多晶硅薄膜太阳电池#严选优质

1、多晶硅薄膜太阳能电池1.前言如果我们问21世纪人类面临的最大挑战是什么，答案一定是环境污染和私人拥有能源。这两个问题已经成为悬在人类头上的达摩克利斯之剑。在试图寻找解决这两个问题的方法时，人类发现使用太阳能应该是解决这两个问题的最好方法。太阳能是地球上取之不尽的能源。利用太阳能的想法由来已久。它首先被转化为热能加以利用。后来，光伏效应的发现使太阳能转化为电能成为可能，这导致了太阳能利用的更广泛领域。早在20世纪50年代，第一个实用的硅太阳能电池就在贝尔实验室诞生了。不久，它被用于人造卫星的发电系统。到目前为止，太空中成千上万的飞机已经装备了太阳能电池发电系统。然而，太阳能电池在地面上的应用还没

2、有得到足够的重视。直到20世纪70年代世界出现“石油危机”，太阳能电池在地面的大规模应用才被列入许多国家的议事日程。当时，单晶硅太阳能电池主要用于太阳能发电。20世纪80年代中期，继能源之后，环境成为国际社会关注的焦点之一，全人类都集中精力解决这两个问题的交集太阳能光伏发电，从而大大加快了开发利用的步伐。此后，随着生产规模的不断扩大和技术的提高，单晶硅太阳能电池的成本逐渐降低。1997年，单晶硅太阳能电池的每峰瓦成本已降至不到5美元。虽然目前单晶硅太阳能电池在大规模应用和工业生产中起着主导作用，但它们也有很多缺点，主要问题是成本高。由于单晶硅材料价格和单晶硅电池制备工艺的影响，很难大幅度降低单

3、晶硅太阳能电池的成本。作为单晶硅电池的替代品，薄膜太阳能电池已经得到发展，包括非晶硅薄膜太阳能电池、硒铟铜和碲化镉薄膜太阳能电池以及多晶硅薄膜太阳能电池。在这些种类的薄膜电池中，最成熟的产品是非晶硅薄膜太阳能电池，世界上许多公司已经生产了这种电池。其主要优点是成本低、制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池不稳定，其光电转换效率会随着光照时间的延续而下降，而非晶硅薄膜太阳能电池的效率也较低。一般在8%-10%之间，硒化铟和碲化镉多晶薄膜电池的效率高于非晶硅薄膜电池，成本低于单晶硅电池，易于大规模生产。似乎它们是非晶硅薄膜电池的更好替代品，美国的一些公司已经开始建造这种电池的生产线。然而，作为

4、这种电池的原材料之一，镉对环境的污染很大，这与发展太阳能电池的初衷背道而驰。此外，硒、铟和碲都是稀有金属，这将极大地限制该电池的大规模生产。多晶硅薄膜电池比单晶硅使用更少的硅，并且没有效率降低的问题，并且可以在廉价的衬底上制备。其成本有望远低于大块单晶硅电池，实验室效率达到18%，远高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能取代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳能电池，现已成为国际太阳能领域的研究热点。2.多晶硅薄膜太阳能电池研究综述多晶硅薄膜太阳能电池的研究有两个方面，一个是电池衬底的选择，另一个是电池的制备工艺和方法，但无论从哪个方面来看，研究都应该满足制备多晶硅薄膜电池

5、的一些基本要求：(1)低成本(材料和工艺)(2)氢合适的衬底材料是一些硅或铝化合物，例如碳化硅、氮化硅、二氧化硅、硅、氧化铝、硅铝酸盐、铝等。从目前的文献来看，有以下衬底：(1)单晶硅(2)多晶硅(3)石墨涂层碳化硅(4)SiSiC(5)玻璃碳(6)二氧化硅薄膜目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种：(1)化学气相沉积法(2)等离子体增强化学气相沉积(3)液相外延(LPE)(4)等离子溅射沉积法化学气相沉积法是将衬底加热到合适的温度，然后引入反应气体(如sih2cl2、dihcl3、sicl4、sih4等)。)在一定的保护气氛中反应生成硅原子，并将它们沉积在衬底表面上。这些反应的温度通常

6、很高，从800到1200不等。已经发现，如果通过化学气相沉积法在非硅衬底上直接沉积多晶硅，则难以形成较大的晶粒，并且蝗虫在晶粒之间形成孔隙，这不利于高效电池的制备。因此，再结晶技术已经发展到改善晶粒尺寸。具体方法是通过低压化学气相沉积(LPCVD)在衬底表面形成薄且重掺杂的非晶硅层，然后在高温下退火非晶硅层以获得更大的晶粒，并将该薄多晶硅层用作种子层，在该种子层上通过化学气相沉积生长厚多晶硅膜。可见，用化学气相沉积法制备多晶硅薄膜太阳能电池的关键是找到一种更好的再结晶工艺。到目前为止，主要有以下重结晶技术：(1)固相结晶法(2)区熔重结晶(ZMR)法(3)激光再结晶(LMC)法固相晶化法需要对

