基于掺镓和掺磷硅晶片的硅异质结太阳能电池的光伏性能的温度依赖性

《Radiation Physics and Chemistry》：Temperature dependence of photovoltaic performance of Silicon Heterojunction solar cells based on Gallium- and Phosphorous-doped silicon wafers

硅基异质结太阳能电池（HJT SCs）在低地球轨道（LEO）极端温度（173–373 K）和AM0光谱（136.7 mW/cm2）下的光伏性能研究。通过对比磷掺杂（n型）和镓掺杂（p型）硅衬底HJT SCs的短路电流密度（Jsc）和开路电压（Voc）的温度依赖性，发现Jsc均随温度升高线性增加（0.054%/K和0.058%/K），而Voc呈下降趋势。理论模型成功解释了p型HJT SCs在低温（<233 K）时J-V曲线的“-”型特征，并指出p型器件在273–373 K范围内具有更优的功率转换效率（-0.20%/K），使其成为LEO应用更合适的候选。

　　硅基太阳能电池（SCs）在航天领域具有广泛的应用，尤其是在低地球轨道（LEO）卫星的供电方面。这些电池的光伏（PV）性能不仅受到带电粒子辐射的影响，还受到极端温度波动的显著影响。在这样的环境下，SCs的可靠性和效率对于长期运行至关重要。本研究重点探讨了在AM0光谱（136.7 mW/cm2）条件下，由氮掺杂（n型）和磷掺杂（p型）晶体硅（c-Si）基板制造的硅异质结（HJT）SCs在173至373 K温度范围内的光伏性能随温度的变化情况。

实验结果表明，两种类型的SCs的短路电流密度（Jsc）随着温度的升高呈线性增长，其温度系数分别为0.054%/K（n型）和0.058%/K（p型）。而开路电压（Voc）则表现出相反的趋势，随着温度的升高而下降。对于p型HJT SCs，Voc的变化呈现出更为复杂的行为：在373 K时，Voc为0.547 V，随着温度降低至223 K，Voc增加至0.693 V，之后增长趋势减缓，最终在173 K时达到0.815 V。这种变化模式通过一个理论模型得到了成功解释，并且该模型与实验数据之间表现出良好的一致性。

在低温条件下（T<233 K），p型HJT SCs的电流-电压特性（J-V曲线）在暗态下呈现出类似S形的特征，这主要归因于在（a-Si:H/c-Si）异质结处由于较高的价带偏移而形成的不利势垒。该势垒的形成导致了电子在异质结界面处的迁移受到阻碍，从而影响了整体的电流输出特性。此外，p型HJT SCs的最大输出功率（Pmax）的温度系数为-0.31%/K（在273–373 K范围内）和-0.20%/K（在173–373 K范围内），表明p型SCs在温度变化条件下表现出更优越的性能，使其成为LEO环境下的理想候选者。

硅基太阳能电池在当今的光伏生产中占据主导地位，包括非晶态、微非晶态、多晶态、微晶态、纳米晶态和多晶态硅等多种类型。这些电池在全球光伏市场中占比超过95%，主要是因为其成熟的制造工艺、丰富的原材料供应、成本效益以及可靠的性能表现。单晶硅太阳能电池在地面上的应用中表现出稳定的、耐用的和高效的光-电转换能力，尤其是在地面应用方面具有显著优势。

硅异质结太阳能电池（HJT SCs）作为硅基光伏技术中的一种，因其高效的结构设计和优异的界面特性而受到广泛关注。这些设备结合了单晶硅的优势与薄层本征和掺杂的氢化非晶硅（a-Si:H）层，通过相对简单且低温的制造工艺实现了高效能的光电转换。HJT SCs的高效率和改善的输出功率主要得益于优异的界面钝化和降低的表面复合损失。因此，它们在地面上的转换效率已达到27.1%（n型）和26.6%（p型），优于PERC（钝化发射极和背接触）和传统同质结太阳能电池。近年来，LONGi公司引入了基于HJT技术的新型硅异质结背接触（HBC）太阳能电池，其转换效率达到了27.3%，打破了单晶硅太阳能电池的世界纪录。

早在1974年，W. Fuhs及其合作者就首次对a-Si/c-Si异质结进行了研究。几年后，a-Si:H层被证明能够为单晶硅基板提供出色的表面钝化。1990年代，日本三洋公司成功制造了第一款实用的a-Si:H/c-Si HJT太阳能电池，其中在n型单晶硅基板的正面沉积了硼掺杂的a-Si:H层，并采用铝背接触结构，实现了12.3%的转换效率和74%的填充因子。随后，该公司在1992年以“HIT”（具有本征薄层的异质结）商标对其异质结太阳能电池进行了专利保护。从那时起，HJT技术得到了显著的发展，不仅在效率和稳定性方面持续提升，而且在相对较短的时间内实现了突破性的性能表现。目前，HJT太阳能电池相较于其他硅基光伏技术具有更高的双面发电系数，这一优势使其在地面上的应用中备受青睐，同时也在航天应用中展现出巨大的潜力。

自1957年苏联发射了第一颗卫星“斯普特尼克1号”以来，硅基太阳能电池逐渐成为航天器的主要电源。这是由于其在长期运行中表现出良好的稳定性，以及成熟的制造技术，还有其优越的功率-质量比。在航天环境中，传统的储能系统如电化学电池和燃料电池由于其容量有限、存在安全隐患以及重量较大，不适用于长期任务。因此，具有辐射耐受性、高效率和轻量化的太阳能电池成为航天器供电系统的关键。

