非晶硅太阳能电池工作原理及进展.doc

非晶硅太阳能电池工作原理及进展.txt生活是过出来的，不是想出来的。放得下的是曾经，放不下的是记忆。无论我在哪里，我离你都只有一转身的距离。 本文由yy19880602贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 、 非 晶 硅 太 阳能 电池 工 作 原理 及 进 展 、 徐 温 元 （ 开 大 学 电 子 科 学系 ） 南 自 年 以 来， 晶硅 基 台金 作 为 一 种 新型 的 电子 材 料 ， 非 由于 它 的优 异 的 光 电特 性 ， 它 在 太 阳能 使 电池 及 其 他方 面 具 有 广 泛 的应 用前 景 ， 而 推 动着 人们 对 这 羹材 料 特 性 进 行深 人 研究 。 近 几年 国 际 上 从 有 关 这 方面 的研 究 工作 发 展迅 速 ， 已形 成 一 个新 技 术产 业 部 门 非 晶 硅 太阳能 电池 的 转换 效 率 和 电弛 面 积 也 都有 明 显 的 提高 和 增太 本文 综 述了 非 晶硅材 料 特 性 ， 电池 工作 原 理 及最 近发 展 一 、 非 晶 硅 材料 特 性 移率虺 非 晶硅 基 合 金材 料 包 括 氢 化 非晶 硅 ： 了 、 非 晶 碳 化 硅 、 非 晶氮 化 硅 ： ： 、 非 晶 锗硅 ： 等 一 系 列 犍 材 料 类 台 金 均 可 在 较 低 的 温度 下 （ ） 这 以 等 离 子 化 学 气 相 沉 积 方 法 （ ） 在 较 广 泛 的 衬 底 材 料 （ 玻 璃 、 属 、 高 温塑 料 ） 生 如 金 及 上 成大面积薄 膜 非 晶硅 舍 金 的带 隐 及 悬 挂 键 远 程 无序 的 对 理 想 晶 态 半 导 体 来 说 ， 我们 已 卷 市 崖 （ ? ） 图 非晶 态半 导体 态密 宦分 布示 意图 带 隙宽 度 非 晶 硅 的 带 隙宽 度 约 等 于 ， 同 这 种 不 同 与 非 晶 硅 中 含 有 以上 的 氢 非 晶 硅 与 晶 体 硅 不 同 之 处 是 其 原 子 排 列是 晶 体 硅 的 带 隙 宽 度 为 ， 二 者 有 明 显 的 不 能 用能 带 理 论 阐 明 其 导 电机 理 ，即 电 子 或空 穴 有 关 再 者 ， 在 非 晶 硅 中掺 人 适 量 的 锗 （ 、 若 ） 可 “ 由 ” 运 动 于 扩 展 的 导 带 或价 带 之 中 ， 并 碳 （ 或 氮 ， 可 以形 成 不 同 的 硅 基 合 金 即 自 地 ） ） 则 具 有 较 高 的 迁 移率 ，而 处 于 导 带和 价 带 之 间 的 非晶 锗 硅 合 金 禁 带 态 密 度 为 零 对 非晶 态 半 导 体 来 说 ， 由 于 ： 一 ： 非 晶 碳 硅 台 金 ， 或 非 晶氮 硅 台 金 ： 原 子 排 列 非 长 程有 序 ， 即材 料 中存 在 着 各 种 不 各 种 合 金 的 带 隙 宽 度 随 掺 人 量 （ 的 变 化 而 变 ） 完 整 性 （ 键 长 、 角不 相 等 和 材 料 中 存 在 空 洞 表 列 出 几 种 常 见 合 金 的 带 隙 宽 度 从 迁 移率 如 键 或 ， 内分 布 的 带 尾 的 态 密度 近 似 以 指 向 等 ） 导 致 在 描 述 非 晶 态 导 电 机 理 时 虽 也 有 类 似 边 ， 于 晶 态 的 导 带 和 价 带 ， 但它 分 成 扩 展 态 和局 域 数 规 律 降 到 “ ? 