柔性襯底薄膜太陽課件

柔性襯底薄膜太陽能電池周海逢1021416044陳龍軍1021416047M10材料科學(xué)與工程柔性襯底薄膜太陽能電池周海逢1021416044M10材1目錄

一、研究背景及目的 二、硅基薄膜太陽能電池的概述 三、國內(nèi)外研究進(jìn)展 四、目前存在的問題 五、研究結(jié)論

目錄2一、研究背景及目的

能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前困擾人類生活、阻礙社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，這就使得各種新能源的開發(fā)與利用成為近幾十年來研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，人類社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)己經(jīng)成為開發(fā)和利用清潔可再生能源的強(qiáng)大推動(dòng)力。太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛力。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)可以將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能利用的一種重要形式。太陽能電池的基本原理為半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，即在太陽光照射下產(chǎn)生光電壓的現(xiàn)象。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了以pn結(jié)為基本結(jié)構(gòu)的具有實(shí)用價(jià)值的晶體硅太陽電池，此后太陽電池首先在太空技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。由于價(jià)格比較昂貴，直到1980年以后才逐步在地面推廣應(yīng)用。近二十年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏發(fā)電發(fā)展非常迅速，廣泛應(yīng)用于航天、通訊、交通，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)居民的供電等領(lǐng)域，光伏發(fā)電己經(jīng)成為人類未來能源的希望。

一、研究背景及目的

能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前3

2004年發(fā)表的歐盟光伏研發(fā)路線圖指出，到2100年，可再生能源所占比例將在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中擴(kuò)大到86%，太陽能和太陽能發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的地位將發(fā)生巨大變化。雖然不同渠道的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不盡相同，但是21世紀(jì)末太陽能和太陽能發(fā)電將處于優(yōu)勢(shì)地位己經(jīng)得到了大家的共識(shí)。太陽能電池發(fā)展至今，主要可以分三大類:一是以單晶硅和多晶硅硅片為基礎(chǔ)的晶體硅太陽能電池;二是硅基薄膜(非晶、多晶、微晶等)、銅錮硒和蹄化鍋薄膜太陽能電池、染料敏化和其它有機(jī)太陽能電池;三是仍處于研究階段的量子阱、多能帶、熱載流子等新型太陽能電池。目前，晶體硅太陽電池仍占主導(dǎo)地位，市場(chǎng)占有率在90%左右，薄膜太陽電池市場(chǎng)占有率只有10%左右。然而，目前太陽能光伏在整個(gè)社會(huì)能源結(jié)構(gòu)中的所占比例仍然很低，太陽能電池較高的價(jià)格是阻礙其在社會(huì)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)一席之地的主要障礙。2004年發(fā)表的歐盟光伏研發(fā)路線圖指4

目前，除了提高光電轉(zhuǎn)換效率外，降低成本也是太陽能電池提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。晶體硅太陽能電池具有高的轉(zhuǎn)換效率，制作工藝也相當(dāng)成熟，但是在成木方面本身存在很多的限制因素:(1)制作工序中能量消耗大;(2)由于技術(shù)的限制電池的厚度遠(yuǎn)厚于實(shí)際需要的厚度，硅材料浪費(fèi)過多;(3)繼續(xù)降低厚度，切片帶來的損耗會(huì)隨之增加，破損率也會(huì)相應(yīng)增加;(4)大面積電池和組件的組裝都很笨拙;(5)太陽能級(jí)多晶硅的使用一定程度上降低了單晶硅的成本，但是材料仍在總成本中占很大份額。而薄膜太陽能電池在降低太陽能電池成本方面有很大的優(yōu)勢(shì):(1)將厚度控制在柔性襯底薄膜光伏電池相關(guān)材料制備及性能完全吸收太陽光的最小厚度，節(jié)約材料;(2)使用廉價(jià)襯底，如玻璃、塑料、不銹鋼等;(3)采用低溫制造工藝，耗能少;(4)工藝簡(jiǎn)單，材料與器件同步完成;(5)可以制作大面積電池和集成組件等。特別是柔性襯底的使用，可以實(shí)現(xiàn)roll-to-roll卷軸式生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低了成本。目前，除了提高光電轉(zhuǎn)換效率外，降低成5