近年来，HJT太阳能电池在航天任务中的应用也引起了越来越多的关注，特别是在低地球轨道（LEO）的部署中。除了在地面上的广泛应用外，HJT太阳能电池还因其在极端温度条件下的适应性而受到重视。然而，在LEO环境中运行的太阳能电池不仅要面对高能粒子辐射，还要经历剧烈的温度波动。这些极端条件对太阳能电池的性能和寿命提出了更高的要求。

目前，大多数研究主要在标准测试条件下（STC）评估太阳能电池的性能，这些条件通常设定在AM1.5G光谱（100 mW/cm2）下，并且温度范围控制在10°C到80°C之间。对于低于0°C的温度条件，相关研究数据较为有限。在地面应用中，太阳能电池的光伏性能主要受环境温度的影响，通常每升高1°C，转换效率会有所下降。然而，在LEO环境中，太阳能电池不仅要面对辐射，还要经历周期性的温度变化。根据相关研究，LEO轨道上的航天器以约8 km/s的速度运行，每90分钟完成一次地球轨道。当航天器进入地球轨道的光照面时，其表面温度可达到100°C以上，而大约45分钟后，当航天器进入或离开地球的阴影区时，温度会降至-100°C左右。这种每45分钟一次的光照与黑暗交替现象，导致了太阳能模块输出功率的周期性波动。因此，在AM0条件下进行详细的温度依赖性测量对于评估HJT太阳能电池在航天环境中的运行稳定性和可靠性至关重要。

基于上述讨论，本研究的重点任务是评估在AM0光谱（136.7 mW/cm2）条件下，由氮掺杂（n型）和磷掺杂（p型）晶体硅基板制造的HJT太阳能电池在173至373 K温度范围内的光伏性能随温度的变化情况，并确定哪种类型的电池更适合在航天环境中运行，尤其是在LEO环境中常见的温度条件下。

在本研究中，所有HJT太阳能电池均采用标准的制造工艺，在氮掺杂（n型）和磷掺杂（p型）的单晶硅基板上进行制造。值得注意的是，相同的制造工艺被应用于p型HJT太阳能电池，而没有进行专门的优化。这一制造过程在优化n型HJT太阳能电池的性能方面具有一定的优势，但p型太阳能电池的性能表现可能受到制造工艺的影响。因此，本研究通过实验和理论分析，探讨了不同掺杂类型的单晶硅基板对HJT太阳能电池性能的影响，并评估了其在极端温度条件下的适用性。

为了深入研究HJT太阳能电池在不同温度条件下的性能变化，本研究在AM0光谱（136.7 mW/cm2）下，对在173至373 K温度范围内的n型和p型HJT太阳能电池进行了详细的测量。测量结果表明，温度对HJT太阳能电池的性能具有显著影响，特别是在开路电压和短路电流密度方面。随着温度的升高，短路电流密度呈现出线性增长的趋势，而开路电压则表现出下降的趋势。对于p型HJT太阳能电池，其开路电压的变化更为复杂，呈现出非线性的特征，这一现象可能与异质结界面处的势垒特性有关。

在研究过程中，我们发现，HJT太阳能电池的性能不仅受到温度的影响，还受到多种因素的综合影响。这些因素包括异质结界面的特性、材料的掺杂类型、制造工艺的优化程度以及外部环境条件等。因此，为了更全面地理解HJT太阳能电池在极端温度条件下的行为，我们需要结合实验数据和理论模型进行深入分析。

本研究的实验结果表明，HJT太阳能电池在AM0光谱下，其短路电流密度随着温度的升高呈线性增长，而开路电压则表现出下降的趋势。对于p型HJT太阳能电池，其开路电压的变化呈现出更为复杂的模式，这可能与异质结界面处的势垒特性有关。此外，p型HJT太阳能电池的最大输出功率的温度系数较低，表明其在温度变化条件下的性能更为稳定。

为了进一步探讨HJT太阳能电池在极端温度条件下的行为，我们对不同掺杂类型的单晶硅基板进行了比较研究。实验结果表明，n型和p型HJT太阳能电池在温度变化条件下的表现存在差异，这可能与它们的材料特性和制造工艺有关。此外，我们还发现，HJT太阳能电池的性能不仅受到温度的影响，还受到其他因素的共同作用，如光谱条件、材料的纯度、制造工艺的优化程度等。

在本研究中，我们还对HJT太阳能电池的理论模型进行了分析。该模型成功解释了实验数据中观察到的开路电压变化模式，并且与实验结果之间表现出良好的一致性。通过理论模型，我们能够更深入地理解HJT太阳能电池在极端温度条件下的行为，并为未来的研究提供理论支持。

此外，我们还发现，HJT太阳能电池在低温条件下的表现可能受到界面特性的影响。在低温条件下，p型HJT太阳能电池的电流-电压特性在暗态下呈现出类似S形的特征，这可能与异质结界面处的势垒特性有关。通过进一步的研究，我们希望能够找到优化HJT太阳能电池在极端温度条件下性能的方法，从而提高其在航天环境中的适用性。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，深入探讨了HJT太阳能电池在极端温度条件下的性能变化，并评估了其在航天环境中的适用性。研究结果表明，p型HJT太阳能电池在低温条件下的表现更为优越，这可能与其材料特性和制造工艺有关。通过进一步的研究，我们希望能够找到优化HJT太阳能电池在极端温度条件下性能的方法，从而提高其在航天环境中的应用潜力。