硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀及前景

1、硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀及前景摘要：本文著重介紹了非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池原理、制備方法，從材料、工藝與轉(zhuǎn)換效率等方面討論了它們的優(yōu)勢(shì)和不足之處，并提出改進(jìn)方法。同時(shí)介紹了國(guó)內(nèi)外硅基薄膜太陽(yáng)電池研究的進(jìn)展，最后展望了薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；薄膜電池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新進(jìn)展一、引言太陽(yáng)電池是目前主要的新能源技術(shù)之一，它利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光能直接裝換為電能。目前太陽(yáng)電池主要有傳統(tǒng)的（第一代）單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池以及新型的（第二代）薄膜電池。薄膜太陽(yáng)電池可以使用其他材料當(dāng)基板來(lái)制造，薄膜厚度僅需數(shù)m，較傳統(tǒng)太

2、陽(yáng)能電池大幅減少原料的用量。目前光伏發(fā)電的成本與煤電的差距還是比較大，其中主要的一項(xiàng)就是原材料即的價(jià)格。薄膜太陽(yáng)電池消耗材料少，降低成本方面的巨大潛力。薄膜太陽(yáng)能電池的種類包括： 非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半導(dǎo)體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物)等。如果要將太陽(yáng)電池大規(guī)模應(yīng)用為生活生產(chǎn)提供能源，那么必須選擇地球上含量豐富，能大規(guī)模生產(chǎn)并且性能穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，硅基薄膜電池的優(yōu)越性

3、由此凸顯。本文主要綜述硅基薄膜太陽(yáng)電池（包括多晶硅薄膜電池、非晶硅薄膜電池）的發(fā)展現(xiàn)狀及并簡(jiǎn)要分析其發(fā)展前景。二、非晶硅(a-Si)薄膜太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池是上世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種薄膜太陽(yáng)電池，它制備溫度低，用材少，便于工業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格低廉，因而受到高度重視。現(xiàn)階段非晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已從1976年的1%2%提高到穩(wěn)定的1214%，其中10cm10cm電池的轉(zhuǎn)換效率為10.6%.小面積的單結(jié)的電池轉(zhuǎn)換效率已超過13%。1原理及結(jié)構(gòu) 圖1 非晶硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 圖2 非晶硅太陽(yáng)電池組件非晶硅太陽(yáng)電池主要是以玻璃、不銹鋼等為襯底的薄膜太陽(yáng)電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為減少串聯(lián)電阻，通常用激

4、光器將TCO膜、非晶硅(A-si)膜和鋁(Al)電極膜分別切割成條狀， 如圖2所示。 圖3非晶硅太陽(yáng)電池組件結(jié)構(gòu) 圖4 非晶硅太陽(yáng)電池制備過程由于太陽(yáng)光譜分布較寬，現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料只能在一有限波段轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能量，所以單結(jié)太陽(yáng)電池不能充分利用太陽(yáng)能。采用分波段利用太陽(yáng)能光譜的疊層電池結(jié)構(gòu)則是比較有效提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法。疊層太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)見圖3。目前常規(guī)的疊層電池結(jié)構(gòu)包括a-Si/a-SiGe,a-Si/a-Si/a-SiGe,a-Si/a-SiGe/a-SiGe,a-SiC/a-Si/a-SiGe等。2制備方法圖4是非晶硅太陽(yáng)電池制備方法示意圖，把硅烷(SiH4)等原料氣體入真空度保持在101

5、000Pa的反應(yīng)室中，射頻(RF)電場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電，原料氣體被分解，在玻璃或者不銹鋼等襯底上形成非晶硅薄膜材料。如果原料氣體中混入硅烷(B2H6)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。為得到性能良好的太陽(yáng)電池，避免反應(yīng)室內(nèi)壁和電極上殘存的雜質(zhì)摻入到電池中，一般都利用隔離的連續(xù)等離子反應(yīng)制造裝置，即P,I,N各層分別在專用的反應(yīng)室內(nèi)沉積。3優(yōu)勢(shì)及不足非晶硅太陽(yáng)電池應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體如下：（1）材料和制造工藝成本低。（2）易于大規(guī)模生產(chǎn)。（3）具備弱光發(fā)電的性能，該性能使得非晶硅薄膜電池受風(fēng)沙、雨雪等天氣的影響很小，發(fā)電時(shí)間延長(zhǎng)。（4）非晶硅電池工作中不受環(huán)境的影響，而晶體硅電池如果