雖然1980年非晶硅薄膜電池開始商業(yè)化以來，發(fā)展緩慢，在光伏產(chǎn)業(yè)中的市場(chǎng)份額從1987年的41%，一路下滑到2002年的6%，但是近年來隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，薄膜太陽能電池開始回暖，特別是薄膜沉積設(shè)備的發(fā)展大大推進(jìn)了薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。2008年美國應(yīng)用材料(AppliedMaterials,AMAT)、瑞士Oerlikon、日本ULVAC等頂級(jí)的設(shè)備廠商大量推出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，同時(shí)韓國Jusung、美國XsunX等設(shè)備企業(yè)的介入也促使全球范圍大規(guī)模生產(chǎn)非晶硅成為可能，另外一些小尺寸的非晶硅設(shè)備企業(yè)，比如中國國內(nèi)的普樂新能源、上海思博露科技、北京的北儀創(chuàng)新及美國的EPV和NanoPV,香港的華基光電、匈牙利的EnergoSolar、歐洲的STF等相繼推出低成本的5MW生產(chǎn)線也獲得了客戶的青睞，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)及大量資本的進(jìn)入促使2007年和2008年被稱為非晶硅大規(guī)模應(yīng)用的兩年。在薄膜太陽能電池生產(chǎn)方面AMAT,Q-Cells公司、FirstSolar公司、富士電機(jī)公司、Nanosolar公司、三洋公司和Uni-solar公司等都在快速擴(kuò)大規(guī)模，生產(chǎn)能力均在l00MW以上。雖然1980年非晶硅薄膜電池6二、硅基薄膜太陽能電池概述

（一）基本概念

硅基薄膜太陽能電池和晶體硅電池的工作原理相同，但結(jié)構(gòu)略有差異。薄膜太陽能電池除了包含pn結(jié)和上下電極外，需要有襯底作為依托，如圖1.1所示。襯底可以分為兩大類:一類是硬質(zhì)襯底，如玻璃;另一類是柔性襯底，常見的有塑料和金屬箔等，使用這種柔性襯底的電池被稱為柔性薄膜太陽能電池。以最常見的玻璃襯底為例，薄膜太陽能電池的制作順序是:先在襯底上沉積透明電極，然后依次沉積p-i-n型硅薄膜吸收層，最后制備金屬背電極。硅基薄膜太陽能電池常用鋁或銀作為金屬背電極材料，用透明導(dǎo)電氧化薄膜(TCO)作為透明上電極。目前常用的TCO薄膜有氧化錮錫薄膜(ITO)和ZnO:AI薄膜等。其中，ZnO:AI薄膜具有在氫等離子體中穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，使之成為硅基薄膜太陽能電池的首選透明電極。按硅薄膜材料的結(jié)構(gòu)和晶粒大小，主要可以分為三類:非晶硅薄膜、多晶硅薄膜和微晶硅薄膜，下面詳細(xì)介紹這三類薄膜的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用。二、硅基薄膜太陽能電池概述（一）基本概念7圖1.1硅基薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖圖1.1硅基薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖8（二）原理及具體方法1、非晶硅薄膜非晶硅薄膜材料是一種資源豐富和環(huán)境安全的材料。非晶硅薄膜太陽能電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)使之成為一種優(yōu)良的光電薄膜光伏器件:(1)屬于直接帶隙半導(dǎo)體，可見光區(qū)光吸收系數(shù)高，是晶體硅的二倍;(2)非晶硅層的厚度只需要幾個(gè)微米厚，節(jié)約原材料;(3)可以采用玻璃或不銹鋼等材料作為襯底，大幅度降低組件成本;(4)制造工藝簡(jiǎn)單，制造過程能量消耗少;(5)可實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)的生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)集成化;(6)可以做成疊層結(jié)構(gòu)，提高效率柔性襯底薄膜光伏電池相關(guān)材料制備及性能非晶硅薄膜太陽能電池通常作成pin結(jié)構(gòu)，其中i為本征吸收層，這主要是由非晶硅材料的性質(zhì)決定的。非晶硅材料屬于短程有序，長程無序結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子有很強(qiáng)的散射作用，導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散長度很短，使得光生載流子在太陽能電池中只有漂移運(yùn)動(dòng)而無擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。因此，單純的p-n結(jié)中，隧道電流往往占主導(dǎo)地位，使其呈電阻特性，而無整流特性，也就不能制作太陽電池。（二）原理及具體方法9

