非晶硅太陽(yáng)能電池研究畢業(yè)論文

1、非晶硅太陽(yáng)能電池趙準(zhǔn)（吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）摘 要：隨著煤炭、石油等現(xiàn)有能源的頻頻告急和生態(tài)環(huán)境的惡化使得人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源。其中包括水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能，而太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量巨大、安全、清潔等優(yōu)勢(shì)使其必將成為21世紀(jì)的最主要能源之一。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能源，其輻射出來(lái)的功率約為 其中有 被地球截取，這部分能量約有 的能量闖過大氣層到達(dá)地面，在正對(duì)太陽(yáng)的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前太陽(yáng)能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種形式。太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用聚光集熱器把太陽(yáng)能聚集起來(lái)，將一定的工質(zhì)加熱到較高的溫度（通常為幾百攝氏度到上千攝氏

2、度），然后通過常規(guī)的熱機(jī)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或通過其他發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成電能。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。目前光電轉(zhuǎn)換器有兩種：一種是光伽伐尼電池，另一種是光伏效應(yīng)。由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池片組成的太陽(yáng)能電池板稱為光伏組件，將光伏組件串聯(lián)起來(lái)再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。因?yàn)楣夥l(fā)電規(guī)模大小隨意、能獨(dú)立發(fā)電、建設(shè)時(shí)間短、維護(hù)起來(lái)也簡(jiǎn)單所以從70年代開始光伏發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，日本、德國(guó)、美國(guó)都大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，他們走在了世界的前列，我國(guó)在光伏研究和產(chǎn)業(yè)方面也奮起直追，現(xiàn)在以每年20的速度迅速發(fā)展。 關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；太陽(yáng)能電池；硅基太陽(yáng)能電池

3、；非晶硅太陽(yáng)能電池 - 15 -1. 引言1976年卡爾松和路昂斯基報(bào)告了無(wú)定形硅（簡(jiǎn)稱a一Si）薄膜太陽(yáng)電他的誕生。當(dāng)時(shí)、面積樣品的光電轉(zhuǎn)換效率為24。時(shí)隔20多年，a一Si太陽(yáng)電池現(xiàn)在已發(fā)展成為最實(shí)用廉價(jià)的太陽(yáng)電池品種之一。非晶硅科技已轉(zhuǎn)化為一個(gè)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷售額在10億美元以上。應(yīng)用范圍小到手表、計(jì)算器電源大到10Mw級(jí)的獨(dú)立電站。涉及諸多品種的電子消費(fèi)品、照明和家用電源、農(nóng)牧業(yè)抽水、廣播通訊臺(tái)站電源及中小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a一Si太陽(yáng)電池成了光伏能源中的一支生力軍，對(duì)整個(gè)潔凈可再生能源發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。非晶硅太陽(yáng)電他的誕生、發(fā)展

4、過程是生動(dòng)、復(fù)雜和曲折的，全面總結(jié)其中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)薄膜非晶硅太陽(yáng)電池領(lǐng)域的科技進(jìn)步和相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。況且，由于從非晶硅材料及其太陽(yáng)電池研究到有關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的典型事例，其中的規(guī)律性對(duì)其它新興科技領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會(huì)有有益的啟示。本文將追述非晶硅太陽(yáng)電他的誕生、發(fā)展過程，簡(jiǎn)要評(píng)述其中的關(guān)鍵之點(diǎn)，指出進(jìn)一步發(fā)展的方向。2.太陽(yáng)能電池概述2.1.太陽(yáng)能電池原理太陽(yáng)能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽(yáng)能電池以光電效應(yīng)工作的結(jié)晶體太陽(yáng)能電池和薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。太

5、陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。為了理解太陽(yáng)能電池的運(yùn)做，我們需要考慮材料的屬性并且同時(shí)考慮太陽(yáng)光的屬性。太陽(yáng)能電池包括兩種類型材料，通常意義上的P型硅和N型硅。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體摻雜了能俘獲電子的硼、鋁、鎵、銦等雜質(zhì)元素，那么就構(gòu)成P型半導(dǎo)體。如果在硅晶體面中摻入能夠釋放電子的磷、砷、銻等雜質(zhì)元素，那么就構(gòu)成了N型半導(dǎo)體。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起，由于電子和空穴的擴(kuò)散，在交接面處便會(huì)形成PN結(jié)，并在結(jié)的兩邊形成內(nèi)建電場(chǎng)。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)