的 悬 挂 键 态 密 度 态 在 扩 展 态 中 ， 子 和 空 穴 的迁 移 率 明显 低 所 谓 悬 挂 键是 指 非 晶 硅 中 的 而 电 原 子 未 成 共 价 于 晶 态材 料 ， 只相 当 于 晶 态 材 料 载 流 子 迁 移 率 键 的 电 子 态 由 射 频 溅 射 或 电 子 束 蒸 发 方 法 制 的 或 更 低 谓 局 域 态 即 载 流 子 不 能 在 其 中 备 的 非 晶 硅 膜 ，其 悬 挂 键 态 密度 可 高 达 所 输 运 的 一 种 态 ， 而 且 载 流 子 是 连续 分 布 于 导 带 由 等 离 子 体 化 学 沉 积 法 制 备 的 非 晶 或 价 带附 近 ， 故 局 域 态 又 称 为 带 尾 ， 如 图 所 硅 膜 中 含 有 大 量 的 氢 ，可 有 效 地 与 非晶 硅 中 的 示 带 尾 的 宽 窄 与 原 子 排 列 无序 程 度 有 关 ，即 悬 挂 键结 合 形 成 键 ，使 悬 挂 键 态 密 度 降 无序 程度愈 高带尾分 布愈宽 低 悬 挂 键 分 布 在 带 隙 的 中 部 ，并 起 复合 中心 图 中 ， 迁 移 率 边 ，占 到 占 间 称 的 作 用 悬 挂 键 态 密 度 越 低 ，则 材 料 的 载 流 子 称 之 物 理 ? 维普资讯 表 几 种 非 晶 志 半 导 体 的 帝 隙 宽 度 可 使 此 材 料 成 为 型 或 型 的 导 电 材 料 ，其 电 导 率 可 增 至 约 （ ? ） 对 于 台 有 微 晶 成 分 的 非 晶 硅 材 料 ， 电 导 率 可 更高 其 （ （ 晶） ！ ） 多 寿 命 越 长 对 于 高 质 量 的 非 晶 硅 材 斟 ，其 悬 挂 键态密度可低 于 “ 嚣 表 中各 种 非 晶硅 基 合金 （ ） 量 从 分 逐 渐 增 加 时 ， 带隙 宽 度 也 逐 渐 增 大 其 戢 流 子 的 输 运 过 程 非 晶 硅 材 粒 受 光 照 或 外 电 场 注 人时 将 产 生 菲 平 衡 载 流 子 ，这 些 载 流 子在 被 复 合之 前 在 扩 展 态 输 运 过 程 中 ，有 一 部 分 载 流 子将 被 带 尾 局 域 态 所 陷 获 ，而 被 陷 的 载 流 子 由 于 声 子 协 助可 重新激 发回到 扩展态 这种过程在 载流子通过 材 料 时 可 多 次 重 复 发 生 ，直 至 载 流 子 穿 通 材 料 崔 波 长 ） 图 非 晶硅 基合金 与 晶体硅 光 吸收 系敲 的比 较 达 到 另 一 电 极 由 于 这 种 多 次 陷 阱 效 应 ， 导致 光吸收特 性 了 载 流 子 迁 移 率 的 下 降 对 未 掺 杂 的 本 征 非 晶 导率 为 一 （ ? ） 通 过 掺 硼 或 磷 非 晶硅 基合金材料 的光吸收特 性与晶体硅 由 图 可 以看 出 ，非 晶 硅 在 可 见 光 部 分 比 晶 硅 材 料 来说 ， 是 电子 导 电 ， 般 用 示 ，电 材 料 差 别 很 大 ， 给 出 几 种材 料 