a-Si:H薄膜最初是采用直流或射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(DCorRF-PECVD)制備，隨著甚高頻(VHF)和微波(microwave)PECVD技術(shù)以及高氫稀釋工藝的出現(xiàn)，低溫下沉積大面積高質(zhì)量的a-Si:H薄膜成為可能，從而大幅度降低了非晶硅薄膜的制造成本。非晶硅薄膜電池進(jìn)一步發(fā)展的另外一個(gè)關(guān)鍵是疊層非晶硅電池的研制成功。90年代后，晶體硅電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格迅速下降，同時(shí)，其轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)高于非晶硅薄膜電池，不斷擠占非晶硅電池的市場(chǎng)份額，以致到90年代末非晶硅電池的市場(chǎng)份額降到了10%以下。到了2002年，世界非晶硅電池產(chǎn)量?jī)H為30MW，所占市場(chǎng)份額減少到6%。近年來非晶硅薄膜電池沉積技術(shù)的進(jìn)步及疊層非晶硅電池的出現(xiàn)使得薄膜電池在國際上的市場(chǎng)份額又回升至10%以上，但是S-W效應(yīng)仍是非晶硅薄膜電池?zé)o法從根本上解決的問題。因此，從本質(zhì)上理解并避免S-W效應(yīng)，提高組件的穩(wěn)定效率和使用壽命，仍是a-Si:H薄膜太陽能電池需要解決的主要問題。a-Si:H薄膜最初是采用直流或射頻等離子體增102、多晶硅薄膜多晶硅薄膜太陽能電池不僅具備非晶硅薄膜電池節(jié)約材料的優(yōu)勢(shì)，又有可能達(dá)到像晶體硅那樣高轉(zhuǎn)換效率和長壽命的性能。世界范圍內(nèi)的很多實(shí)驗(yàn)室對(duì)多晶硅薄膜太陽能電池都進(jìn)行了積極地研究。多晶硅薄膜的制備工藝可分為兩大類:一類是高溫工藝，制備溫度高于6000C;另一類是低溫工藝，整個(gè)加工工藝溫度低于6000C，可用廉價(jià)玻璃作襯底。高溫制備工藝主要有:化學(xué)氣相沉積、區(qū)域熔融再結(jié)晶、固相晶化法、快速熱退火和液相外延法等。Morikawa等人已經(jīng)利用區(qū)域再結(jié)晶法制備了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16%的多晶硅薄膜電池。這些高溫工藝對(duì)襯底要求非常嚴(yán)格，需要避免高溫處理時(shí)襯底雜質(zhì)向薄膜擴(kuò)散，才能獲得高質(zhì)量的多晶硅薄膜，常使用石英作為襯底。液相外延法的最佳襯底是單晶硅片，這同時(shí)也派生出了新的研究方向，如單晶硅片循環(huán)再利用和單晶硅薄膜太陽能電池。低溫工藝方法主要有金屬誘導(dǎo)晶化]、激光晶化和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等。2、多晶硅薄膜11

目前，只有CVD和PECVD方法是直接在襯底上沉積多晶硅薄膜，但是很難得到高質(zhì)量的多晶硅薄膜，而其他方法都是在非晶硅薄膜的基礎(chǔ)上經(jīng)二次處理再結(jié)晶，雖然得到的多晶硅質(zhì)量較好，但是能源消耗大、成本高，還有可能引入其他雜質(zhì)。Weme:總結(jié)了晶粒尺寸和開路電壓(Voc)的關(guān)系，其結(jié)果如圖1.2所示。Voc和載流子壽命(擴(kuò)散長度)有直接的關(guān)系，可以被用來反映電池性能的好壞。為了不使概念混淆，目前認(rèn)為多晶硅薄膜由大晶粒(>_100üm)組成，沒有非晶相，只有晶粒和晶界，而微晶硅薄膜中晶粒較小一般在100nm以下，薄膜中不但含有晶粒和晶界同時(shí)還含有非晶相。下面將詳細(xì)介紹微晶硅薄膜電池的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。目前，只有CVD和PECVD方法是直接在襯底12圖1.2硅材料中晶粒尺寸的大小與太陽電池開路電壓的關(guān)系

S代表在晶界的復(fù)合速率;Ti,BP,ASE和ISE均是研究機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)稱

