目(mu)前(qian)光伏市場上，制(zhi)作太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)使(shi)用的最多的材料就是硅(gui)，其(qi)中主要分為單晶(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)，多晶(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)以(yi)及非晶(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)，前(qian)兩種，由(you)于所用材料是間接帶隙半導體——吸(xi)收太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)時需要一(yi)定的厚度(du)，PN結(jie)比較厚(一般大于200微米(mi))，所(suo)以其硅(gui)(gui)原料消耗較(jiao)多，成(cheng)本(ben)相應較(jiao)高(gao)，電池板的價格(ge)居高(gao)不下，其所(suo)造成(cheng)的硅(gui)(gui)浪費也比(bi)較(jiao)大，而硅(gui)(gui)是十(shi)分(fen)多用途(tu)的重要(yao)半導體。
非(fei)晶硅為直接帶隙半導體，光輻射吸收范(fan)圍廣，所(suo)需厚度薄(bo)，故此非(fei)晶硅薄(bo)膜太陽能電池可(ke)以做得(de)很薄(bo)，光吸收薄(bo)膜總厚度大約1微(wei)米，非晶硅以(yi)(yi)其(qi)原料消耗少(shao)，低(di)成(cheng)本(ben)以(yi)(yi)及(ji)較好的性能而得(de)到(dao)市場的青睞。
一．非晶硅太陽能電池的特點
1.低成本
1）硅材料用料少(shao)，可充分(fen)吸收(shou)光，單晶要200μ厚，非晶1μ厚(hou)(非晶硅光(guang)吸(xi)收(shou)系數大(da))。
2）主要原(yuan)材(cai)料(liao)是生產高純多晶硅過程中使(shi)用(yong)的(de)硅烷，這種氣體(ti)(ti)，化(hua)學工業(ye)可大量供應，且十分便宜，制造一瓦(wa)非晶硅太(tai)陽能(neng)電池的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)本約RMB3.5-4(效率(lv)高于6%)。
3）晶體(ti)硅(gui)太陽(yang)電(dian)池的基(ji)本(ben)厚度為240-270um，相差(cha)200多倍(bei)，大(da)規模生產需極大(da)量的(de)半導體(ti)級(ji)，僅(jin)硅片的(de)成本就(jiu)占(zhan)整個太陽電池成本的(de)65-70%，在中國1瓦晶體(ti)硅太(tai)陽電(dian)池的硅材料成(cheng)本已上升到(dao)RMB22以上。
從原材料供應角度分析，人類大規(gui)模使用陽光(guang)發電，最終的選(xuan)擇只能(neng)是非晶(jing)硅太陽電池及其它薄膜太陽電池，別無它法!
2.易于形成大(da)規模
因為核(he)心(xin)工(gong)藝適合制作特大(da)面積無結構缺陷的a-Si合金薄膜;只需改變氣相成分或者氣體(ti)流量便可實(shi)現pn結以(yi)及相應的疊層結構;生(sheng)產可(ke)全程自動化(hua)。
3.品(pin)種(zhong)多，用途廣(guang)
薄膜的a-Si太陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)易(yi)于實現集(ji)成化，器(qi)件功率、輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓、輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)流都(dou)可(ke)自由設計制(zhi)造，可(ke)以(yi)較(jiao)方便地制(zhi)作出適合(he)不同(tong)需求的(de)多品種(zhong)產品。由于光吸收系數(shu)高，暗電(dian)(dian)(dian)(dian)導很(hen)低，適合(he)制(zhi)作室內(nei)用的(de)微低功耗電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，如手表電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)、計算(suan)器(qi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)等。由于a-Si膜(mo)的(de)硅(gui)網(wang)結構力學(xue)性能結實，適合(he)在柔性的(de)襯底上制作(zuo)輕型的(de)太陽能電池(chi)。靈活多樣的(de)制造方法，可以制造建筑集成的(de)電池(chi)，適合(he)戶用屋頂電站的(de)安裝。