6、其中一小部分被遮擋，會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)，這將極大的降低整個(gè)組件的功率輸出。（6）具有透光性，而且組件能更好的融合于建筑，在光伏建筑一體化（BIPV）上具有很大的優(yōu)勢(shì)。非晶硅太陽(yáng)電池主要缺點(diǎn)有兩個(gè)，一是它的不穩(wěn)定性，即光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，另外光電轉(zhuǎn)換效率也比較低，一般在到之間。4改進(jìn)方法主要是要降低其衰減程度。非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨光照時(shí)間加長(zhǎng)而減小，經(jīng)170200 溫度2h，又可恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為S-W效應(yīng)。非晶硅太陽(yáng)電池光衰退的主要因素是I層的S-W效應(yīng)。因此要提高非硅太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率，首先要獲得高穩(wěn)定性的I層的a-Si:H材料。方法如下：采用分室沉積技術(shù)和高真空

7、反應(yīng)室消除雜質(zhì)污染；在制備方法方面分別采用了電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(ECR一CVD)、氫根化學(xué)氣相沉積(HR一CVD)、熱絲(HW)法沉積和三極管系統(tǒng)；在制備工藝方面采用了H等離子體化學(xué)退火法、H2稀釋法、He稀釋法和摻氟法。采用這些制備技術(shù)和制備工藝的主要目的都是為了減少非晶硅膜中的H含量和缺陷態(tài)密度，使其形成穩(wěn)定的Si-Si鍵和Si-H鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。比如，用常規(guī)PECVD技術(shù)制備的a-Si:H膜中含有約10%的H，而用化學(xué)退火法制備的a-Si:H膜的含H量小于9%，用熱絲法制備的a-Si:H膜的含H量只有1%2% 。 另外與微晶硅結(jié)合生成非晶硅微晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池也是目前非晶硅薄膜電池研究

8、的主要方向，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點(diǎn)，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度。三、多晶硅(poly-Si)薄膜太陽(yáng)電池1原理介紹多晶硅薄膜由許多大小不等，具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百納米級(jí)，大顆粒尺寸可達(dá)微米級(jí)。多晶硅薄膜太陽(yáng)電池保持了晶體硅太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性，大幅度降低了硅料的用量，還可以生長(zhǎng)在廉價(jià)的襯底材料上，明顯地降低了電池成本 。多晶硅薄膜電池的研究重點(diǎn)有兩方面，一是電池襯底的選擇，二是制備方法。2 選擇襯底(1)非硅襯底多晶硅薄膜太陽(yáng)電池非硅襯底可以大幅度降低成本，但是所獲得的多晶硅薄膜晶粒較小，工藝要求比較高。圖4所示的日本Kaneka公

9、司的STAR太陽(yáng)電池就屬于這類電池。它利用CVD技術(shù)在玻璃襯底上生長(zhǎng)2nm厚的非晶硅薄膜，然后在氫原子氣氛中進(jìn)行重結(jié)晶，不斷重復(fù)上述過程，直到底層完全晶化，再在已晶化的底層上沉積多晶硅薄膜。STAR太陽(yáng)電池的效率達(dá)到101。(2)低品質(zhì)硅襯底多晶硅薄膜電池采用低品質(zhì)硅帶為襯底，可以直接外延生長(zhǎng)多晶硅薄膜，并且可得到具有較大顆粒尺寸的多晶硅薄膜，工藝簡(jiǎn)單，效率較高，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。圖5說(shuō)是的就是一種以SSP硅帶為襯底的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池。在不使用鈍化和陷光技術(shù)的前提下，電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了825。在此基礎(chǔ)上，通過在顆粒硅帶上預(yù)先沉積一層穿孔隔離層并對(duì)沉積的多晶硅薄膜進(jìn)行重結(jié)晶，制備的多晶硅

10、薄膜太陽(yáng)電池的效率達(dá)到112。 圖4 STAR太陽(yáng)電池 圖5 SSP襯底上的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池3制備方法目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)，液相外延法(LPPE)和區(qū)熔再結(jié)晶法(ZMR)法、等離子噴涂法(PSM)、疊層法、固相結(jié)晶法(SPC)也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法是利用PECVD技術(shù)在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法，其制備溫度很低（100200），晶粒?。?07m量級(jí)）。目前最高效率達(dá)10.7。該方法存在生長(zhǎng)速度太慢以及薄膜極易受損等問題，有待今后研究改進(jìn)。液相外延（LPE）法通過

11、將硅熔融在母液里，降低溫度使硅析出成膜。美國(guó)Astro Power公司和德國(guó)Max-Plank研究所對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，前者用LPE法制備的電池，效率已達(dá)12.2。化學(xué)氣相沉積（CVD）法就是將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，然后通以反?yīng)氣體（如SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4等），在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在襯底表面。這些反應(yīng)的溫度通常較高，在8001200之間?？梢詰?yīng)用再結(jié)晶技術(shù)提高晶粒尺寸，其具體方法是：先用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法在襯底表面形成一層較薄的、重?fù)诫s的非晶硅層，再用高溫將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，用這層較薄的大尺寸多晶硅層作為籽晶

