浪，黄海宾，向昱任，汪已琳，张东华，高江，崔冶青. PECVD法非晶硅薄膜对太阳能级n型直拉单晶硅片钝化效果的研究. 太阳能，2013，（1）：32－34.
[7] 龚洪勇, 黄海宾,高江，周浪*. 低速率沉积非晶硅薄膜钝化Cz-Si片的研究 [J]. 太阳能学报, 2015.
[8] 龚洪勇, 黄海宾, 周浪*. 晶体硅金字塔绒面结构圆化对其光反射率和非晶硅薄膜钝化效果的影响[J].人工晶体学报,2015.
[9] 黄海宾，张东华，汪已琳，龚洪勇，高江，Wolfgang R. Fahrner, 周浪。α-SiOx:H钝化Cz-Si表面的工艺优化与机制分析[J].功能材料，2014, 45(9):101-103。
[10] 何玉平,黄海宾*,龚洪勇,周浪. a-Si:H基薄膜中SiH及SiH2键构成对n型直拉单晶硅片钝化效果的影响研究. 真空科学与技术. 2015
[11] 黄海宾;周 浪;沃尔夫冈·法赫纳;张东华. 掺氧氢化非晶硅薄膜高效钝化晶硅异质结太阳能电池用硅片的方法. 公开号: CN103590014A. 2014年2月公开.
2 晶体硅太阳电池设计与工艺创新（岳之浩，周浪，黄海宾，肖志刚，陈文浩，韩宇哲）
基于扩散制结的常规晶体硅太阳电池在现有技术路线及装备条件下的发展已渐趋瓶颈，创新设计新的技术路线乃至器件结构是推动晶体硅太阳电池长久健康发展的的根本。基于对太阳电池工作原理的认识及现有技术的发展阶段，我们对常规晶硅太阳电池的正反面栅线结构进行了重新的设计（图4），可在目前栅线结构的基础上节省浆料30%以上[1-3]。提出了新型固态源扩散法制备晶硅太阳电池发射极技术，以解决目前三氯氧磷扩散制备高方阻发射极均匀性及可控性差的问题，目前的实验结果已证实了该方案的可行性 [4]，获得了方阻从几十到200范围内准确可控的技术方案。
为进一步提高晶体硅太阳电池的转换效率，发展与现有产线技术想兼容的器件结构和技术路线，我们进一步发展了“双发射极”晶硅太阳电池的结构（图5）及系列制成技术路线，进一步拓宽了晶硅异质结太阳电池概念，可望进一步提高晶硅太阳电池的转换效率并降低成本，并可最大限度的利用现有晶硅电池产线设备[5-8]。
图4. 以触盘代替主栅线的晶硅太阳电池正面电极结构示意图
（a） （b） （c）
图5. （a）双发射极结构晶硅太阳电池结构示意图；（b）模拟分析所得完成双发射极结构（结构3）及分布缺失非晶硅发射极层（结构1）或晶体硅发射极层（结构2）的太阳电池量子效率的对比；（c）实验所得完整双发射极结构太阳电池与缺失非晶硅发射极层的太阳电池的量子效率的对比
[1]黄海宾,周浪. 一种晶体硅太阳电池的电极.专利号：ZL 2013 2 0847319.9，2014年6月授权
[2]黄海宾,周浪. 一种晶体硅太阳电池电极的背面结构.专利号：ZL201320847317.X，2014年6月授权.
[3]岳之浩,周潘兵,黄海宾,周浪. 一种以触盘代替主栅线的太阳电池正面电极栅线结构. 公开号：CN201410421063.4，2014年12月公开.
[4]黄海宾,岳之浩,周浪. 一种晶体硅基太阳电池及其制备方法. 公开号：CN104300011A，2015年1月公开.
[5]黄海宾;周 浪;高江;崔冶青. 一种太阳能电池用的图形化掺杂晶硅薄膜制备方法. 公开号：CN201310474882.0, 2014年2月公开.
[6]黄海宾,周 浪,崔冶青,高 江. 用于太阳能电池的多晶硅/单晶硅异质结结构及其制备方法. 公开号：CN103594541A , 2014年2月公开.
[7]黄海宾,岳之浩,周浪. 一种晶体硅基太阳电池及其制备方法. 公开号: CN104300011A，2015年1月公开
[8]岳之浩，黄海宾*，何玉平，周浪：a-Si:H/c-Si双层发射极的p型多晶硅高效太阳电池的初步研究. 第10届中国太阳级硅及光伏发电研讨会(10th CSPV ), 南通,11月8日,2014.
