薄膜太阳能电池

3长江学者和创新团队发展计划资助项目(IR T0547)　徐慢:男,1964年生,博士研究生　E 2mail :opluse @薄膜太阳能电池3徐　慢,夏冬林,杨　晟,赵修建(武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室,武汉430070) 摘要 薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正在得到迅速的发展和进步,主要介绍了非晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池以及CIGS 薄膜太阳能电池,通过比较这几种薄膜太阳能电池各自的特点阐述了各种薄膜太阳能电池的发展状况。

关键词 光电功能薄膜　薄膜　太阳能电池　Thin Film Solar CellsXU Man ,XIA Donglin ,YAN G Sheng ,ZHAO Xiujian(Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070)Abstract Thin film solar cells are under study by many research group s.This paper makes an introduction ofthe application of photoelectric f unctional thin films in solar cells ,mainly in the application of a 2Si ∶H ,poly 2Si ∶H and CIGS thin film solar cells and also includes the introduction of their development and preparation techniques.K ey w ords photoelectric f unction thin films ,thin film ,solar cells 0　前言随着社会的进步与发展,如今光电技术已经成为热门的学科,同时它与各种学科之间的互相交叉也大大促进了各种新的光电子材料的发展。

例如,薄膜技术与光电子学领域的互相渗透使得光电子薄膜技术不断迅速发展,涌现了各种新型的光电薄膜器件,并且这些光电薄膜器件正在以较快的速度不断发展和进步。

对光电薄膜材料的研究和开发工作是非常活跃的,所涉及的光电薄膜材料也很丰富,这些材料主要包括:G e 和Si 单晶以及以它们为基的掺杂体;化合物半导体有:CdS 、CdSe 、Cd Te 、ZnSe 、HgSe 、Hg Te 、PbS 、PbSe 、InP 、InAs 、InSb 、G aAs 、G aSb 等[1]。

在光(包括不可见光)的照射下,物体发射电子的现象即使物质发生某些电性质的变化,就称为光电效应。

光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。

光电材料中光伏材料一直是研究的热点,利用光伏效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转化元件,还可以制造光电池———薄膜太阳能电池。

随着世界能源的紧缺,薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜,可以有效地解决能源短缺问题,而且它无污染,易于大面积推广。

1　薄膜太阳能电池目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。

化合物半导体薄膜型又分为非结晶型(如a 2Si ∶H )、ⅢV 2族(如CaAs )、Ⅱ2Ⅵ族(CdS 系)和磷化锌(Zn 3P 2)等[2,3]。

以硅为主的太阳能电池从1954年第一块单晶硅太阳电池开始,已经获得了极大的发展和演化。

第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。

为降低成本,非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展,它制备工艺相对简单,易实现自动化生产,已在1980年开始实现产业化生产[4],但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S 2W 效应),因而阻碍了它的进一步发展。

多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点,且无光致衰减效应,因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。

另外,CIGS 薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一,其光电转化效率高,性能稳定而且不会发生光致衰减效应。

本文将着重介绍非晶硅(a 2Si )、多晶硅(Poly 2Si )、铜铟镓硒(CIGS )这几种薄膜太阳能电池。

1.1　a 2Si ∶H 薄膜相对于单晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。

非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。

(1)非晶硅的光吸收系数大,因而作为太阳能电池时,薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时,要小得多;(2)相对于单晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单,制造过程能量消耗少;(3)可实现大面积化及连续的生产;(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底,因而容易降低成本;(5)可以做成叠层结构,提高效率。

自1976年美国的Carlson 和Wronski 制备出第一个非晶硅太阳能电池以来,非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。

非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高,成为一些发达国家能源计划的重点。

在薄膜太阳电池中,非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件,且价格便宜,市场占有率逐年增加。

它能应用在如计算器、手表等弱光电池市场,也能应用在微波中继站、光伏水泵等・901・薄膜太阳能电池/徐　慢等电源及功率领域。

非晶硅薄膜主要由气相沉积法制备,目前,普遍采用的是等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。

在PECVD法沉积非晶硅薄膜的方法中,一般原料气采用Si H4和H2,制备非晶硅薄膜叠层电池时则采用Si H4和G e H4,在沉积过程中,加入B2H5或P H3可实现掺杂。