6、體 p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n 區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)，也是太陽(yáng)能電池的工作原理。2.2 太陽(yáng)能電池種類太陽(yáng)能電池的種類有很多，按材料來(lái)分，有硅基太陽(yáng)能電池（單晶，多晶，非晶），化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池（砷化鎵（GaAs），磷化銦（InP），碲化鎘（CdTe）, 銅銦鎵硒（CIGS），有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太陽(yáng)能電池，納米晶太陽(yáng)能電池；按結(jié)構(gòu)來(lái)分，有體結(jié)晶型太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池。3.硅基太陽(yáng)能電池3.1 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池開發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。

7、由于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，其實(shí)早在70年代初，Carlson 等就已經(jīng)開始了對(duì)非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上已有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。非晶硅半導(dǎo)體材料的最基本特征是組成原子的排列為長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序，原子的鍵合類似晶體硅，形成一種共價(jià)無(wú)規(guī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這結(jié)構(gòu)，不是無(wú)規(guī)理想的網(wǎng)絡(luò)模型，其中含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵和空洞等。非晶硅電池的工作原理與單晶硅電池類似，都是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。與單晶硅電池不同的是，非晶硅電池光生載流子只有漂移運(yùn)動(dòng)而無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，原因是由于非晶硅結(jié)構(gòu)中

8、的長(zhǎng)程無(wú)序和無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)引起的極強(qiáng)散射作用，使載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度很短。如果在光生載流子的產(chǎn)生處或附近沒有電場(chǎng)存在，則光生載流子受擴(kuò)散長(zhǎng)度的限制，將會(huì)很快復(fù)合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電池設(shè)計(jì)成為pin型，其中p層是入射光層，i層是本征吸收層，處在p和n產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)中。當(dāng)入射光通過p+層進(jìn)入i層后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生載流子一旦產(chǎn)生后就由內(nèi)建電場(chǎng)分開，空穴漂移到p+邊，電子飄移到n 邊，形成光生電流和光生電壓。非晶硅光學(xué)帶隙為1.7eV, 使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這樣一來(lái)就限制了非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰

9、退S-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池，疊層太陽(yáng)能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽(yáng)能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。疊層太陽(yáng)能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減?。化B層太陽(yáng)能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法有很多，襯底可以為玻璃、不銹鋼、特種塑料、陶瓷等（圖3.2 為非晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)的示意圖）。玻璃襯底的非晶硅電池，

10、光從玻璃面入射，電池的電流從透明導(dǎo)電膜（TCO）和鋁電極引出。不銹鋼襯底的非晶硅電池與單晶硅電池類似，在透明導(dǎo)電膜上制備梳狀銀電極，電池的電流從銀電極和不銹鋼引出。雙疊層的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是兩層結(jié)構(gòu)使用相同的非晶硅材料；一種是上層使用非晶硅合金，下層使用非晶硅鍺合金，以增加對(duì)長(zhǎng)波光的吸收；上層使用寬能隙的非晶硅合金做本征層，以吸收藍(lán)光光子；中間層用含鍺約15%的中等帶隙的非晶硅鍺合金，以吸收紅光。三疊層的結(jié)構(gòu)與雙疊層的結(jié)構(gòu)類似。非晶硅材料由氣相沉積法形成的。根據(jù)離解和沉積方法的不同，可分為輝光放電分解法（GD）、濺射法（SP）、真空蒸發(fā)法、光化學(xué)氣相沉積法（CVD）和熱絲法（HW）等多種。其中

11、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）是已被普遍采用的方法，在PECVD沉積非晶硅的方法中，PECVD的原料氣一般采用SiH4，和H2，制備疊層電池時(shí)用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5可同時(shí)實(shí)現(xiàn)摻雜。SiH4和GeH4在低溫等離子體的作用下分解產(chǎn)生aSi或aSiCe 薄膜。此法具有低溫工藝和大面積薄膜的生產(chǎn)等特點(diǎn)，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。 非晶硅電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）制造成本低。這是因?yàn)椋喊雽?dǎo)體層光吸收系數(shù)比晶體硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)，電池厚度只需1m 左右，約為晶體硅電池的1/300，可節(jié)省大量硅材料?？芍苯映练e出薄膜，沒有切片損失。可采用集成技術(shù)在電池制備過程中一次完成組件，工藝過程簡(jiǎn)單。