圖1.2硅材料中晶粒尺寸的大小與太陽電池開路電壓的關(guān)系133、微晶硅薄膜

微晶硅薄膜是含有晶粒、晶界和非晶的混合薄膜，晶粒尺寸一般在100nm以下。由于載流子壽命相對(duì)較短，電池結(jié)構(gòu)也采用pin或nip結(jié)構(gòu)。微晶硅薄膜太陽能電池的沉積工藝和非晶硅薄膜類似，具有同樣的優(yōu)點(diǎn):制造工藝簡(jiǎn)單，制造過程能量消耗少;同樣可以采用玻璃或不銹鋼等廉價(jià)材料作為襯底，可實(shí)現(xiàn)大面積化及連續(xù)化的生產(chǎn)，大幅度降低組件成木。微晶硅薄膜電池既沒有非晶硅的S-W效應(yīng)，又具有晶體硅高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)。因此，微晶硅薄膜是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ墓璞∧げ牧?。微晶硅薄膜屬于間接帶隙半導(dǎo)體，跟非晶硅材料相比，可見光區(qū)吸收系數(shù)較低。因此，陷光結(jié)構(gòu)對(duì)微晶硅薄膜太陽能電池來說，是提高其電池效率的重要手段。另外，微晶硅薄膜的生長是一個(gè)不均勻的過程，在晶核形成之前會(huì)先生長約幾到幾十納米厚的非晶層，即孵化層。非晶孵化層的存在會(huì)嚴(yán)重影響載流子的傳輸，因此，消除孵化層是非常必要的，這需要通過控制沉積工藝或開發(fā)新的沉積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。3、微晶硅薄膜14三、國內(nèi)外研究進(jìn)展

柔性薄膜太陽能電池通常使用的襯底有高聚物和金屬箔，織物做襯底也有報(bào)道，但在研究論文中很少提到。金屬襯底具有好的機(jī)械性能和高的熱穩(wěn)定性(6000℃)，文獻(xiàn)報(bào)道的金屬襯底有奧氏體鋼、鉻鋼、欽、鋁和鋁等。但是它們一般都比較粗糙，并且有害雜質(zhì)很容易通過擴(kuò)散進(jìn)入到電池材料中，嚴(yán)重影響電池性能。高聚物薄膜質(zhì)量輕且薄，具有好的耐輻射能力，因而制作的電池有很高的體積比功率及重量比功率。用作柔性硅基薄膜太陽能電池的襯底需要滿足下列條件.(1)具有柔韌性;(2)3000℃以下穩(wěn)定、或更好的熱穩(wěn)定性;(3)在高溫和真空下放氣量小;(4)有一定的機(jī)械強(qiáng)度;(5)熱膨脹系數(shù)低;(6)和電極有好的粘附性等。

三、國內(nèi)外研究進(jìn)展柔性薄膜太陽15塑料薄膜中可以耐3000℃以上高溫的材料很少，其中，聚酞亞胺薄膜(polyimide,PI)是可以滿足上述條件的理想材料，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一般在350℃以上，其中，聯(lián)苯型聚酞亞胺S型薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)5000℃，線性熱膨脹系數(shù)為20ppm/0℃(KAPTON)。環(huán)狀聚烯烴(cyclicpolyolefin,PO)和多芳基化合物(polyarylate,PA)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也都超過3000C，但它們的線性膨脹系數(shù)較大，約是PI薄膜的3倍，因此，PI薄膜是目前最適合用來做柔性太陽能電池的襯底材料。塑料薄膜中可以耐3000℃以上高溫的材料16

目前大部分光伏組件使用玻璃和合金框架進(jìn)行封裝，不但厚重、成本較高，還限制了太陽能電池在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。使用柔性材料作為襯底為太陽能電池從生產(chǎn)工藝到實(shí)際應(yīng)用帶來一次新的革命。柔性薄膜太陽能電池除了具有普通薄膜電池的優(yōu)點(diǎn)，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)可卷曲，裝載體積小;(2)不易破碎;(3)重量輕、便于運(yùn)輸;(4)可以實(shí)現(xiàn)roll-to-roll的大面積連續(xù)生產(chǎn)工藝，縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)量、降低組件制造成本，從而彌補(bǔ)薄膜太陽能電池前期設(shè)備投入大的缺點(diǎn);(5)容易實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，如屋頂、幕墻、遮陽蓬(特別是彎曲建筑表面)等;(6)應(yīng)用更加廣泛，如汽車頂部、衣物表面、便攜式電源等;(7)裝載體積小和重量比能量高，可以大幅度降低在航天應(yīng)用時(shí)的發(fā)射成本，使薄膜電池在航天市場(chǎng)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前大部分光伏組件使用玻璃和合金框架進(jìn)行封裝，17