的 光 吸收 谱 这 一 表 图 侣 钛 ： 图 （ ） 玻璃 为衬 康的 单结 电 （ 为玻 璃， 为 镀 面透 明导 电膜 ， 三 【 电 为缓冲 层 ， 为掺 磷 型电 于 导电 材料 ， 为 掺礤 型 空穴 导电 材料 ， ， （ ， 钼 钍 为背 电敏 ， 燕上 置 的钍再 蒸铝 ， ） 先 可得 到较 好的 欧姆 接触 ） ； 【） 以不 锈钢 为衬 雇的 单结 电 （ 为不 镑钢 衬雇 ， 为 氧化 镏 锡遗 明导 电膜 ） 电 ； ）叠 层电 她（ 电他 为 。 ： 材料 ， 电池 为 材 料） 上 一 下 ： 卷 鳙 维普资讯 茛 善 层 ， 最后 以 硅有 较高的 光吸收 系数 ，不同材 料的较高光 啵 它是 毒捩在不 锈钢 上 沉积 收 系 数 ， 对 应 的 波 长不 同 所 电子 束蒸 发一 层 透明 导电嗅 光从 膜 射人 层 ， 电 池相 似 ， 和 在 界 面 处 产 生 的 光 生 载 流 子 通 过 达 到 背 电 极 构 层 成 电流回路 二 、非 晶 硅 电 池的 结 构和 工 作原 理 非 晶 硅 电池 一 般 可 分 为单 结 电 池 和 叠 层 电 池 ， 单 结 电 池 又 可 分 为 以玻 璃 为 衬 底 的 而 电 池 和 以 不锈 钢 为 衬 底 的 电 池 ， 如 图 所示 关 于 非 晶 硅 电池 工 作 原 理 模 型 有 不 少 文 章 讨 论 过 ， 是 从 泊 松 方 程 出 发列 出 电 子和 塑 都 穴 的 连 续 方 程 ，依 据 不 同 的边 界条 件 推 算 在 光 照 或 暗 态 下 电 池 的 伏安 特性 本 文 以圈 （） 电 池 结 构 为 例 扼 要 阐 明 电 池的 工 作 原 理 单 结 电油 图 （ ）是 以 玻 璃 为衬 底 的 电池 结 构 在 玻 璃 上先 敷 着 一 层 绒面 ：透明 导 电 膜 ， 这 种 膜 有减 少 反 射 光 的 作 用 ，可 使 膜 的 透 明 度 图 给 出 电池 短 路 杀 件 下 的 能 带 （） 图 对 于 高 转 换 效 率 的 非 晶 硅 电池 ， 由于 被 陷 电荷 和 空 间 自由 载 流 子 电荷 可 以 忽 略 ，其 层 提 高 时 这 种 膜 又 是上 电 极 ， 以要 求 膜 的 方 的 电 场 可 认 为 是 近 似 均 匀 的 在 同 所 界面 产 块 电 阻 要小 ， 般 应 口 在 敷 有 透 明 导 生 的光 生 电子和空 穴在 电场作 用下迁 移到背 电 一 电 嗅 的 玻 璃 上 依 次在 反 应 室 内 沉 积 各 非 极 构 成 光 生 电流 ， 光 生 电流 密 度 可 写 成 该 晶 硅 层 ， 面 电 极 先 蒸上 一 薄 层（ 五） ， 背 一 钛 一 ） ， （ ） 【 （ ， 】 再蒸上 铝， 是 为了改善 金属 铝与 层接 触特 式 中 是 光 生 载 流 子 产 生 率 ； 这 是 电 子 电荷 ； 性 光 从玻璃方 向射人 层 层 是 是 层 厚 度 ； 一 。 