12、電池的pin 結(jié)是在20.0左右的溫度下制造的，比晶體硅電池的8001000的高溫低得多，能源消耗小。電池的單片面積可大到0.71.0m2，組裝方便，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。（2）能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅電池的生產(chǎn)能耗僅為l00kW·h左右，能源回收期僅為l1.5a，比晶體硅低得多。（3）發(fā)電量多。據(jù)測(cè)試，在相同條件下，非晶硅電池的發(fā)電量較單晶硅電池高8%左右，較多晶硅電池高13%左右。（4）售價(jià)低。目前約比晶體硅電池的售價(jià)約低1/41/3。3.2 太陽(yáng)能電池性能分析和亟待解決的問題3.2.1 性能分析種類優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)轉(zhuǎn)換效率單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率最高，技術(shù)最為成熟硅消耗量大，成

13、本高，工藝復(fù)雜16%-20%多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率較高多晶硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜，供應(yīng)受限制14%-16%非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率不高，光致衰退效率9%-13%3.2.2 需要解決的問題由以上對(duì)比可以看出，以后多晶硅和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的生產(chǎn)成本，會(huì)越來(lái)越受到投資者的關(guān)注。但是它們也面臨著一些需要解決的問題。多晶硅薄膜電池具有效率較高、性能穩(wěn)定及成本低的優(yōu)點(diǎn)，是降低太陽(yáng)能電池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下問題：多晶硅薄膜低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低。多晶硅薄膜高溫沉積，適于生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的廉價(jià)而優(yōu)良的襯底材料。因而今后應(yīng)

14、著重研發(fā)如下問題：大面積、大晶粒薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)；進(jìn)一步提高薄膜的生長(zhǎng)速率；薄膜缺陷的控制技術(shù)；優(yōu)質(zhì)、價(jià)廉襯底材料的研發(fā)；電池優(yōu)良設(shè)計(jì)、表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)等的研究。非晶硅薄膜電池作為地面電源應(yīng)用的最主要問題，是效率低、穩(wěn)定性差。目前實(shí)驗(yàn)室效率己達(dá)15，但生產(chǎn)中電池組件的穩(wěn)定效率僅為5.5%7.5。引起效率低、穩(wěn)定性差的主要原因是光誘導(dǎo)衰變，即所謂的SW效應(yīng)。用氫稀釋硅烷方法生長(zhǎng)的a-Si和a-SiGe 薄膜可以抑制光誘導(dǎo)衰變，提高效率。使用雙疊層、三疊層或多疊層結(jié)構(gòu)可以增加光譜響應(yīng)，提高效率。但從工業(yè)化生產(chǎn)和地面電源應(yīng)用的要求來(lái)看，問題還遠(yuǎn)未得到令人滿意的解決，仍有許多工作要做。關(guān)于非晶硅

15、電池的衰降問題，許多科研人員已進(jìn)行多年的研究實(shí)驗(yàn)，并還在繼續(xù)進(jìn)行著，主要內(nèi)容有：高質(zhì)量本征非晶硅材料的研究（包括晶化技術(shù)），減少光生亞穩(wěn)態(tài)密度，提高穩(wěn)定性。質(zhì)量n 型和p 型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高摻雜效率，增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，提高電池的穩(wěn)定性。改善非晶硅電池內(nèi)部界面，降低界面態(tài)，減小界面復(fù)合，提高輸運(yùn)效率、轉(zhuǎn)換效率和電池的穩(wěn)定性。優(yōu)質(zhì)a-Si：Ge 合金材料的研究，進(jìn)一步完善雙結(jié)、三結(jié)、多帶隙非晶硅電池，提高效率和電池的穩(wěn)定性。目前非晶硅太陽(yáng)能電池的研究已取得兩大進(jìn)展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13，創(chuàng)下新的記錄；第二、三疊層太陽(yáng)能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國(guó)聯(lián)合太