由于(yu)非(fei)晶(jing)(jing)硅沒有晶(jing)(jing)體所要求的(de)周期性(xing)原(yuan)子排列，可(ke)(ke)以不考(kao)慮制備晶(jing)(jing)體所必須(xu)考(kao)慮的(de)材(cai)料與襯底(di)(di)間(jian)的(de)晶(jing)(jing)格失(shi)配問(wen)題(ti)。因而它(ta)幾乎可(ke)(ke)以淀積在(zai)任何襯底(di)(di)上(shang)，包括廉價(jia)的(de)玻璃襯底(di)(di)，并且易(yi)于(yu)實現大面積化。
4.性能好(hao)
在同等光照條(tiao)件下，非晶硅薄膜電(dian)池(chi)比(bi)單晶硅電(dian)池(chi)年發電(dian)量(liang)增加15%左右。非晶硅電池還具有最高的效率質量比(即材(cai)料輕而效率又比較(jiao)高(gao))，其(qi)效率質量比(bi)是單(dan)晶電池的6倍，適宜(yi)將(jiang)來太空太陽(yang)能電站(zhan)的發展。
二．非晶硅太(tai)陽能(neng)電池(chi)的發展歷史
自1974年人們得到可摻雜的(de)(de)(de)非晶硅薄(bo)膜后，就意識到它在太(tai)陽能電池(chi)上的(de)(de)(de)應用前(qian)景，開始了對非晶硅太(tai)陽能電池(chi)的(de)(de)(de)研(yan)究工作(zuo)。
1976年：RCA公司的Carlson報道了他所制備的(de)非晶硅太(tai)陽能電(dian)池(chi)，采(cai)用(yong)了金屬-半導體和p-i-n兩種器件結構，當(dang)時的轉換效率不到1%。
1977年：Carlson將非晶硅太(tai)陽能(neng)電池的(de)轉換效率提高到5.5%。
1978年：集成型(xing)非晶硅太陽能電池在日本問世(shi)。
1980年：ECD公(gong)司作成(cheng)了(le)轉換(huan)效率達(da)6.3%的非晶硅太陽能電池，采用的是金屬-絕緣體-半導體(MIS)結構(gou);同年，日本三洋公司向市場(chang)推出了裝有面積為5平方厘米非晶硅太陽能電池的袖珍(zhen)計算(suan)器。
1981年(nian)：開始了非(fei)晶硅及(ji)其合金(jin)組成的疊(die)層太陽能電池的研究。
1982年：市場(chang)上開始出現裝有(you)非晶硅太陽能電池的手表，充電器、收音機等商品(pin)。
1984年(nian)：開始有作為獨立電(dian)源用(yong)的非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能電(dian)池組合(he)板。
非晶硅(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)是(shi)最有希望的(de)(de)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。因而它在整個(ge)半(ban)導體太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)領域(yu)中的(de)(de)地位(wei)正(zheng)在不斷上升(sheng)。從其誕(dan)生到現(xian)在，全世界以電(dian)(dian)力換算計太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)總(zong)生產量的(de)(de)約有1/3是非晶(jing)硅(gui)系太陽能電池(chi)，在民用方面(mian)幾乎占(zhan)據了全部份額。
三．非晶(jing)硅太陽能電(dian)池(chi)結構