1990年Kishi首次提出柔性非晶硅薄膜的概念，并在柔性襯底材料上制備出簡(jiǎn)單的非晶硅薄膜太陽能電池，在此之后柔性薄膜電池逐漸成為各國科學(xué)家關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。1995年日本三洋公司Nishiwaki等人[65]對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酷(PET)、聚蔡二甲酸乙二醇酷(PEN)和PI的熱穩(wěn)定性能和膨脹系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，指出PI是最適合用作柔性非晶硅薄膜電池襯底的材料，并指出在沉積薄膜之前對(duì)PI襯底進(jìn)行預(yù)烘焙可以改善電池的性能。到2001年，日本富士電機(jī)的Ichikawa[66]在PI襯底材料上利用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)制備了40cm×80cm的柔性a-Si:H太陽能電池，其具有9%的光電轉(zhuǎn)換效率，能夠完全取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)a-Si:H太陽能電池。1990年Kishi首次提出柔性非晶硅薄膜18

目前美國和日木均生產(chǎn)柔性襯底太陽電池產(chǎn)品，最有代表性的是美國UnitedSolarsystemCorporation，即Uni-Solar公司。Uni-Solar公司在密西根州底特律有一條5MW生產(chǎn)線進(jìn)行柔性襯底非晶硅太陽電池的前道工序生產(chǎn)，在墨西哥Tijuana組裝廠進(jìn)行電池的后道工序生產(chǎn)，將5MW生產(chǎn)線生產(chǎn)的電池組裝成電池組件。另外，Uni-Solar公司25MW不銹鋼柔性襯底非晶硅太陽電池生產(chǎn)線(地點(diǎn)也在密西根州底特律)，已于2001年底建成。Uni-Solar公司25MW不銹鋼柔性襯底非晶硅太陽電池生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品性能穩(wěn)定，效率為7.5%。

目前美國和日木均生產(chǎn)柔性襯底太陽電池產(chǎn)品，最19

在國內(nèi)，1990年沈陽真空技術(shù)研究所與上海硅酸鹽研究所聯(lián)合研制成功國內(nèi)第一臺(tái)生產(chǎn)柔性襯底非晶硅太陽電池六室半連續(xù)鍍膜機(jī)，并制作了柔性襯底太陽電池。1995年，哈爾濱克羅拉太陽能電力公司研制出透明聚合物柔性襯底太陽電池。2004年天津市從美國引進(jìn)了5MW柔性襯底非晶硅太陽電池生產(chǎn)線，在天津市津能電池科技有限公司建成一條年產(chǎn)5MW柔性襯底非晶硅薄膜太陽電池的示范生產(chǎn)線，但是目前組件的光電轉(zhuǎn)換效率僅為6%左右。隨著薄膜太陽能電池技術(shù)的進(jìn)步，柔性薄膜電池的發(fā)展也非常迅速，除了非晶硅薄膜外，微晶硅薄膜也是很適合做柔性太陽能電池的材料。將非晶硅和微晶硅優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成的柔性疊層太陽能電池是更有前途的發(fā)展方向。在國內(nèi)，1990年沈陽真空技術(shù)研究所與上海硅酸20四、目前存在的問題