16、陽(yáng)能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9.3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為13。3.3光伏系統(tǒng)的特殊應(yīng)用光伏系統(tǒng)具有很多用途，它可以比一個(gè)硬幣還小也可以比一個(gè)足球場(chǎng)那么大，可以為一個(gè)手表提供電力也可以為一個(gè)小城鎮(zhèn)供電，而它所需要的能源僅僅是太陽(yáng)光。光伏系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合它的簡(jiǎn)潔的工作方式，使之成為適用于很多獨(dú)立特殊應(yīng)用的能源，前景尤為誘人。本章將著重討論光伏系統(tǒng)的特殊應(yīng)用。3.3.1 空間應(yīng)用在應(yīng)用的早期，由于光伏系統(tǒng)的成本高，它僅僅應(yīng)用于空間領(lǐng)域。太陽(yáng)能電池不斷地被用來(lái)為太空飛船、人造衛(wèi)星、以及火星探測(cè)器進(jìn)行供電。正如預(yù)期的，由于空間應(yīng)用對(duì)可靠性的高要求，應(yīng)用于空間技術(shù)

17、上的產(chǎn)品都執(zhí)行很高的標(biāo)準(zhǔn)以及非常嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制。同時(shí)由于太空船對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及面積的限制，對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也有很高的要求。由于光伏太陽(yáng)能板占人造衛(wèi)星總重量的10%-20%，占總成本的10%-30%，所以太陽(yáng)能電池的重量及成本的降低成為下一代空間用太陽(yáng)能電池的研究方向。很多空間太陽(yáng)能電池采用砷化鎵以及相關(guān)的化合物制作，砷化鎵電池與晶體硅太陽(yáng)能電池相比具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是需要更高的成本。3.4發(fā)展中國(guó)家的光伏發(fā)電盡管有一些小的電池供電電器在某些地區(qū)使用，消費(fèi)者必須到電池充電中心進(jìn)行充電，發(fā)展中國(guó)家仍有將近40%的人無(wú)法得到電力供應(yīng)。在這些邊遠(yuǎn)地區(qū)，燃料的供應(yīng)以及柴油發(fā)電機(jī)的維護(hù)

18、比較困難，這樣對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)存在一個(gè)潛在的并且巨大的市場(chǎng)，這樣的應(yīng)用有：(1) 家庭照明，包括太陽(yáng)能電燈；(2) 家用電源；(3) 用于教育和娛樂的電視機(jī)或者收音機(jī)；(4) 無(wú)線電話和通信系統(tǒng)；(5) 飲用水凈化系統(tǒng)；(6) 家庭用水或者灌溉用水的水泵系統(tǒng)；(7) 醫(yī)用和疫苗用冷藏設(shè)備；(8) 社區(qū)共用設(shè)施；(9) 生產(chǎn)和生活用電.每一項(xiàng)這樣的應(yīng)用都可以設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，與滿足多種應(yīng)用的村落電網(wǎng)連接。國(guó)際能源協(xié)會(huì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目包含發(fā)展中國(guó)家計(jì)劃，并已經(jīng)開始運(yùn)作，光伏發(fā)電由于可靠性高、壽命長(zhǎng)、以及維護(hù)費(fèi)用低而顯得非常吸引人。但是，用戶的持續(xù)支持、對(duì)用戶相關(guān)知識(shí)的教育和培訓(xùn)是

19、必須的，這樣才可以避免系統(tǒng)的高失效率，如今這方面的管理與以前相比要好得多。另外，光伏組件模塊化的特性使得無(wú)論是小規(guī)模還是大規(guī)模的系統(tǒng)都能夠安裝在任何地方，并且可以隨著需求后續(xù)可以增加系統(tǒng)的容量。然而由于光伏系統(tǒng)的成本很高，大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家的村莊在使用這樣的供電系統(tǒng)時(shí)需要財(cái)政上的支持。4. 非晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程4.1非晶硅太陽(yáng)電池的誕生4.1.2理論上的突破 1957年斯皮爾成功地測(cè)量了a一Se材料的漂移遷移率；1958年美國(guó)的安德松第一次在論文中提出，無(wú)定形體系中存在電子局域化效應(yīng)：1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾提出了對(duì)非晶半導(dǎo)體理論有重要意義的論點(diǎn)，即決定固體的基本電子特性是屬于金屬還

