非晶硅薄膜在太阳能电池领域的应用

非晶硅薄膜在光伏领域的应用

一、PN结的形成与光伏效应

金刚石结构的硅晶体中，每个硅原子都以它的四个价电子与相邻的四个硅原子构成共价键，共价键中的电子受到原子核的束缚力较小，但是在没有足够的光热条件时，电子仍然无法自由移动，只在晶体中的特定能级上参与公有化运动，对晶体的电学性质几乎没有贡献。在当我们把四价的硅中掺杂入只有三个价电子的B杂质，晶体中就会有一些共价键缺少电子而形成空穴（如下图左图），这种半导体中空穴的数量远远多于未掺杂时原有的电子和空穴的数量，空穴占多数，我们称之为P型半导体。同理，在纯净的硅中掺入有5个价电子的磷元素，这样必然有一个电子多余出来而不能成键，这样就会在晶体中出现很多被排斥在共价键之外的电子，这些新出现的电子数量远超过未掺入杂质时的电子和空穴的数量，电子占多数，我们称之N型半导体。

我们将掺3价杂质而富含空穴的P型半导体和掺5价杂质而富

含自由电子的N型半导体拼接到一起，N型半导体中的自由电子就会因为其所在能级高且浓度大，而很容易扩散到P型半导体中，在两者的表面处，P区带负电，N区相对带正电，于是形成一个内电场，内电场一方面阻止N型中的电子继续扩散到P区，另一方面，协助P区的电子向N区漂移。当扩散运动和漂移达到稳定之后就形成了PN结（如下图右图）。

此时，如果对PN结施加光照，P型和N型半导体中的电子将从共价键中激发，以致产生更多的空穴电子对，由于内电场的作用，P区的空穴和N区的电子都被阻挡无法闯过PN结，只有P区的电子和N区的空穴在扩散到PN结区的时候能够通过内电场漂移过结。这样，PN结中的光生电子空穴对就被分离，这导致N区附近有电子积累，P区附近有空穴积累，加上电极连接外电路，于是产生一个向外可测试的电压。这就是光生伏特效应，简称光伏效应。在光照界面产生的电子空穴对越多，外电路电流越大，界面吸收的光能越多，电流也越大。

二、非晶硅的光伏应用

目前光伏市场上，制作太阳能电池使用的最多的材料就是硅，其中主要分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池，前两种，由于所用材料是间接带隙半导体——吸收太阳能时需要一定的厚度，PN结比较厚（一般大于200微米），所以其硅原料消耗较多，成本相应较高，电池板的价格居高不下，其所造成的硅浪费也比较大，而硅是十分多用途的重要半导体。非晶硅为直接带隙半导体，光辐射吸收范围广，所需厚度薄，故此非晶硅薄膜太阳能电池可以做得很薄，光吸收薄膜总厚度大约1微米，非晶硅以其原料消耗少，低成本以及较好的性能而得到市场的青睐。

三、非晶硅太阳能电池的制作

虽然同为硅单质，但非晶硅半导体材料(a-Si )最基本的特征是组成原子的排列为长程无序，短程有序, 原子之间的键合类似晶体硅,形成的是一种共价无规网络结构,它含有一定量的结构缺陷悬挂键断键等, 因此载流子迁移率低，扩散长度小，寿命短,，所以非晶硅材料不适合直接做成半导体器件。尤其是没有掺杂的非晶硅薄

膜由于结构缺陷,导致光生载流子由于受到声子或杂质的散射以及缺陷的阻碍，其迁移受阻，无法高效的被P区和N区收集起来，也就无法产生较高的光生电压。所以, 必须对其进行氢掺杂，饱和它的部分悬挂键, 降低其缺陷态密度, 以增加载流子迁移率, 提高载流子扩散长度, 延长载流子寿命, 才可能将其应用于光伏产业之中。同时，非晶硅结构的长程无序破坏了晶体硅光电子的跃迁，使其从间接带隙材料变成直接带隙材料，对光子吸收系数很高，对敏感谱域的的光吸收殆尽。

四、非晶硅薄膜的PIN结结构

由于非晶硅结构的无规则网络结构, 所以对载流子有极强的散射作用, 导致载流子不能被有效地收集。为了提高非晶硅太阳电池转换效率和稳定性, 一般不采取单晶硅太阳电池的PN结结构。这是因为轻掺杂的非晶硅费米能级移动较小, 如果两边都采取轻掺杂, 或一边是轻掺杂另一边用重掺杂材料, 则能带弯曲较小, 电池开路电压受到限制; 如果直接用重掺杂的P+ 和n+ 材料形成P+-N+ 结, 那么, 由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高, 少子寿命低, 电池性能会很差。因此, 通常使用PIN结结构，即在两个重掺杂层中积一层未掺杂非晶硅层(i层)作为有源集电区，I区是光敏区光电导/暗电导=105 ~106，I层用来吸收太阳光能量，P层和N层用来形成内建电场以收集电荷，同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。当入射光照在电池表面，I层会吸收光子的能量并产生空穴电子对。在PN结的内建电场作用下，空穴向P层移

动，电子向N层移动。在不断有阳光入射并存在外接负载时，会产生持续稳定的电流。因此PIN结结构有利于非晶硅提高光电转换效率。

五、材料的缺点及其解决——光致衰退效应

利用氢掺杂的非晶硅薄膜制作的太阳能电池薄膜存在一个致命的缺点——光致衰退效应。氢化非晶硅薄膜经较长时间的强光照射或电流通过时, 由于Si -H 键很弱（键能323）, H 很容易失去, 形成大量的Si 悬挂键, 从而使薄膜的电学性能下降, 而且这种失H 行为还是一种链式反应, 失去H 的悬挂键又吸引相邻键上的H原子, 使其周围的Si -H 键松动, 致使相邻的H 原子结合为H 2,（H-H 键键能436）便于形成H2的气泡。其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，这样将大大影响太阳能电池的性能。同时，由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。

作为解决方案可以将电池中i层的厚度减薄，同时为了避免厚度减薄带来的对入射光吸收的减弱，可以用多个电池串联的方式，形成多级太阳能电池组以保证足够的光吸收。

叠层太阳能电池是在制备的p-i-n单结太阳能电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池。

如上图中所示，在一个PIN结上又层叠了另外一个PIN结。叠层型非晶硅太阳能电池的工作原理：由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。若太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电