非(fei)晶硅太陽能電池(chi)的結構最常采用(yong)的是p-i-n結構，而不是單晶硅(gui)太陽能電池的p-n結構。這(zhe)是因為：輕摻雜(za)(za)的(de)非(fei)晶硅的(de)費米能(neng)級移動較(jiao)小，如果用(yong)兩(liang)邊都是輕摻雜(za)(za)的(de)或一邊是輕摻雜(za)(za)的(de)另(ling)一邊用(yong)重(zhong)摻雜(za)(za)的(de)材料(liao)，則能(neng)帶(dai)彎曲較(jiao)小，電(dian)池(chi)的(de)開路電(dian)壓受到限制;如果直接用重摻雜的p+和n+材料形成p+-n+結，那么，由(you)于重摻雜非晶(jing)硅(gui)材料(liao)中(zhong)缺陷態密(mi)度較高，少子(zi)壽命低，電池的性能會(hui)很差(cha)。因此，通常(chang)在兩個重摻雜層(ceng)當(dang)中(zhong)淀積(ji)一層(ceng)未摻雜的非晶(jing)硅(gui)層(ceng)作為(wei)有源集(ji)電區。
非晶硅太陽能(neng)電池內光(guang)生載流子主要產生于未(wei)摻雜的i層，與晶態硅太陽(yang)能電池中載(zai)流子主(zhu)要由于擴散而移(yi)動不同(tong)，在非晶硅太陽(yang)能電池中，光(guang)生載(zai)流子主(zhu)要依靠太陽(yang)能電池內電場作用(yong)做(zuo)漂移(yi)運動。
在非晶硅太陽能電(dian)池中，頂層的(de)(de)重摻(chan)雜層的(de)(de)厚度很(hen)薄幾乎是半透(tou)明的(de)(de)，可以使入射(she)光(guang)最大限(xian)度地(di)進入未摻(chan)雜層并產生自由的(de)(de)光(guang)生電(dian)子(zi)和空(kong)穴。而較高的(de)(de)內建(jian)電(dian)場也(ye)基本(ben)上從這里展開，光(guang)生載流子(zi)產生后立即(ji)被掃向n+側和p+側。
由于(yu)未摻(chan)雜的非晶硅實(shi)際上是(shi)弱n型材料(liao)，因此，在淀積有源集電區時適當(dang)加入(ru)痕量硼，使其(qi)成(cheng)為費米能級居中的i型，有助于(yu)提高太陽能(neng)電(dian)池的性能(neng)。因而在實際制備過程(cheng)中，常(chang)常(chang)將淀(dian)積次序安(an)排為p-i-n，以利用(yong)淀積p層時的(de)硼對有(you)源集電區進行自(zi)然摻雜。這一淀積順(shun)序決(jue)定了透明(ming)導電襯(chen)底電池總是p+層迎光，而不(bu)透明(ming)襯底電(dian)池總(zong)是n+層迎光。
非晶(jing)硅疊層電池對于單結太陽(yang)能電池，即便是用晶(jing)體材料制備的(de)，其轉換效率的(de)理(li)論極限(xian)一般在AM1.5的光照條(tiao)件下也只有25%左(zuo)右。這(zhe)是(shi)因為，太陽光(guang)譜的(de)能量(liang)(liang)(liang)分布較寬，而任何一(yi)種半(ban)導體(ti)只能吸收(shou)其中能量(liang)(liang)(liang)比(bi)自(zi)己帶(dai)隙值高(gao)的(de)光(guang)子(zi)(zi)。其余(yu)的(de)光(guang)子(zi)(zi)不是(shi)穿過(guo)電(dian)(dian)池(chi)被(bei)背面金屬吸收(shou)轉變為熱(re)能，就是(shi)將能量(liang)(liang)(liang)傳(chuan)遞(di)給電(dian)(dian)池(chi)材(cai)料本身的(de)原子(zi)(zi)，使(shi)材(cai)料發熱(re)。這(zhe)些能量(liang)(liang)(liang)都不能通過(guo)產(chan)生光(guang)生載(zai)流子(zi)(zi)變成(cheng)電(dian)(dian)能。不僅如此，這(zhe)些光(guang)子(zi)(zi)產(chan)生的(de)熱(re)效(xiao)應還會(hui)升高(gao)電(dian)(dian)池(chi)工作溫度而使(shi)電(dian)(dian)池(chi)性能下降。
為了最大程(cheng)度的有效利用更寬廣波(bo)長范圍(wei)內的太陽光能量。人們把太陽光譜分成幾(ji)個區域(yu)， 用能(neng)隙分別與這些區域有(you)最好匹配的材(cai)料做成電池， 使整個(ge)電池的(de)光譜響應接近與太陽光光譜，如圖所示， 具有這樣結構的太陽能電(dian)池(chi)稱(cheng)為疊層電(dian)池(chi)。
四．非(fei)晶(jing)硅薄膜太陽電池生產及制造(zao)流程
