非晶硅薄膜太阳能电池特点及简介李炜

中文摘要PAGEII中文摘要非晶硅太阳能电池作为一种新型太阳能电池,其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产,因而具有广阔的市场前景。它具有较高的光吸收系数,在0.4~0.75um的可见光波，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收约80%有用的太阳能,且暗电导很低,在实际使用中对低光强光有较好的适应,特别适用于制作室内用的微低功耗电源,这些都是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价太阳能电池的重要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题,在较低的温度(200摄氏度左右)下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材料上,工艺简单,单片电池面积大,便于工业化大规模生产,同时亦能减少能量回收时间,降低生产成本。另外,非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5~2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高,同时,还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池,可做成半透明的电池组件,直接用做幕墙和天窗玻璃,从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总之,非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。关键字：非晶硅薄膜;光致衰退效应;界面态;太阳能电池目录目录中文摘要 I第一章非晶硅薄膜太阳电池 1第一节非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介 1第二节非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介 5第二章非晶硅薄膜太阳电池应用分析 7第一节非晶硅电池特点 7第二节非晶硅电池光致衰退效应 8第三节非晶硅电池性能影响因素及发展前景 9第三章总结 11致谢 12参考文献 13第一章简易文本编辑器内容和功能第13页非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池基础知识简介1976年美国RCA实验室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n结工作的基础上利用光生伏特(PV)效应制成世界上第一个a-Si太阳能电池，揭开了a-Si在光电子器件或PV组件中应用的幄幕。目前a-Si多结太阳能电池的最高光电转换效率己达15%。图1.1为一般单结的非晶硅太阳能电池结构图，图1.2为非晶硅太阳能电池图1.1

非晶硅太阳能电池结构图图1.2

非晶硅柔性太阳能电池第一层，为普通玻璃,是电池载体。第二层为绒面的TCO。所谓TCO就是透明导电膜，一方面光从它穿过被电池吸收，所以要求它的透过率高；另一方面作为电池的一个电极，所以要求它导电。TCO制备成绒面起到减少反射光的作用。太阳能电池就是以这两层为衬底生长的。太阳能电池的第一层为P层，即窗口层。下面是i层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生。再下面为n层，起到连接i和背电极的作用。最后是背电极和Al/Ag电极。目前制备背电极通常采用掺铝ZnO(A1),或简称AZO。

由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si的p-n结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n结。掺硼形成P区，掺磷形成n区，i为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si是弱n型)。重掺杂的p、n区在电池内部形成内建势，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。i区是光敏区，光电导／暗电导比在105～106，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。它对光子的吸收系数很高，对敏感光谱域的吸收系数在1014cm-1以上，通常0.5µm左右厚度的a-Si就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。所以，p-i-n结构的a-Si电池的厚度取0.5µm左右，而作为死光吸收区的p、n层的厚度在10nm量级。

a-Si太阳能电池即PV组件到80年代后期年产量已达世界光伏器件总产量的约30%，即1000MW以上。技术向生产力的高速转化，说明非晶硅太阳能电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：

(1)材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1µm，昂贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺(100-300°C)，生产的耗电量小，能量回收时间短。

(2)易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现pn结以及相应的叠层结构；生产可全程自动化。

(3)品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳能电池易于实现集成化，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，暗电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于a-Si膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池。灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。

尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池。叠层太阳能电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池制得的。

如图4所示：

图1.3

大面积集成型叠层太阳能电池

图1.4

子电池示意图非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造流程简介非晶硅薄膜太阳电池的生产线主要包括如下设备：导电玻璃磨边设备，导电玻璃清洗设备，大型非晶硅薄膜PECVD生产设备（包括辅助设备），红外激光、绿激光刻线设备，大型磁控溅射生产设备，组件测试设备。其工艺流程如图5所示，