微晶硅薄膜縱向均勻性不好、光吸收系數(shù)低、AI電極和Si薄膜界面存在互擴(kuò)散等問題是目前影響微晶硅太陽能電池性能的主要因素。因此，要改善柔性微晶薄膜太陽能電池的性能需要從改善微晶硅薄膜材料均勻性、薄膜電池陷光結(jié)構(gòu)、增加阻擋層及優(yōu)化透明導(dǎo)電電極等方面入手。四、目前存在的問題微晶硅薄膜縱向均勻211、微晶硅薄膜均勻性研究微晶硅薄膜的生長是一個(gè)不均勻的過程，在晶核形成之前，先以非晶形式生長，非晶層厚度一般在10-100nm，這層在形核前生長的非晶層被稱為孵化層。在薄膜太陽能電池中，載流子是縱向傳輸?shù)?，非晶孵化層的存在不利于載流子的順利傳輸，從而影響電池的性能。Donker等人認(rèn)為硅烷氣體在反應(yīng)初始的暫態(tài)耗盡是導(dǎo)致孵化層形成的原因，提出可以通過控制硅烷氣體通入的時(shí)間避免孵化層的形成，改善微晶硅薄膜的質(zhì)量。侯國付等人利用在線等離子體發(fā)射光譜對(duì)沉積過程檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在開始沉積階段暫時(shí)的高SiH*/Hɑ。比值是造成非晶層形成的主要原因，提出增加氫氣和硅烷的比例，來降低孵化層的厚度。也有研究者采用高工作氣壓(從20Pa增加到40Pa)或layer-by-layer生長技術(shù)來避免孵化層的出現(xiàn)。這些辦法雖然能避免或降低孵化層厚度，但是同時(shí)也會(huì)引起薄膜沉積速率下降或?qū)е卤∧ぶ械奈⒖兹毕菰黾?，薄膜密度降低，使薄膜更容易被氧化。微晶硅薄膜的兩步法生長(也叫籽晶層法)可以在不影響薄膜質(zhì)量的前提下有效避免或降低孵化層厚度。具體過程為:通過高濃度氫氣稀釋或高工作氣壓先生長約十幾納米厚的晶化率較高的籽晶層，然后按常規(guī)工藝參數(shù)繼續(xù)生長薄膜。1、微晶硅薄膜均勻性研究222、陷光結(jié)構(gòu)—絨面背電極Vetterl等人用光熱偏振光譜法測(cè)量了微晶硅與非晶硅、單晶硅的吸收系數(shù)，如圖1.3所示。對(duì)于能量高于1.7eV光的吸收，微晶硅略高于單晶硅，但略小于非晶硅，即微晶硅材料在可見光區(qū)的吸收系數(shù)小于非晶硅。對(duì)于能量小于1.7eV的光的吸收，微晶硅和單晶硅的吸收系數(shù)相近，明顯大于非晶硅的吸收系數(shù)。這說明微晶硅薄膜可以吸收波長大于700mn的光，但是其吸收系數(shù)較小，僅有102-103cm-1，只有微晶硅薄膜的厚度達(dá)到幾十微米厚時(shí)才能對(duì)光進(jìn)行有效地吸收。然而，研究表明隨著微晶硅薄膜厚度的增加，電池的開路電壓會(huì)隨之降低，導(dǎo)致電池性能下降，因此微晶硅薄膜電池的厚度一般控制在1um左右。為了增加薄膜電池的光吸收效率，目前薄膜電池采用陷光結(jié)構(gòu)來增加光在電池中的傳播長度。陷光結(jié)構(gòu)可以提高微晶硅薄膜電池的光生電流，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2、陷光結(jié)構(gòu)—絨面背電極23圖1.3單晶硅、非晶硅和微晶硅的吸收系數(shù)對(duì)比(光熱偏振光譜法測(cè)量)圖1.3單晶硅、非晶硅和微晶硅的吸收系數(shù)對(duì)比(光熱偏振光譜法24

薄膜電池的陷光結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，根據(jù)電池不同的沉積順序，陷光結(jié)構(gòu)的制作工藝也不同。當(dāng)以玻璃為襯底時(shí)，如圖1.4(a)所示，先在玻璃上沉積透明電極再依次沉積硅材料。這利，電池的陷光結(jié)構(gòu)主要通過在透明電極ZnO:AI表面制絨來達(dá)到陷光的效果。到目前為止，ZnO:AI的表面織構(gòu)(也叫絨面)腐蝕己經(jīng)研究的比較多，并且得到了很好的效果。主要分為濕法和干法兩種:濕法即是化學(xué)腐蝕，就是通過不同濃度的酸或堿溶液浸泡的方法得到織構(gòu)表面[si,s2];干法是通過離子束刻蝕或反應(yīng)濺射的方法處理得到織構(gòu)表面的方法，這種方法的的好處是速度快、可以在薄膜電池沉積設(shè)備上完成。由此可見，干法腐蝕更有利于薄膜電池制備工藝的簡(jiǎn)化和成本的降低。薄膜電池的陷光結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，根25