十 ， 电子 和 是 ： 合 金 材 料 ， 带 隙 宽 度 较 宽 ， 为 其 约 空 穴 漂 移 长 度 和 ； 是 电场 强 度 ； ， ， ， ， 目的 是让 较 多的 短 波 波 长 的 光 透 过 层 分 别 表 示 电子 和 空 穴 的迁 移 率 和 寿 帚 宙 生 式 而到 达 界 面 层 厚 度 一 般 小 于 五 在 层 与 之 间 生 长 一 层 厚 度 小 于 层 盖 的缓 冲层 ， 到改 善 起 界 面 特 性 和 加 强 光 生 可 以 看 出 ，在 电 池 厚 度 及 光 强 确 定 后 ， 层 愈 大 ， 光 生 电 流 愈 高 换 句 话 说 ， 流 子 迁 移 则 载 率寿命积 愈大 ， 或电 场 强 度 蠹 犬 光 生 电流 愈 则 载梳 子 向 内输 运 的 作 用 光 生 载 流 子 通 过 层 高 由 图 （）能 带 图 可 以 看 出， 带 隙 宽 到 达 背 电 极 构 成 电流 回 另 一 种 电 池 结 构 是 ： 的 层 可 使 入 射 短 波 长 的光 损 失减 小 ， 以不 锈 钢 为 村 底 的 十电 池 ， 图 所 示 如 （） 同时 界面 的 高 势 垒 可 使 反 扩 散 到 屡 的 囊 电匿（ （ 圈 ） 电弛短 路条 件 下售 带匿； （ ） 电 曲的 电施电 压特 性 曲龌 袖理 ? 维普资讯 犀 ， 电 子 减 少 ，这 样 反 向 复 合 电 流 减 小 则 有 利于 正 电池的 厚度 较蔼 （一 五） 而后 电拖的 层厚 度 较 厚 （ 五） 对 于 电流 如 何 穿 向光 生电流 的增 加 从图 一 还 可以看 出， ） （ 层和 层掺 杂 效 率 愈 高 ，则 使 费 米 能 级 愈 过 两 个 电 池 中 间 的 印 结 ， 目前 虽提 出 不 少模 但尚 来 定 论 我 们 可 以 认 为 ， 从前 面 层产 靠近 层 的 价 带 和 层 的 导 带 ，这 样 层 的 型 ， 能 带 倾斜 愈 大 ， 就 是 电场强 度 愈 大 ， 也 对光 生 电 生 的 电子 输 运 到 层 ， 遇到 层的 高 势 垒后 ， 可 ： 流 的 增加 愈 有 利 所 以 目前 围 绕非 晶 硅 电池 材 能 会 通 过 隧 道 效 应 与 后 面 的 层输 运 到 界 面 的空 穴 复 合 ， 成 隧 道 电流 构 成 回路 形 料 基 础 的研 究课 题 是 如何 提 高 载 流 子 迁 移 层 率 寿 命积 以 及 提 高 层 和 层掺 杂 效 率 （ 相 当于 强 照射 下 的 转 换 ）光 效 率 ， 换 效 率 是 通 过 测 量 电池 的 电流 、 转 电压 特 性 确 定 的 如 图 所示 ， 图 中选 出 最 大 功 （） 从 ： ￥ ： 再 者 由于 有 两 层 电池 是 串接 的 ， 故 整 个 电 池的 表征 电池 性 能 ， 要 是测 量 电池 在 开 路 电 压 将 会 增 大 主 率 点 。 一 ，并 同 时 测 量 光 照强 度 ，则 转 换 效 率 表 示 为 一 匿 一 （ ）， ， 只 （） 是短路 电流密 室， 充 因子 由： ， 是 开路 电压 ， 是 填 一 一 ， 一 ； 一 ， 从 （ ） 可 算 出 电 池 的 转 式 换 效 率 一 ， 充 因 子 填 叠晨 电油 从 图 可 以 看 出 ，非 晶 硅 对 较 高 能 量 的 短 波 长 的 光 具 有 较 高 的 吸 收 系 数 ， 但 对 长披 长 的 光 吸 收 系数 很 低 ， 光 穿 过 对 光 电 流 没 有 贡 层 献 为 了 把 这 部 分 的 光 能 转换 成 电流 ，就 要 求 对 长 波 长 的 光 具有 强 吸 收 特 性 的 窄带 隙 材 料 做 成 电 池 的 层 如 图 所 示 ， 其 中 非 晶 锗硅 或 多 晶 铜 铟 硒 材 料 对 长 波 ： 。 