图1.5非晶硅太阳电池的制备流程

从图5可以知道，其制备工艺的流程为所有光伏电池中流程最短。但是对非晶硅半导体膜系的真空PECVD制备从膜系设计到工艺过程控制的要求是非常严格的。当前小面积电池的实验室制备已达到接近15%的光电转换效率，而工艺生产的大面积组件在大多数生产线上还未达到认证效率6%。理论上大面积组件的极限是小面积器件的85-90%，小面积器件与组件的光电准换效率的差距体现了一条生产线的技术水平。国际上少数非晶硅生产线已制备出认证效率8%以上的组件，由于几乎所有其他类型的光伏组件（包括当前热议的微晶硅薄膜电池）在实际运行高温情况与阴天低照度下性能不佳的问题而唯独非晶硅组件在这些实际运行条件下表现优秀的性能，所以其它类型的大面积薄膜电池的低成本规模制造出认证光电转换效率超过12%的组件以前，即使在规模发电应用，非晶硅光伏组件以其最低的制造成本，适中的，并不像误传的那么差的光电转换效率，是无法被淘汰的，且不说美丽的半透明组件以及可以弯曲，质量轻又不易破碎的柔性组件等只有非晶硅具备的优越性能的应用了。第二章简易文本编辑器设计非晶硅薄膜太阳电池应用分析非晶硅电池特点非晶硅太阳能电池作为一种新型太阳能电池,其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产,因而具有广阔的市场前景。它具有较高的光吸收系数,在0.4~0.75um的可见光波，其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收约80%有用的太阳能,且暗电导很低,在实际使用中对低光强光有较好的适应,特别适用于制作室内用的微低功耗电源,这些都是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价太阳能电池的重要因素。非晶硅薄膜电池由于没有晶体硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题,在较低的温度(200摄氏度左右)下可直接沉积在玻璃、不锈钢、塑料膜和陶瓷等廉价衬底材