圖1.4陷光微晶硅薄膜太陽能電池截面示意圖圖1.4陷光微晶硅薄膜太陽能電池截面示意圖26

通常情況下，可以在高的襯底溫度(4000℃)下沉積得到高漫反射率的絨面金屬背電極，但是聚合物柔性襯底限制了高襯底溫度的使用。AkihiroTakan。等人通過選擇反應(yīng)濺射的方法在室溫下成功制得了絨面Ag電極。A1材料價(jià)格便宜、導(dǎo)電性好，是硅基太陽能電池常用的電極材料。但在使用該方法制備A1電極時(shí)，Al電極會(huì)被氧氣氧化，無法得到絨面的A1電極。因此，開發(fā)簡(jiǎn)單有效的制備具有織構(gòu)表面的A1電極的方法是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。根據(jù)薄膜生長規(guī)律，增加薄膜表面粗糙度可以通過在薄膜表面形成大島的方式來實(shí)現(xiàn)，也就是增加團(tuán)聚性的結(jié)果。薄膜表面的高聚集來源于:(1)高的沉積溫度;(2)氣相原子的高的動(dòng)能或高沉積速率;(3)氣相入射的角度增加。因此完全可以通過控制工藝參數(shù)來得到表面粗糙度較大即表面織構(gòu)的薄膜。通常情況下，可以在高的襯底溫度(4000℃)下沉積273、阻擋層的研究現(xiàn)狀及存在問題Al電極和Si層的互擴(kuò)散是影響薄膜太陽能電池性能重要因素：一方面，Al/Si互擴(kuò)散會(huì)在界面處形成大量的空位型結(jié)構(gòu)缺陷使電極與摻雜層的接觸情況變差;另一方面，Si原子從n層流失、Al作為受主型雜質(zhì)摻入n層，都會(huì)導(dǎo)致n-Si層變薄，使電池性能衰變。因此，選擇合適的阻擋層來改善硅基薄膜太陽能電池的性能顯得尤為必要。近年來，雙層阻擋層的報(bào)道也很多，不但有好的阻擋效果和熱穩(wěn)定性，還能改善薄膜之間的附著力。但是過于復(fù)雜的阻擋層，將會(huì)增加器件制作工藝的復(fù)雜性、增加生產(chǎn)成本，不符合目前硅基薄膜太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)。目前硅基薄膜太陽能電池中常用厚度50-100nn的Zn0薄膜來阻擋Al/Si互擴(kuò)散.Saunderson等人用高分子聚合物做襯底，按照metal/n/i幣/TCO順序制備非晶硅電池，發(fā)現(xiàn)電池不顯示二極管特性，光伏轉(zhuǎn)換很弱。而在金屬電極和n型非晶硅薄膜中間加入80nm的Zn0后電池顯示明顯的二極管特性，開路電壓、短路電流及填充因子明顯改善。通過二次離子質(zhì)譜和掃描X光電子能譜深度分析證實(shí)Zn0層可以有效阻止A1和a-Si:H的互擴(kuò)散。但是Zn0本身是一種脆性材料，沒有延展性，并在制備過程中會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，很難適應(yīng)大面積柔性薄膜太陽能電池的要求。

3、阻擋層的研究現(xiàn)狀及存在問題284、透明氧化鋅鋁薄膜的研究ZnO:Al氧化鋅鋁薄膜具有禁帶寬度大、導(dǎo)電性好、可見光區(qū)透過率高、廉價(jià)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，特別是在氫等離子體環(huán)境中高的穩(wěn)定性使之目前被廣泛用到太陽能電池、平板顯示器及其它光電器件中。ZnO:Al優(yōu)異的性能引起了廣大研究者的興趣，對(duì)ZnO:Al薄膜的制備方法，工藝條件對(duì)性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。主要的制備方法有:磁控濺射法、金屬有機(jī)柔性襯底薄膜光伏電池相關(guān)材料制備及性能化學(xué)氣相沉積法溶膠一凝膠法、脈沖激光沉積、高溫?zé)峤鈬娡糠ǖ取Ｆ渲?，磁控濺射法是使用較多的一種方法，影響薄膜的主要參數(shù)有濺射功率、工作氣壓、氧分壓、鋁摻雜量、襯底溫度等。但目前的研究論文中，很少有針對(duì)ZnO:Al結(jié)構(gòu)的深入研究，對(duì)其結(jié)構(gòu)變化的原因只是給出可能的解釋。

4、透明氧化鋅鋁薄膜的研究29五、研究結(jié)論1.絨面鋁電極的制備及機(jī)理研究

利用射頻磁控濺射技術(shù)，室溫條件下通過控制工藝參數(shù)，在PI柔性襯底上制備了具有表面織構(gòu)的鋁電極。高功率(300-450W)下制備的薄膜沉積速率高、電阻率較低同時(shí)具有較高的漫反射率，薄膜的平均漫反射率高達(dá)70%。隨著工作