非晶(jing)硅薄膜太陽電(dian)(dian)池(chi)的生產線主要包(bao)括如下設(she)(she)備(bei)：導電(dian)(dian)玻璃磨邊(bian)設(she)(she)備(bei)，導電(dian)(dian)玻璃清洗設(she)(she)備(bei)，大型非晶(jing)硅薄膜PECVD生產(chan)設備(包括輔(fu)助設(she)備)，紅外激光、綠激光刻蝕刻線設備，大型磁控濺射生產設備，組件測試設備。
1）磨邊：磨去玻璃(li)所有邊角的銳口，并(bing)保證透(tou)明導電玻璃(li)的八(ba)條棱(leng)邊要有倒角處(chu)理(li)。
2）一次(ci)清洗：清洗烘干，并確(que)保透明(ming)導電玻璃表面(雙面)潔凈度(du)。
3）一次激光刻(ke)蝕劃線：在透(tou)明導(dao)電玻璃上激光刻(ke)蝕刻(ke)線，預留出一定數目的子(zi)電池襯底,使得子電池間不(bu)能(neng)短路, 且使用(yong)萬用(yong)表測量>1MΩ(兆(zhao)歐姆),在生產中我們使(shi)用(yong)20KΩ進行測量(liang)導(dao)電膜(mo)上(雙結產(chan)品：有39單(dan)元(yuan)，子電池間(jian)距(ju)為15.5mm)。
4）二次清洗：清洗烘干，并確保(bao)透明導(dao)電玻璃(li)表面潔凈度。
5）裝片：把導(dao)電(dian)玻璃裝至工(gong)件架內以便預熱及鍍膜(mo)，裝片過程中需要確保導(dao)電(dian)玻璃膜(mo)面不裝反(fan)。
6）預熱：將導電玻璃預熱到PECVD沉(chen)積所需要(yao)的溫度(預熱(re)爐溫(wen)215℃ )，并確保(bao)導(dao)電玻(bo)璃(li)的溫度均勻性。
7）PECVD：真空下在(zai)導電(dian)玻璃(li)上沉積大面(mian)積均勻PIN層(ceng)，沉積后電池芯片無明顯色差(cha)、條(tiao)紋,用手電(dian)筒照射觀(guan)察(cha)電(dian)池芯(xin)片無明(ming)顯針孔現象。
8）冷卻(卸(xie)片)：玻(bo)璃(li)在工(gong)件架(jia)中(zhong)降溫(wen)后卸下，高溫(wen)不宜卸片工(gong)件架(jia)里的玻(bo)璃(li)，否(fou)則會(hui)彎曲或(huo)炸裂(lie)。
9）二次激光刻蝕劃(hua)線(xian)：用532綠色(se)激(ji)(ji)光機在已(yi)沉積硅薄(bo)膜的半成品(pin)芯片上激(ji)(ji)光刻(ke)(ke)(ke)蝕刻(ke)(ke)(ke)線(xian)，預留作連接(jie)子電(dian)池的導(dao)電(dian)溝道刻(ke)(ke)(ke)劃(hua)效果：激(ji)(ji)光刻(ke)(ke)(ke)蝕刻(ke)(ke)(ke)線(xian)要求不傷導(dao)電(dian)膜層，刻(ke)(ke)(ke)劃(hua)干凈徹底(di)，激(ji)(ji)光光斑均勻、圓滑，光斑不能(neng)為(wei)異形或橢圓形、不能(neng)有毛刺。
10）PVD(磁控濺(jian)射)：鍍背(bei)電極(AL或AZO+AL)，鍍鋁后電池芯片無脫膜(mo)現(xian)象,背電(dian)極電(dian)阻小(xiao)于10歐。
11）三次激(ji)光刻蝕(shi)劃線：在鍍(du)鋁背電極的半成品芯片上(shang)激(ji)光刻蝕(shi)刻線，完成子電池的串聯。
12）掃(sao)邊(bian)：清除(chu)芯片四個邊(bian)邊(bian)緣10mm區域(yu)，以達到(dao)絕緣狀態(tai)。
13）退火：通過熱(re)處理重(zhong)組(zu)薄膜材(cai)料微觀結構，提高其穩定(ding)性(xing)，可以提高電池芯片的轉化效率。
14）測(ce)試：測(ce)試電(dian)池(chi)芯片的電(dian)性參數。
15）反壓：對芯片(pian)的缺陷進(jin)行反壓修補，以提高芯片(pian)的轉化效(xiao)率。
非晶硅(gui)薄(bo)膜太陽電池制備工藝的流(liu)程(cheng)為所有光伏電池中流(liu)程(cheng)最短。但是對(dui)非晶硅(gui)半導(dao)體膜系的真空PECVD制備從膜系設計(ji)到工藝過程控制的要求是非常嚴格的。
當前小面積電(dian)池的實驗室制備(bei)已達到接近15%的(de)光電轉換效率(lv)，而工藝生產的(de)大(da)面積組件在大(da)多(duo)數生產線上還未達到認證效率(lv)6%。理論上大面積(ji)(ji)組件的(de)極限是小(xiao)面積(ji)(ji)器件的(de)85-90%， 小面積器件與 組(zu)件的光(guang)電準換效率的差距體現了一條生產線的技(ji)術水(shui)平。