Si H4和G e H4在低温等离子体的作用下分解产生a2Si或a2Si G e薄膜。

目前a2Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2%,但单结非晶硅薄膜太阳能电池不能完全利用太阳能,只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能,因此采用分波段利用太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势,它能使太阳光谱中波长最短的光被最外边的窄隙材料电池利用,同时波长较长的光能够投射进电池中被较窄能隙材料电池利用,最大限度地将光能转化为电能。

因此使用不同禁带宽度的i层来做成多结的PIN结构如两结或三结电池,可以更有效地吸收太阳能光谱以提高电池效率。

常规的叠层电池结构主要为a2Si/a2 Si Ge、a2Si/a2Si/a2Si G e、a2Si/a2Si Ge/a2Si Ge、a2SiC/a2Si/a2Si Ge 等。

如Sanyo公司a2Si/a2Si G e(1200cm2)并联组件的稳定效率达到9.5%[5]。

目前报导过单结电池的最高稳定效率>8%[6],双结电池> 9.5%,三结电池>10%。

但实际上大多数销售的太阳能电池效率都往往低于这些数据,比如市场上销售的单结电池效率只有4%～5%。

目前非晶硅太阳能电池占市场上销售量的5%,但市场分量在不断增长。

非晶硅太阳能电池主要的制造商包括BP Solarex,Sanyo,Intersolar,Kaneka,Fuji Electric,ASE Gmb H 及United Solar Systems Corporation(USSC)。

Sanyo公司研制出一种新型的HIT电池,在这种电池结构中,非晶硅沉积在绒面单晶硅片的两面上,100mm×100mm大小的该电池效率可达21%,800mm×1200mm大小的该电池效率可达18.4%[6],尽管该结构的电池效率得到大幅度的提高,但成本仍然较高。

但同时非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。

(1)由于Staebler2Wronski效应的存在[5],使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减,从而导致整个电池效率的降低;(2)沉积速率低,影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产;(3)后续加工困难,如Ag电极的处理问题;(4)在薄膜沉积过程中存在大量的杂质,如O2、N2、C等,影响薄膜的质量和电池的稳定性。

非晶硅薄膜太阳能电池的下一步研究主要有以下几个方向:其一是采用优质的底电池i层材料;其二朝叠层结构电池发展;第三是在保证效率的条件下,开发生产叠层型非晶硅太阳电池模块技术;最后使用便宜封装材料以降低成本。

1.2　Poly2Si薄膜由于非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应(S2W效应)导致了非晶硅薄膜太阳能电池效率的衰减,因而多晶硅薄膜作为一种性能相对更好的材料应用于太阳能电池。

多晶硅(poly2 Si)薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。

它在长波段具有高光敏性,对可见光能有效吸收,且具有与晶体硅一样的光照稳定性,因此被公认为高效、低耗的最理想的光伏器件材料。

近些年来,多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。

因为多晶Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和多晶Si体电池的高转换效率和长寿命等优点,同时材料制备工艺相对简单。

多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本得到更大程度的降低,从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争[6]。

现在一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为12%～14%,其产量占硅太阳能电池的50%左右,是太阳能电池的主要产品之一。

澳大利亚新南威尔士大学,采用热交换法生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池,转换效率达到18.2%[3],后来,通过对工艺的改进,使其电池转换效率达到19.8%(1cm2),日本京工陶瓷公司研制的15cm×15cm的多晶硅太阳能电池转换效率也达到了17%。

多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。

它要求多晶硅薄膜的厚度在5～150μm,且薄膜的宽度至少是厚度的1倍,同时要求衬底具有机械支撑能力,要有良好的背电极,还需要对背表面进行钝化。

现在研究较多的是在低温下(<600℃)如何制备多晶硅薄膜,这样就可以使得多晶硅薄膜沉积在如玻璃等廉价衬底上成为现实。

按成膜过程可将制备方法分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为多晶硅;另一类是直接在衬底上沉积多晶硅薄膜。

第一类也被称为固相晶化法,它可以利用硅烷等原料气体,在PECVD设备中沉积a2Si薄膜,再通过热处理将a2 Si薄膜转化为多晶硅薄膜。