7、非晶硅薄膜进行整体加热，温度应达到硅的熔点1414。这种方法的缺点是整体温度高，晶粒取向混乱，难以形成柱状晶体。在区熔重结晶法中，非晶硅需要加热到一定温度，通常为1100，然后用加热带局部加热使其熔化。加热过程中，加热带需要在非晶硅表面移动。通过区熔再结晶方法可以获得厘米级晶粒，在一定的工艺处理和工艺条件的配合下，可以获得相对一致的晶粒取向。激光退火法利用激光束的高温熔化并结晶非晶硅薄膜，得到多晶硅薄膜。在这三种方法中，ZMR法最为成功，日本三菱公司生产的电池效率达到了16.42%，德国弗龙霍夫研究所在该领域处于领先水平。等离子体增强化学气相沉积是一种利用等离子体增强化学气相沉积技术在非硅衬底

8、上制备晶粒更小的多晶硅薄膜的方法。该薄膜是一种磷-碘-氮结构，其主要特征是在磷层和氮层之间有一层厚的多晶硅本征层。它的制备温度很低(100-200)，晶粒很小( 10-7 m)，但它属于多晶硅薄膜，所以几乎没有效率损失的问题。这种方法是由日本的柯尼卡公司在1994年提出的。目前，用这种方法制备的电池最高效率已达10.7%。但是，这种方法也存在一些问题，如生长速度慢、薄膜易损坏等，需要在今后进行研究和改进。液相外延(LPE)是一种在母液中熔化硅并降低温度以将硅沉淀成膜的方法。美国ASTRO POWER公司和德国马克斯-普朗克研究所对此技术进行了深入研究。LPE法制备的电池效率达到12.2%，但技

9、术细节非常保密。等离子溅射是一种物理制备方法，目前还不成熟。主要问题是谷物的密度。除了上述制备薄膜的方法之外，人们还采用了一系列的工艺步骤来制备具有多晶硅薄膜的太阳能电池器件，以提高效率。这些工艺步骤包括：(1)基质的制备和选择(2)隔离层的制备(3)籽晶层或匹配层的制备(4)粒度的增加(5)沉积多晶硅薄膜(6)制备pn结(7)光学限制：上下表面是结构化的，上下表面是抗反射的(8)电限制：制备背场(BSF)和前后电极之间的欧姆接触(9)制备电极(10)钝化：晶界钝化和表面钝化目前，几乎所有制备大块单晶硅高效电池的实验室技术都已用于制备多晶硅薄膜太阳能电池的过程中，甚至包括一些制备集成电路的方法

10、和过程。表1总结了多晶硅薄膜太阳能电池的发展。3.北京太阳能研究所的工作北京太阳能研究所于1995年开始研究多晶硅薄膜太阳能电池。其目标是跟踪世界在这一领域的发展，为未来的工业化和降低成本打下坚实的基础，进而赶上世界先进水平。在薄膜太阳能电池的研究中，我们主要研究化学气相沉积法和等离子体化学气相沉积法。在化学气相沉积方法的研究中，我们自行设计制造了一台化学气相沉积设备，并进行了单晶硅和多晶硅薄膜的生长研究。用化学气相沉积法在重掺杂单晶硅衬底上外延生长20 um硅薄膜，同时掺杂硼使硅薄膜成为P型。然后通过磷扩散在薄膜上形成p-n。电池正面生长110纳米二氧化硅薄膜，具有抗反射和表面钝化双重功能。

11、在前电极中，通过光刻栅极线在二氧化硅薄膜上形成电极的栅极线，然后通过热蒸发制备钛/钯/银电极。在衬底背面蒸镀铝或钛/钯/银，得到背电极。用这种方法获得的硅薄膜电池的效率达到12.11%。在太阳能电池在非硅衬底上生长多晶硅薄膜的研究中，我们主要研究了多晶硅薄膜电池在二氧化硅和氮化硅薄膜衬底上的生长。二氧化硅薄膜与硅的晶格匹配良好，热膨胀系数相近，因此最好使用二氧化硅作为衬底。首先，用化学气相沉积法在二氧化硅薄膜上直接沉积薄膜，得到粒径为几十微米的多晶硅薄膜。然而，发现膜中的颗粒之间存在大的孔，这导致颗粒之间的电传导减弱，这使得下电极和下电极之间容易短路，导致低电池效率。此外，我们使用lpcvd方

12、法在二氧化硅薄膜上生长具有非常小晶粒的薄多晶硅薄膜。由于sih4热分解法，二氧化硅薄膜上的选择性生长很弱，晶粒非常致密。使用这种微晶硅膜作为衬底，通过用化学气相沉积法生长多晶硅厚膜来获得具有致密晶粒的多晶硅薄膜。然而，由于作为种子层的微晶层中的小颗粒和在其上生长的多晶硅薄膜中的小颗粒，电池的效率受到影响。目前，我们正在开发ZMP设备，以增加粒度。采用化学气相沉积法时必须有重结晶步骤，重结晶一般需要较高的温度，这大大增加了电池的生产成本。我们正在研究避免再结晶过程的薄膜电池的制备方法。我们发现通过化学气相沉积可以在氮化硅薄膜上获得非常致密的多晶硅薄膜。熔融硅对二氧化硅和氮化硅的润湿角不同。二氧化硅薄膜的润湿角为87度，而氮化硅薄膜的润湿角为25度。当生长在二氧化硅上时，晶粒趋于收缩，这使得晶粒间的孔隙变大；然而，当生长在Si3N4膜上时，晶粒倾向于扩散，这使得晶粒之间的孔隙变小。通过比较这两种衬底上生长的多晶硅薄膜的扫描电镜图像和x光分析，我们发现这两种薄膜之间有很大的差异，我们正在研究在这两种薄膜上制备电池。在用等离子体化学气相沉积法制备多晶硅薄膜