國(guo)際上少數非(fei)晶硅生產線已制備出認證效率8%以上(shang)的(de)組件， 由于幾(ji)乎所有(you)其(qi)他類(lei)型的(de)光伏組件(包括當前熱議的(de)微晶硅薄膜電池(chi))在實際運行高溫情況與陰天低照度下性能不佳的問(wen)題而唯(wei)獨非(fei)晶硅組件(jian)在這些實際運行條件(jian)下表現優秀的性能，所以(yi)其它類型(xing)的大面積薄膜電(dian)池的低成(cheng)本規模制造出認證光電(dian)轉(zhuan)換效率超(chao)過(guo)12%的(de)(de)(de)(de)組(zu)件(jian)以(yi)(yi)前(qian)，即(ji)使在規模發電應用，非晶硅光(guang)(guang)伏組(zu)件(jian)以(yi)(yi)其最(zui)低的(de)(de)(de)(de)制造成本，適中的(de)(de)(de)(de)，并(bing)不像(xiang)誤傳的(de)(de)(de)(de)那么(me)差的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)電轉換效率，是無法被淘汰的(de)(de)(de)(de)，且不說美麗的(de)(de)(de)(de)半透(tou)明組(zu)件(jian)以(yi)(yi)及可以(yi)(yi)彎(wan)曲(qu)，質量輕又不易破碎的(de)(de)(de)(de)柔性組(zu)件(jian)等只有非晶硅具備的(de)(de)(de)(de)優越性能的(de)(de)(de)(de)應用了。
五．非晶(jing)硅材料的缺(que)陷——光(guang)致衰退(tui)效應(ying)
利用氫(qing)摻雜的(de)非(fei)晶硅(gui)薄(bo)膜制作(zuo)的(de)太陽能(neng)電(dian)池薄(bo)膜存(cun)在一個(ge)致命的(de)缺點——光致衰退效(xiao)應(ying)。氫(qing)化(hua)非(fei)晶硅(gui)薄(bo)膜經(jing)較長(chang)時間的(de)強光照射或電(dian)流通過時, 由于Si -H 鍵很弱(鍵(jian)能323), H 很容(rong)易失(shi)去, 形成大量的Si 懸掛鍵, 從而(er)使薄膜的電學性能(neng)下降, 而(er)且這(zhe)種失H 行(xing)為(wei)還(huan)是一種鏈式反應(ying), 失去(qu)H 的懸掛(gua)鍵又吸(xi)引相鄰鍵上的H原子 , 使其(qi)周圍的Si -H 鍵(jian)松動(dong), 致使(shi)相鄰的(de)H 原子(zi)結合為(wei)H 2,(H-H鍵鍵能436) 便(bian)于形成H2的(de)氣(qi)泡。其光電轉(zhuan)換(huan)效率(lv)會(hui)隨著光照時間的(de)延續而衰減，這樣將大(da)大(da)影響太(tai)陽能電池(chi)的(de)性能。同(tong)時，由于其光學(xue)帶隙為(wei)1.7eV，使得材料本身(shen)對太陽輻射光譜的長波區(qu)域不敏感，這(zhe)樣一(yi)來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuan)換效率。
作為(wei)解決方(fang)案可以將(jiang)電(dian)池中i層的厚(hou)度(du)減薄(bo)，同時為了避免厚(hou)度(du)減薄(bo)帶來的對入射光吸收的減弱，可以(yi)用多(duo)個(ge)電池串聯的方式，形(xing)成多(duo)級(ji)太陽能電池組以(yi)保(bao)證足夠的光吸收。疊(die)層太陽能電池是在制備(bei)的p-i-n單(dan)結太陽能電池上再沉積一個或多個p-i-n子電池。
如上圖中所示(shi)，在一(yi)個PIN結上(shang)又(you)層(ceng)疊了另(ling)外一(yi)個PIN結。疊層型非晶硅太陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)電池(chi)的(de)(de)工作原理(li)：由于太陽(yang)(yang)光(guang)光(guang)譜中(zhong)(zhong)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量分布較(jiao)寬，現有的(de)(de)任(ren)何一(yi)種(zhong)半導體材料都只(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)吸收(shou)其(qi)中(zhong)(zhong)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量比其(qi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)隙值高的(de)(de)光(guang)子(zi)。