20、是半導(dǎo)體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位情況，同年美國(guó)人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無(wú)定形半導(dǎo)體材料具有電子開關(guān)存儲(chǔ)作用。從1966年到1969年有關(guān)科學(xué)家深入開展了基礎(chǔ)理論研究，解決了非晶半導(dǎo)體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott一CFO模型和遷移邊的思想4.2 非晶硅太陽(yáng)電池的初期發(fā)展4.2.1初期的技術(shù)進(jìn)步和繁榮 半導(dǎo)體巨型電子器件太陽(yáng)電池可用廉價(jià)的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā)了科研人員、研究單位紛紛投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和許多國(guó)家政府的關(guān)注，從而推動(dòng)了非晶硅太陽(yáng)電他的大發(fā)展。世界上出現(xiàn)了許多以a-Si太陽(yáng)電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。

21、例如，美國(guó)的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國(guó)家輸出了6條MW級(jí)生產(chǎn)線。美、日各公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗(yàn)電站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太陽(yáng)電他的總銷售量中非晶硅占有40，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢(shì)。4.2.2a-SI太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì) 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說(shuō)明非晶硅太陽(yáng)電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：（1）材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)橐r底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價(jià)格低廉。硅薄膜厚度不到1&mi

22、cro;m，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（100一300°C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時(shí)間短）（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因?yàn)楹诵墓に囘m合制作特大面積無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的a一Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)n結(jié)以及相應(yīng)的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動(dòng)化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽(yáng)電池易于實(shí)現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，晴電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計(jì)算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽(yáng)電池。

23、靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。4.3非晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)完善與提高 由于發(fā)展勢(shì)頭遭到挫折，80年代末90年代初，非晶硅太陽(yáng)電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整、完善和提高的時(shí)期。人們一方面加強(qiáng)了探索和研究，一方面準(zhǔn)備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中心任務(wù)是提高電它的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮，先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級(jí)，生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在10年以上。組件生

24、產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達(dá)到6-8；中試組件（面積900cm2左右）效率達(dá)9-11；小面積電池最高效率達(dá)14.6。4.3.1 疊層電池技術(shù) 減薄a-Si太陽(yáng)電他的i層厚度可以增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，減少光生載流子通過帶隙缺陷中心和或光生亞穩(wěn)中心復(fù)合的幾率，又可以增加載流子移動(dòng)速率，同時(shí)增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果i層大薄又會(huì)影響入射光的充分吸收，導(dǎo)致電池效率下降。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，人們采用了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)，從而提高了電池的轉(zhuǎn)化效率，并降低了電池的衰減率。4.3.2新材料探索 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂

25、電池的i層主要是寬帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在1.1eV到1.7eV范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時(shí)，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對(duì)電池性能的影響。4.3.3新技術(shù)探索 為了提高非晶硅太陽(yáng)電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學(xué)退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、

26、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高a-Si薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得a一Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。4.3.4新制備技術(shù)探索 射頻等離子體增強(qiáng)CVD是當(dāng)今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復(fù)制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷、臺(tái)階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特性符合大面積太陽(yáng)電他的要求。此法的主要缺點(diǎn)也是致命的缺點(diǎn)是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10-15氫含量，光致衰退比較嚴(yán)重。因此，人們一方面運(yùn)用這一方法實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)

27、，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)與RF-PECVD最相近的技術(shù)有，超高真空PECVD技術(shù)，甚高頻（VHF）PECVD技術(shù)和微波（包括 ECR）PECVD技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對(duì)膜表面的處理機(jī)制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會(huì)有區(qū)別。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢(shì)。 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積a-Si薄膜技術(shù)，HOMO-CVD技術(shù)和熱絲CVD技術(shù)等。離子束淀積 a-Si合金薄膜時(shí)，包括硅烷在內(nèi)的反應(yīng)氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的a-Si合金薄

28、膜。HOMO-CVD技術(shù)通過加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級(jí)粒子壽命較長(zhǎng)，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲CVD技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。4.4非晶硅太陽(yáng)電池的未來(lái)發(fā)展4.4.1現(xiàn)有a-Si太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)開發(fā) 非晶硅太陽(yáng)電池?zé)o論在學(xué)術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功。金世界的生產(chǎn)能力超過50兆瓦。處于高校術(shù)檔次的約占一半。最大的生產(chǎn)線規(guī)模為年產(chǎn)10MW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達(dá)1.1美元峰瓦左右。據(jù)預(yù)測(cè)，若太陽(yáng)電池成本低于每峰瓦1美元，壽命20年以上，發(fā)電系統(tǒng)