卜 长 区 域 的光 均 具有 较 强 的 吸收 系数 将 这 类 材 ： 。 料 和 ： 制 成 叠 层 电池 ， 即 前 面 的 电池 的 是 ： 层 ，后 面 的 层 电 池 的 是 层 ， 如图 所 示 光 层 ： ， ， 从 ： 电 池 射 人 ， 波 长 的 光被 ： 吸 短 收 ，而 长 波 长 的 光 透 过 中 间 界 面 后 被 以 一 ￥ 为 层 的 电 池 所 吸 收 这 样 就 扩 大 了 ： 吸 收 光 的 范 围 ， 高 了 电 池 的 转换 效 率 提 由于 电 吣 躅 ， （） 两端 叠 层 电池； （ ） 四端叠 层电 淹 （ 为高分 子牯 音剂） 叠层 电池的另一 种结构 为四端叠 层 电 池， 流 的 连 续 性 即前 面 电 池 产 生 的 光 电流 应 等于 这 种 电 池 是 以 ： 作 前 面 电 池 ， 用 多 晶 后 面 电池 产 生 的 光 电 流 ， 又 因 大 部 分 的 光 被 前 （ 型 ） 膜 和 型 ） 薄 膜 薄 （ 或 面 电 池 所 吸 收 ，后 面 电 池 要 产 生 相 等 的 光 电流 作 后面 电池 ， 如图 （ ）所示 电池的 电极 是用 就 需 要 加 厚 后 面 电 池 的 厚 度 ， 故 一 般前 面 透 明导 电 层 ， 前 后 两 个 电池 间 用 透 明 层 卷 勰 维普资讯 有机高 分子材料牿接 ，但两 个 电池的 极性是 相 们组装成单人非蕞硅太阳能电趟车， 充电 小 反的 ， 剁引 出四个端点据最 新报 道， 种 分 这 时可行驶 还有一些大的非晶硅太阳能 池 转 换 效 率 已达 到 弼 。 非 晶硅集成电池 。 电 站 是 将 这 种集 成 电 池 经 过 串 井连 接 ，不 用 蓄 电池， 可直接将 直流 转换成 芟流 ； 就 经过开压 后 非 晶硅 层 可 在 连 续 反 应 系统 一 次 制 中 成大面积 电池 （ 这 样大的单 块 ） 电池 面 积 过 大 ， 当 电流 游 经 上 电极 时 ， 故 由于 透 明导 电膜 有 一 口 方 块 电阻 ， 将产生 较大 的 压 降 外 ， 了 适 应各 种 场 合 的应 用 ， 电 池 另 为 对 的 电 压 要 求 不 同 所 以 ，在 实 际 盅 用 中 是 将 大 面 积 电 池 根 据 需 耍 分 割 成 若 干 个 小的 电 池 加 以 电池的输 出电压） 集成 电 池电流 取决于其 中电 积 的 电 池 ， 电 池 分 割 的 数 目 愈 多 ， 输 出的 电 小 剐 毋 集瘸 出 凰 虎 结掏 流 最 小 的 一 个 电 池 的 电 流 很 显 然 ，对 同 一 面 可 与 犬 电 网 并 网烘 电 、 压也愈高 ，相应的电流将变小在设计时根据 各部 分 的 接触 电 阻值 ，可 优选 一个 最 佳 切 割 尺 三 、非 晶硅 电池 发 展 现状和 前 景 年 月在 美国 召开的国 际 第 