太陽(yang)(yang)光(guang)中(zhong)(zhong)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量較(jiao)小(xiao)的(de)(de)光(guang)子(zi)將透過電池(chi)，被背(bei)電極金屬吸收(shou)，轉(zhuan)變成熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng);而(er)高(gao)能(neng)(neng)光子(zi)超出能(neng)(neng)隙寬(kuan)度的多余能(neng)(neng)量，則通(tong)過光生載(zai)流子(zi)的能(neng)(neng)量熱釋作用傳給電池材(cai)料(liao)本身的點陣原子(zi)，使材(cai)料(liao)本身發熱。這些能(neng)(neng)量都不能(neng)(neng)通(tong)過光生載(zai)流子(zi)傳給負(fu)載(zai)，變成有效的電能(neng)(neng)。因此對于單結太陽能(neng)(neng)電池，即使是(shi)晶體(ti)材(cai)料(liao)制成的，其轉換效率的理(li)論極限一般也(ye)只有25%左右。若太陽光(guang)光(guang)譜可以(yi)被分(fen)成連續(xu)的(de)(de)(de)若干部分(fen)，用(yong)能(neng)帶寬(kuan)度與這(zhe)(zhe)(zhe)些部分(fen)有(you)最好(hao)匹配的(de)(de)(de)材(cai)料做成電(dian)(dian)池，并按能(neng)隙從大到小(xiao)的(de)(de)(de)順序從外向里疊合起來，讓波(bo)長最短的(de)(de)(de)光(guang)被最外邊的(de)(de)(de)寬(kuan)隙材(cai)料電(dian)(dian)池利用(yong)，波(bo)長較長的(de)(de)(de)光(guang)能(neng)夠(gou)透(tou)射進去讓較窄能(neng)隙材(cai)料電(dian)(dian)池利用(yong)，這(zhe)(zhe)(zhe)就有(you)可能(neng)最大限度地(di)將光(guang)能(neng)變成電(dian)(dian)能(neng)，這(zhe)(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池結構就是疊層電(dian)(dian)池。
再者，由光致衰退導致的轉換效率下(xia)降(jiang)的非晶(jing)硅電池(chi)在130-175攝氏度退火后，其中H-H鍵斷裂，重新形成Si-H鍵，其效率可恢復到(dao)原始值的80%-97%，這是(shi)其他電池(chi)所不具備的性能(neng)。
六．非晶(jing)硅電池性能影響因(yin)素及發(fa)展前(qian)景
由于(yu)非晶硅(gui)結(jie)構是一種無(wu)規網絡結(jie)構,具有長程無序性,所以對載流子(zi)有(you)極強(qiang)的散射(she)作用,導(dao)致載流子不能被有效地(di)收集。為了(le)提高非晶(jing)硅太陽能電池轉換(huan)效率和(he)穩定性,一般不采取單晶硅太陽能電池的(de)p-n結構。這是因(yin)為(wei)輕摻雜(za)的非晶硅費米能(neng)級移(yi)動較小,如果(guo)兩邊(bian)都采取輕摻雜或一邊(bian)是輕摻雜另一邊(bian)用重摻雜材料,則能帶(dai)彎曲較小,電池開(kai)路電壓(ya)受到(dao)限制;如(ru)果直(zhi)接用重摻雜的p+和(he)n+ 材料形(xing)成p+ -n+ 結,由于重摻雜非(fei)晶(jing)硅材料中缺陷態(tai)密度較高,少子壽(shou)命低(di),電池性(xing)能會很差(cha)。因(yin)此,通(tong)常在兩個重摻雜(za)層(ceng)(ceng)中淀(dian)積(ji)一層(ceng)(ceng)未摻雜(za)非(fei)晶硅層(ceng)(ceng)(i層)作為有源集電(dian)區,即p-i-n結構。