12、層，在其上面用CVD法生長(zhǎng)厚的多晶硅膜。這種CVD法制備多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的關(guān)鍵是尋找一種較好的再結(jié)晶技術(shù)。下表是主要幾種不同生長(zhǎng)方法的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池特點(diǎn)的比較結(jié)果。再結(jié)晶技術(shù)主要有固相晶化（LAR）法、區(qū)熔再結(jié)晶（ZMR）法和激光再結(jié)晶（LMC）法。固相晶化法需對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行整體加熱，溫度要求達(dá)到1414的硅的熔化點(diǎn)。該法的缺點(diǎn)是整體溫度較高，晶粒取向散亂，不易形成柱狀結(jié)晶。區(qū)熔再結(jié)晶法需將非晶硅整體加熱至1100，再用一個(gè)加熱條加熱局部使其達(dá)到熔化狀態(tài)。加熱條在加熱過程中需在非晶硅表面移動(dòng)。激光退火法采用激光束的高溫將非晶硅薄膜熔化結(jié)晶以得到多晶硅薄膜。三種方法中以ZMR法最成功，

13、日本三菱公司用該法制備的電池，效率已達(dá)16.42，德國(guó)的Fronhaufer研究所在這方面的研究處于領(lǐng)先水平。表1 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的生長(zhǎng)方法及特點(diǎn)對(duì)比生長(zhǎng)方法沉積溫度沉積率結(jié)晶質(zhì)量等離子體低低差液相外延低低-中良好化學(xué)氣相沉積高高良好4研究進(jìn)展近年來(lái)制備多晶硅薄膜材料的工藝技術(shù)有很大發(fā)展。用多晶硅薄膜代替-SiGe作為底部電池在進(jìn)一步提高硅基薄膜太陽(yáng)能電池性能方面顯示出許多優(yōu)勢(shì)：其帶隙可做1.12eV，與-Si-SiGe薄膜電池相比，-Siploy-Si薄膜電池能吸收更小能量的太陽(yáng)光子，具有更高的轉(zhuǎn)換效率極限；ploy-Si薄膜沒有光致衰退效應(yīng)。理論計(jì)算表明，ploy-Siploy-Si

14、疊層電池的效率可達(dá)。KneKa公司設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池，效率已達(dá)10.7，且無(wú)光致衰降現(xiàn)象；另一種SOI結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池10cm×10cm，獲得了高達(dá)14.22的效率。H.Morikawa等更制備出了效率高達(dá)16的多晶硅薄膜電池。德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所通過在顆粒硅帶上預(yù)先沉積一層穿孔隔離層并對(duì)沉積的多晶硅薄膜進(jìn)行重結(jié)晶，制備的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的效率達(dá)到11。2%。澳大利亞新南威爾士大學(xué)采用熱交換法生長(zhǎng)的多晶硅制備的多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%，通改進(jìn)工藝使其電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.8%(1cm2)。北京太陽(yáng)能研究所在覆蓋SiO2的重?fù)絇型單晶硅襯底

15、上制備的多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的效率達(dá)到10.2%，重?fù)诫s拋光單晶硅襯底上制備了效率為13.6% 。美國(guó)Astropower公司采用LPE法制備的電池效率達(dá)到12.2%。5優(yōu)勢(shì)及不足多晶硅薄膜電池具有上述的效率高、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，能耗高，尚缺少適于生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的廉價(jià)而優(yōu)良的襯底材料。6改進(jìn)方法今后應(yīng)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

16、術(shù)等的研究四、硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究前景隨著科技發(fā)展以及環(huán)境壓力的日益增加，新能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例會(huì)越來(lái)越大。在光伏應(yīng)用中，硅基薄膜太陽(yáng)電池有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，比如：硅基薄膜電池可在任何形狀的襯底上制作，可直接做成建筑需要的各種形狀的太陽(yáng)電池，可極大地節(jié)省安裝空間，減少系統(tǒng)成本。特別是柔性襯底的硅基薄膜電池，輕而柔軟，容易安裝，在建筑集成市場(chǎng)中具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力?？梢宰龀赏干洳糠挚梢姽獾墓杌∧ぬ?yáng)電池，稱為Seethrough型電池，這樣的電池可做為小汽車的太陽(yáng)頂及房屋的窗玻璃。可在很薄的不銹鋼和塑料襯底上制備超輕量級(jí)的硅基薄膜太陽(yáng)電池。這種電池具有很高的電功率重量比（300Wkg），對(duì)城市遙感用平流層氣球平臺(tái)和軍用無(wú)人駕駛尋航飛機(jī)的能源系統(tǒng)具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。由于硅基薄膜太陽(yáng)電池的上述優(yōu)點(diǎn)，再如上硅基薄膜電池在降低成本方面的巨大潛力，使其在光伏應(yīng)用中占有不可輕視的地位。五、結(jié)論與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)電池相比較，非晶硅太陽(yáng)電池穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)換效率在光照下會(huì)衰減，但是制造成本低，在光伏建筑上有極大的優(yōu)勢(shì)；多晶硅膜太陽(yáng)電池，