料上,工艺简单,单片电池面积大,便于工业化大规模生产,同时亦能减少能量回收时间,降低生产成本。另外,非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5~2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高,同时,还适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池,可做成半透明的电池组件,直接用做幕墙和天窗玻璃,从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。总之,非晶硅薄膜电池具有生产成本低、能量回收时间短、适于大批量生产、弱光响应好以及易实现与建筑相结合、适用范围广等优点。由于非晶硅半导体材料(a-Si)最基本的特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序,原子之间的键合类似晶体硅,形成的是一种共价无规网络结构,它含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键等,因此载流子迁移率低、扩散长度小、寿命短,所以这种材料是不适合直接做成半导体器件的。为了降低非晶硅中缺陷态密度,使之成为有用的光电器件,人们发现通过对其氢化处理后非晶硅材料中大部分的悬挂键被氢补偿,形成硅氢键,降低了态隙密度。1976年研究人员成功实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂,实现了a-Si-pn结的制作[1]。但这种氢化非晶硅pn结不稳定,而且光照时光电导不明显,几乎没有有效的电荷收集。因此为了把非晶硅材料做成有效的太阳能电池,常采取的结构模式为pin结构,p层和i层起着建立内建电场的作用,i层起着载流子产生与收集的作用。此外,非晶硅材料的光学带隙为1.7eV,材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感,这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率,解决这个问题的方法就是制备叠层太阳能电池,一方面增加太阳光利用率,另一方面提高非晶硅太阳能电池效率。但是,非晶硅薄膜太阳能电池光电效率会随着光照时间延续而衰减,即所谓的光致衰退(S-W效应)效应[2],主要是因为Si-H键很弱,在光照下H很容易失去,形成大量Si悬挂键[3],并且非晶硅薄膜电池转换效率低,一般在10%左右。所以为了提高电池转换效率和稳定性,必须尽量减小光致衰退影响和优化电池的结构和工艺。非晶硅电池光致衰退效应没有掺杂的非晶硅薄膜由于其结构缺陷,存在悬挂键、断键、空穴等,导致其电学性能差而很难做成有用的光电器件。所以,必须对其进行氢掺杂饱和它的部分悬挂键,降低其缺陷态密度,这样才能增加载流子迁移率,提高载流子扩散长度,延长载流子寿命,使其成为有用的光电器件。然而,氢化非晶硅薄膜经较长时间的强光照射或电流通过时,由于Si-H键很弱,H很容易失去,形成大量的Si悬挂键,从而使薄膜的电学性能下降,而且这种失H行为还是一种“链式”反应,失去H的悬挂键又吸引相邻键上的H,使其周围的Si-H键松动,致使相邻的H原子结合为H2,便于形成H2的气泡[4]。硅悬挂键的产生和缺陷的形成是制约氢化非晶硅薄膜应用的主要原因,只有正确理解光致衰退效应的机理,才能解决好氢化非晶硅薄膜的稳定性问题[5]。现在S-W效应的机制还是一个有待进一步研究解决的问题,人们提出了各种理论进行解释,有的认为是光照在样品中产生了新的缺陷,这种缺陷增加了隙态密度,降低了光电导和暗电导;有的认为是光照产生了亚稳态缺陷;有的认为是光照引起了非晶硅结构的变化;还有人认为空间电荷效应是氢化非晶硅电池光诱导性能衰退的主要物理机制,在光照射下非晶硅太阳能电池光生空穴俘获产生的带正电缺陷使电池内部有了净正空间电荷,从而把高电场调制到p/i界面,而使i/n界面附近电场强度下降以致出现低场“死层”,低场“死层”降低非晶硅太阳能电池对光生载流子的收集,使电池性能随着光照而衰退[5-6]。总的看法认为,光致衰退效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响氢化非晶硅薄膜材料的费米能级的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心,使得电子的俘获截面增大、寿命下降[3]。目前对于氢化非晶硅薄膜光致衰退原理人们建立了很多模型,主要有弱键断裂(SJT)模[3,7]、“H玻璃”模型[3,8]、H碰撞模型[3,9]、Si-H-Si桥键形成模型[3,10]、“defectpool”模型[3,11]等，但至今仍没有形成统一的观点。为了阻止S-W效应,一方面要减少a-Si#H材料中的Si-H键和O、N等杂质污染,另一方面要适当减少i层厚度,增强内建电场,从而减少光生载流子的复合,抑制电池特性的光致衰退效应[12]。非晶硅电池性能影响因素及发展前景由于非晶硅结构是一种无规网络结构,具有长程无序性,所以对载流子有极强的散射作用,导致载流子不能被有效地收集。为了提高非晶硅太阳能电池转换效率和稳定性,一般不采取单晶硅太阳能电池的p-n结构。这是因为:轻掺杂的非晶硅费米能级移动较小,如果两边都采取轻掺杂或一边是轻掺杂另一边用重掺杂材料,则能带弯曲较小,电池开路电压受到限制;如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成p+-n+结,由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高,少子寿命低,电池性能会很差。因此,通常在两个重掺杂层中淀积一层未掺杂非晶硅层(i层)作为有源集电区,即p-i-n结构。非晶硅太阳能电池光生载流子主要产生于未掺杂的i层,与晶态硅太阳能电池载流子主要由于扩散而移动不同,在非晶硅太阳能电池中,光生载流子由于扩散长度小主要依靠电池内电场作用做漂移运动[5]。当非晶硅电池采取pin结构以后,电池在光照下就可以工作了,但因存在光致衰退效应,电池性能不稳定,电池转换效率随光照时间逐渐衰退,所以电池的结构与工艺还要进一步优化。影响非晶硅电池转换效率和稳定性的主要因素有:透明导电膜、窗口层性质(包括窗口层光学带隙宽度、窗口层导电率及掺杂浓度、窗口层激活能、窗口层的光透过率)、各层之间界面状态(界面缺陷态密度)及能隙匹配、各层厚度(尤其i层厚度)以及太阳能电池结构等。非晶硅薄膜电池的结构一般采取叠层式或进行集成或构造异质结等形式。非晶硅电池生产工艺简单且温度低、耗能小,其市场份额逐年提高。目前,一半以上薄膜太阳能电池公司采用非晶硅薄膜技术,预计几年内,非晶硅薄膜在未来薄膜太阳能电池中将占据主要份额。但光电转换效率低和光致衰退效应是当前非晶硅薄膜电池存在的两大主要问题,为提高效率和稳定性人们在新器件结构、新材料、新工艺和新技术等方面需要加强探索。如在电池结构方面采取叠层式和集成式;在透明导电膜反方面采用不仅具有电阻率低而且具有阻挡离子污染、增大入射光吸收和抗辐射效果的透明导电薄膜代替目前的ITO、ZnO、ZnO#Al等导电膜;在窗口层材料方面探索新型的宽光学带隙和低电阻材料的窗口层材料,如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等;在非晶硅薄膜制备技术方