非晶硅(gui)太陽(yang)能電池光生載(zai)流子主要(yao)產生于未摻雜的(de)i層,與晶態硅(gui)太陽(yang)能電池載流子(zi)主要由于擴散而移動不同,在非晶(jing)硅太陽(yang)能電池中,光生載流子由于擴散長度小(xiao)主要(yao)依靠電池內電場作(zuo)用做漂移(yi)運動。 當非晶硅(gui)電池采取pin結構以后,電池在光照下(xia)就可(ke)以(yi)工作了,但因存在光致衰退效(xiao)應,電池性(xing)能不穩(wen)定,電池轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率隨光照時間逐(zhu)漸(jian)衰退(tui),所以電池的結(jie)構與工藝還要進一(yi)步優化(hua)。
影響非晶(jing)硅電池轉換效(xiao)率(lv)和(he)穩定(ding)性的(de)主要因(yin)素有:透明導電膜、窗(chuang)口層性質(包括窗(chuang)口(kou)層(ceng)光學帶隙寬度(du)、窗(chuang)口(kou)層(ceng)導電(dian)率(lv)及摻雜濃度(du)、窗(chuang)口(kou)層(ceng)激(ji)活(huo)能、窗(chuang)口(kou)層(ceng)的光透過率(lv))、各(ge)層之間界面(mian)狀(zhuang)態(tai)(界面缺陷(xian)態(tai)密度)及能隙匹配、各層(ceng)厚度(du)(尤其i層(ceng)厚度)以及太(tai)陽能(neng)電池結構等。非晶硅薄膜電池的結構一(yi)般采取疊層(ceng)式或進行集成(cheng)或構造異質結等形式。
非晶硅電池生(sheng)產工藝(yi)簡單且溫度低、耗能小,其市場份額逐年提高。目前,一半以(yi)上薄(bo)膜太陽能電池公司采用(yong)非晶(jing)硅薄(bo)膜技術,預計幾(ji)年內(nei),非(fei)晶硅薄膜在(zai)未來薄膜太陽能電池(chi)中將占據(ju)主(zhu)要(yao)份(fen)額。但光電轉換效(xiao)率低(di)和光致衰退效(xiao)應(ying)是當前(qian)非(fei)晶硅薄膜電池(chi)存在(zai)的兩大主(zhu)要(yao)問題(ti),為(wei)提高效率和穩定性人(ren)們(men)在新(xin)器件結構、新(xin)材(cai)料、新(xin)工藝和新(xin)技術等方面需要(yao)加強探索。
如在電池結構方面(mian)采(cai)取疊層(ceng)式和(he)集成(cheng)式;在透明導電膜(mo)反方(fang)面采用不僅具有(you)電阻率低而(er)且具有(you)阻擋離子(zi)污(wu)染、增大入射(she)(she)光吸收和抗輻射(she)(she)效(xiao)果的透明導電薄膜(mo)代(dai)替(ti)目(mu)前(qian)的ITO、ZnO、ZnO#Al等導電膜;在(zai)窗口層(ceng)(ceng)材料(liao)方面(mian)探索新型的(de)寬光學(xue)帶隙(xi)和低電阻(zu)材料(liao)的(de)窗口層(ceng)(ceng)材料(liao),如非晶硅(gui)(gui)碳(tan)、非晶硅(gui)(gui)氧、微(wei)晶硅(gui)(gui)、微(wei)晶硅(gui)(gui)碳(tan)等(deng);在(zai)非晶硅薄膜制備(bei)技術方面可以改進RF-PECVD、超高真(zhen)空PECVD技術(shu)、甚高頻(VHF)PECVD技術和微波PECVD等技(ji)術,延長薄(bo)膜(mo)光子壽命、提高(gao)載流子輸運(yun)能力和薄(bo)膜(mo)的電(dian)子性能以及穩定(ding)性等;在界面處理方面可(ke)以采取如(ru)氫鈍化技術(shu)以及插(cha)入緩沖層(ceng)減少界面復合損失,提高電(dian)(dian)池(chi)短路電(dian)(dian)流(liu)和(he)開路電(dian)(dian)壓。
盡管目(mu)前效率低性能(neng)不穩定是(shi)阻(zu)礙非晶硅薄膜太陽(yang)能(neng)電池大(da)規模(mo)工(gong)業化生(sheng)產的主要障(zhang)礙,然而優化非晶硅(gui)薄膜電池的各(ge)種技術(shu)都還(huan)是切實可行(xing)的,隨著科技(ji)的進一步發(fa)展,非晶硅(gui)薄膜太陽能電(dian)池將會得到(dao)大規模化(hua)應(ying)用(yong)。
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