29、成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)。與其它品種太陽(yáng)電池相比，非晶硅太陽(yáng)電池更接近這一理想的目標(biāo)。非晶硅大陽(yáng)電池目前雖不能與常規(guī)電力競(jìng)爭(zhēng)，但在許多特別的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)，依托于建筑物的屋頂電站，由于它不占地亂免除占地的開支，發(fā)電成本較低。作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲(chǔ)能裝備，太陽(yáng)電池在發(fā)電成本中有最大比重，太陽(yáng)電池低成本就會(huì)帶來(lái)電力低成本。4.4.2技求進(jìn)一步發(fā)展的方向 非晶硅太陽(yáng)電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價(jià)的其它薄膜太陽(yáng)電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來(lái)的光伏能源中

30、占據(jù)突出的位置，除了應(yīng)努力開拓市場(chǎng)，將現(xiàn)有技術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應(yīng)用外，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)它對(duì)晶體硅電池在成本價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)和對(duì)其它薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢(shì)，在克服自身弱點(diǎn)上下功夫。進(jìn)一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下：（1）加強(qiáng)a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達(dá)到基本上消除薄膜硅太陽(yáng)電池性能的光致衰退。（2）加強(qiáng)晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來(lái)的薄膜硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品既具備a一Si薄膜太陽(yáng)電池低成本的優(yōu)勢(shì)，又具備晶體硅太陽(yáng)電池長(zhǎng)壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。（3）加強(qiáng)帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價(jià)特色的混合疊層電他的研究，把a(bǔ)

31、Si太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)與其它太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)嫁接起來(lái)。（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)商品化。5. 國(guó)內(nèi)外非晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)分析 5.1 世界光伏產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)世界各國(guó)都對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電給予大力支持。2005 年全世界太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量為1817.7 兆瓦，比2004 年增長(zhǎng)52.2%，其中日本的產(chǎn)量達(dá)到824.3 兆瓦，比2004 年618 兆瓦增長(zhǎng)33.4%，是全世界第一大生產(chǎn)國(guó)，占全世界45.3%；歐洲太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)量為515.3 兆瓦, 比2004 年308 兆瓦增長(zhǎng)67.3%；美國(guó)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)量為1

32、54.8 兆瓦, 比2004 年139 兆瓦增長(zhǎng)11.4%；其他國(guó)家地區(qū)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)量為323.3 兆瓦, 比2004 年140.1 兆瓦增長(zhǎng)151%，大幅增長(zhǎng)，中國(guó)、臺(tái)灣增長(zhǎng)很快。2005年，世界光伏市場(chǎng)安裝量1460MW，比2004 年增長(zhǎng)34，其中德國(guó)安裝最多，為837MW，比2004 年增長(zhǎng)53，占世界總安裝量的57；歐洲為920MW，占總世界安裝量的63，日本安裝量292MW，增幅為14，占世界總安裝量的20；美國(guó)安裝量為102MW，占世界總安裝量的7，其他安裝量為146MW，占世界總安裝量的10。至2005 年，全世界光伏系統(tǒng)累計(jì)安裝量已超過5GW，2005 年一年內(nèi)投資太陽(yáng)能

33、電池制造業(yè)的資金超過10 億美元。根據(jù)光伏市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，到2010 年，全世界光伏市場(chǎng)年安裝量將在3.2G 到3.9GW 之間，而光伏工業(yè)年收入將達(dá)到186億 美元到231 億美元。日本和歐美各國(guó)都提出了各自的中長(zhǎng)期PV 發(fā)展路線圖。按日本的PV 路線圖（TV Roadmap 2030），到2030 年P(guān)V 電力將達(dá)到居民電力消耗的50（累計(jì)安裝容量約為100GW），具體的發(fā)展目標(biāo)見表5.1 和表5.2。表5.1到2030年的日本PV研發(fā)目標(biāo)項(xiàng)目現(xiàn)狀2010-2030年目標(biāo)PV組件生產(chǎn)成本140日元/W100日元/W (2010年)75日元/W（2020年）<50日元/W（2030年）P