二 十 属 寸 ， 文不 作详细讨论 本 太 阳 能 电 池 可 供 各 种 场 台 下应 用 ，如 作 为 光 伏 专 家 会 议 及 年 月在 澳 大 利 亚 召 开 计算 器 、 手表、 电动 玩具 、庭 院灯以及 电讯中继 的国 际第 四屡 光 伏科学及 工 程 会 议 的 资 料 表 站 等 的 电源 日本 三 洋 公 司 将 菲 晶 硅 电 池 做在 明 ， 过 这 十 多年 的 努 力 ， 论 在 电池 的 转换 效 经 不 玻 璃 瓦上 ， 在 屋 顶 ， 装 可提 供 家 庭 用龟 最 近 他 表 率 和 电池 面 积 上 都 取 得 很 大 的 进 展 表 列 出 电 池 面 积 的 数 据 公 司 名 称 （ 国 ） 美 （ 国 ） 美 富士 （ 本） 日 （ 国） 美 美 国 ） （ （ ） （ ， ） ， 转 换 效 率 （ ） 功 率 （ ） ， ， 面朝 （ ） ， ，? 蚰 娄 型 单 结 【 单 结 叠 层 单 结 】 （ 目） 姜 单 结 电 池 面积小 的数 据 ： 国 ） 羹 富 七 （日本 ） ? ? ? ” 、 ， ： ? 。 、 四 蜷 （ 国 ） 美 ， ? ， 三洋（ 丑本 ） 。 ? 一 ， ： 单箔 ” 物理 维普资讯 了 美国太期荦圈窄 干 所测量国际上各 公司的电 贵降雌廊套就得扩大隼产规模目 前困际上非 地 后所公布 数据 从 国 际 光 伏 电 池 市 场 销 售 量 来 看 ， 非 晶硅 昂硅电池生产规模年 量为 ， 若能孵 决年产 几百 的工程 技术设 计 和逝盎间 题 ， 预计在 年到本 世纪末 可望把 电拙的甜格 降 电池 去年 已销 氨 ，占电池 市场的 随 着 非 晶 硅 电 池 成 本 进 一 步 下 降 ，这 一 比 例 将 到 元 瓦（ 瓦表 示 在 光照卞 可 一 蜂 峰 会加 大 为新能源 考虑 ， 佧 人们最 终 目标 是想使 产 皋的功率 ）若以 电 能使用 ， 抽 年计算 ， 则每 非晶硅电池产生的龟能价格能与火力发电的成 度 电 价 格 可 降 到 ? ? 元 本 相 竞 争 要 达 到 达 一 目标 尚 须 解 决 一 系列 的 基础 研究和工程 技术 等方面的问 题 目前 ， 电 池 的转 换 效 率 与 理 论 推 算 值 尚 有 一 定 差距 （ 单 结 电 池 转 换 效 率 理 论 值 可 达 西 ， 叠 层 】 ? ， ， （ ， 蚰 ， 。 ，（ ? 】 ） ， （ ， 】 血 ， 电 池 转换 效 率 理 论值 可 达 ） 要 进 嘶 印 ， 步提 高电袖 的转换 效 率 ，需 要搞 清楚 许多基 础物 理 题 ，例如 提高宽 带隙 和 窄带隙台 金材 可 一 卿 ”呻 ， 弓 。 【 （ ， ） 】 ， 抽 ， 料的 质量 ， 使这 类 材 料 的 光 电导 率 加 大 ， 高 材 提 料载 流子的迁秽率 以及掺杂效 率 等 另外 ， 不 对 同 材 料 的接 触 界 面 特 性 及 载 流 子 通 过 界 面 的 输 运 特 性 的进 一 步 了解 ，也 是 提 高 转 换 效 率 的 关 ， （ ， ） 【 唇 ， 。 ， 。 ） 一 蹦 。 。 ? ， （ 咖 键 于 何疑抉 非 晶砖皂 池转换 效率 的初期 如 衰 退 问 题也 是 科