3 低成本高稳定性新型钙钛矿太阳电池设计与制造技术（姚凯，李璠）
虽只有3年左右的发展，钙钛矿太阳电池能量转换效率已达到了20%以上，且在材料、制备、性能等多个方面具备潜在的优势，因此成为未来最有潜力的太阳电池技术之一。如果钙钛矿太阳电池能够获得大规模的商业应用，将会对现有的太阳电池行业造成很到的很大的冲击，而钙钛矿太阳电池研究中的领先者将在未来的太阳电池产业竞争中抢占先机。不仅如此，钙钛矿太阳电池还可以制备在柔性衬底上，市场空间巨大。然而其目前所用的空穴传输材料价格高昂，且掺杂后的空穴传输材料对整个器件的稳定性有很大的降低。我们提出了以原位制备层状钙钛矿的方法来改善有机铅碘钙钛矿的结晶性和成膜性，制备过程中不需要高温，降低了制备成本，同时保证了电池的高稳定性。同时我们采取该杂化材料制备柔性钙钛矿太阳能电池，初步器件效率接近13%（图6），在空气中的稳定性比参照电池有了明显提高。材料的优化方面还有很大的提升空间，具有很好的应用前景 [1-3] 。
图6. 所制备的基于新型空穴传输材料的小面积柔性钙钛矿太阳能电池样品及其I-V曲线
[1] Kai Yao, Xiaofeng Wang, Yun-xiang Xu, Fan Li, Lang Zhou, Interface Engineering of Efficient and Stable Perovskite Solar Cells Induced by In-Situ-Generated Layered Perovskite Derived from Polymeric Ammonium Anchor, submitted.
[2] 李璠，姚凯，王晓峰，一种层状钙钛矿结构材料及在甲胺碘钙钛矿薄膜太阳能电池中的应用，专利申请号：201510277550.2
[3]. Kai Yao, Yun-Xiang Xu, Fan Li, Xiaofeng Wang, Lang Zhou, A Simple and Universal Method to Increase Light Absorption in Ternary Blend Polymer Solar Cells Based on Ladder-Type Polymers, Advanced Optical Materials, 2014, 3, 321.
4 杂质带硅基光伏电池理论研究与器件设计（袁吉仁，黄海宾，周浪）
中间带太阳电池作为新型高效的第三代太阳电池的典型代表之一，具有器件结构简单、制作成本较低等显著优点，并且其理论转换效率可高达 63.2%，因而极大地引发了人们对它的研究兴趣。杂质中间带太阳电池是指通过掺入超过Mott相变浓度的杂质以在半导体吸收层的禁带中引入允带的光伏器件。杂质带的“跳板”作用使得低于带隙能量的光子可被有效吸收，提高了器件的光电转换效率。近几年我们的研究发现[1-4]：可以根据杂质在半导体中的热俘获截面的大小来评估该种杂质用于杂质光伏效应中的潜能（图7）；在硅中掺入镁杂质后能够提高器件的转换效率，且镁元素在硅中形成的两个杂质能级对电池性能的影响不同，其中导带下0.26eV杂质能级要优于导带下0.108eV的杂质能级；通过对常规晶体硅太阳电池进行杂质能带的设计，器件的量子效率曲线在近红外波段的响应范围明显延展，表现出显著的杂质光伏特性（图8）。目前我们利用离子注入法在硅材料及器件中掺入能够形成杂质带的特种杂质，研究杂质带光伏器件中载流子的多允带输运机制，以及进行相关器件的设计和工艺优化。
（a） （b）
图7. （a）杂质光伏工作原理示意图；（b）杂质热俘获截面与电池效率的变化关系
图8. 有无掺杂对杂质光伏太阳电池量子效率的影响
[1]Yuan J R, Shen H L, Huang H B, Deng X H, Positive or negative gain: Role of thermal capture cross sections in impurity photovoltaic effect, J. Appl. Phys. 110, 104508 (2011).
[2]Yuan J R, Shen H L, Zhong F L, Deng X H, Impurity photovoltaic effect in magnesium-doped silicon solar cells with two energy levels, Phys. Status Solidi A 209, 1002-1006 (2012).
[3]Yuan J R, Shen H L, Zhou L, Huang H B, Zhou N G, Deng X H, Yu Q M. Impurity photovoltaic effect in silicon solar cells doped with two impurities, Opt. Quant. Electron. 46, 1457-1465 (2014)
[4]Yuan J R, Huang H B, Deng X H, Liang X J, Zhou N G, Zhou L, Enhanced near-infrared responsivity of silicon photodetectors by the impurity photovoltaic effect, Chin. Phys. B 24, 048501 (2015).