34、V組件的壽命20年30年（2020年）Si原料的消耗10-13g/W1g/W（2030年）變換器（功率單元）30.0日元/W15.0日元/W（2020年）蓄電池10.0日元/W10日元/W，壽命>20年（2020年）表5.2到2030年的日本PV組件/電池的轉(zhuǎn)換效率目標(biāo)太陽(yáng)能電池類型現(xiàn)狀效率（%）目標(biāo)轉(zhuǎn)換效率（實(shí)驗(yàn)室效率）（%）2010年2020年2030年晶體硅電池13-14.8（18.4）16（20）19（25）22（25）薄膜電池10（14.7）12（15）14（18）18（20）CIS電池10-12（18.9）13（19）18（25）22（25）III-V電池聚光（38.9）28

35、（40）35（45）40（50）染料敏化電池（10.5）6（10）10（15）15（18）5.2 非晶硅系列太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛目前，晶體硅太陽(yáng)能電池因較高的轉(zhuǎn)化效率和成熟的生產(chǎn)工藝是太陽(yáng)能電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的主要方向，而化合物薄膜等新技術(shù)太陽(yáng)能電池雖然具有相對(duì)較低的成本，但生產(chǎn)工藝還不成熟，且目前商業(yè)化的薄膜型太陽(yáng)光電模塊效率相比主流的結(jié)晶硅型效率(1517%)仍然較低，一般多在10%以下。以2004 年數(shù)據(jù)分析，各種太陽(yáng)能電池中晶體硅平板太陽(yáng)能電池占總產(chǎn)量的84.6，非晶硅電池產(chǎn)量占3.9，其他為薄膜或帶硅太陽(yáng)能電池?，F(xiàn)在，一個(gè)世界性的問題是制造太陽(yáng)能的電池的硅原材料緊缺，盡管2008年全世界

36、硅原材料供應(yīng)增長(zhǎng)了12，但仍然供不應(yīng)求，國(guó)際上長(zhǎng)期供貨合同抬價(jià)25。持續(xù)的硅材料緊缺將對(duì)2008 年太陽(yáng)能電池生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響，預(yù)計(jì)2008年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的增幅將被限制在10左右。要解決硅材料的緊缺問題預(yù)計(jì)將需要5 年以上的時(shí)間。由于硅材的供不應(yīng)求，預(yù)期將限制2009年硅基太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)速度，然而這恰好也為第二代太陽(yáng)電池技術(shù)，薄膜太陽(yáng)電池等非晶硅系產(chǎn)品提供了良好的發(fā)揮舞臺(tái)。5.2.1 非晶硅材料轉(zhuǎn)換效率約68%在八十年代，非晶硅是當(dāng)時(shí)唯一的薄膜型太陽(yáng)電池材料，但由于它的光電轉(zhuǎn)換效率較低且具有光劣化的不穩(wěn)定性，因此早期始終無(wú)法打入主流的發(fā)電用市場(chǎng)，而多應(yīng)用于小功率的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)

37、。但近年隨著兩層或多層接合太陽(yáng)電池（Multijunction Cell）技術(shù)的發(fā)展，使得單層厚度可以降低而減緩照光后衰退的現(xiàn)象，且可吸收不同波段的太陽(yáng)光譜，因此光電轉(zhuǎn)換效率獲得提升。預(yù)計(jì)短期內(nèi)市面上的非晶硅太陽(yáng)電池模塊效率約為68%，并很快就可見到裝置容量達(dá)數(shù)百萬(wàn)瓦級(jí)的非晶硅太陽(yáng)光電板設(shè)施。目前主要非晶硅太陽(yáng)電池廠商包括：Kaneka、United Solar、三洋（Sanyo）、富士電機(jī)（Fuji Electric）、BP Solar。5.2.2 薄膜硅原料需求低且發(fā)電效率高薄膜硅太陽(yáng)電池是一種不同于非晶硅及單晶硅基材的硅基太陽(yáng)電池，其電池厚度僅約數(shù)個(gè)微米或更薄，介于非晶硅模塊的300nm，與結(jié)晶硅太陽(yáng)電池200nm 之間。小粒徑的多晶硅（晶粒約數(shù)百nm，僅含有晶粒及晶界）及納米結(jié)晶硅（Nanocrystalline Silicon）或微晶硅（c-Si，晶粒約2030nm，是一種含有非晶組織及晶粒、晶界的混合結(jié)構(gòu)）薄膜是常見的薄膜硅結(jié)構(gòu)，有機(jī)會(huì)取代非晶硅合金（如a-SiGe）作為多層接合太陽(yáng)電池的底層，如夏普（Shar