非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向

第33卷增刊2012年12月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol．33SupplDec.，2012收稿日期：2012-07-24基金项目：国家高技术研究发展（863）计划（2011AA050518）；国家重点基础研究发展（973）计划（2012CB934302）；上海市科委项目（11DZ2290303）通讯作者：李海华（1974—），女，博士、副教授，主要从事微纳电子学与器件制造方面的研究。

lihaihua@sjtu．edu．cn文章编号：0254-0096（2012）增刊-0001-06非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向李海华，王庆康（上海交通大学微纳科学技术研究院，“薄膜与微细技术”教育部重点实验室、“微米纳米加工技术”国家级重点实验室，上海200240）摘要：介绍了非晶硅薄膜太阳电池的最新研究进展，微纳光学结构和金属表面等离子体特性引入到非晶硅薄膜太阳电池可大大降低薄膜厚度和提高光电转换效率。

叠层串联的非晶硅太阳电池及非晶硅和多晶硅、单晶硅组成的异质结结构可增加宽带太阳光谱吸收范围，提高光电转换效率，是非晶硅薄膜电池的发展方向。

关键词：非晶硅；太阳电池；叠层；微纳结构；异质结中图分类号：TM615文献标识码：A0引言太阳能是可再生能源领域中最具发展前景的资源。

作为太阳能利用的重要组成部分，光伏发电是一种清洁的、用之不竭的可再生绿色新能源。

利用太阳电池可以无任何材料损耗地将太阳能转换为人类可利用能量的最高级形式———电能。

太阳电池的应用可解决人类社会发展的能源需求方面的3个问题：开发宇宙空间时，利用太阳能提供持续可用地即时转化电能；解决目前地面能源面临的矿物燃料资源减少与环境污染的问题；日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题等。

特别是太阳电池在发电过程中不会给人们带来任何噪声、辐射和污染，与其他形式的可再生能源（如风力发电）相比，由于不存在任何可动的部分，所以系统稳定性高，维护成本相对较低；在使用中不释放包括CO 2在内的任何气体，这些对满足能源需求、保护生态环境、防止地球温室效应具有重大意义。

制作太阳电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，根据所用材料的不同，太阳电池可分为：1）硅太阳电池；2）以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3）功能高分子材料制备的太阳电池；4）纳米晶太阳电池等。

不论以何种材料来制作电池，对太阳电池材料的一般要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。

基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳电池材料，这也是太阳电池以硅材料为主的主要原因。

目前，硅基薄膜太阳电池因其成本低、质量轻、转换效率较高、便于大规模生产，而具有较大的优势，从而成为国际上研究最多，发展最快的薄膜电池，也是目前唯一实现大规模生产的薄膜电池。

本文简要地综述了非晶硅太阳电池的国内外现状和最新研究进展，并讨论了非晶硅太阳电池的发展及趋势。

1国内外产业现状非晶硅（a-Si ）薄膜太阳电池虽然早已出现［1］，但由于光电转换效率低、衰减率（光致衰退率）较高等问题，一直制约其发展。

随着其技术的不断进步，光电转换效率得到迅速提高［2］。

传统的晶硅太阳电池利用纯硅锭切割而成的硅片将光转换为电流。

因为晶硅价高且晶片脆，因此太阳电池模块的加工生产过程需要特殊处理。

且该种电池需要封装和其他组件，使得晶硅模块价格昂贵，但其工作寿命达20 25a ，能效为14% 23%。

非晶硅薄膜太阳电池为第二代产品，有望实现更低的成本，大多采用连续性卷对卷生产工艺［3］，而晶硅电池采用分批生产工艺。

虽然仍与晶体硅电池相比存在差距，但其用料少、工艺简单、能耗低，成本有一定优势；尤其因为其沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔太阳能学报33卷性塑料片上沉积薄膜，适用于卷对卷工艺，易于大面积化生产，与晶态硅相比，薄膜模块具有更薄、价格更低且脆性较低的特点，越来越被业界所接受，近年来非晶硅薄膜太阳电池产业发展迅猛［4］。

世界上生产非晶硅电池的公司多采用柔性衬底，如：美国的联合太阳能公司（United Solar）、Applied Materials公司（加州）、Spire公司（马萨诸塞州），欧洲的VHF-technologies公司，日本的Sharp公司、Sanyo公司以及瑞士Oerlikon Solar公司等从事非晶硅薄膜电池模块的生产业务。

美国United Solar Systems公司，2003年建立了一条同时沉积6卷不锈钢卷带三结叠层非晶硅电池生产线，2011年产超过300MW，初始效率和稳定效率分别达14.6%和12.6%。

2008年10月，Energy Conversion Devices公司宣布与CertainTeed公司共同开发住宅房屋和挡板材料用的柔性薄膜电池模块。

Energy Conversion还宣布将扩大新型柔性电池模块的生产，从年产70MW提高到2010年的420MW，2011年达到720MW，2012年为1GW。

Power Film公司（前身为Lowa Thin Film Technologies）由3M公司（位于美国爱荷华州Ames）的科技人员创办，它采用在柔性聚酰亚胺衬底上沉积非晶硅的方法生产塑料基太阳电池［5］。

欧盟则联合其成员国的多个研究机构组织包括Neuchatel大学、VHF-technologies 公司、Roth＆Rau公司等开展聚酯膜衬底柔性电池的联合攻关，目前已实现小批量的生产线。

在日本，Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司等从事柔性衬底非晶硅太阳电池的研制，已建成多条兆瓦量级的聚酯膜柔性电池生产线。

其中，Sharp公司将非晶硅和微晶硅组合在一起，获得了更高的能效，在聚酯膜上制备的非晶硅太阳电池目前已能生产面积为286cm2的组件，效率达8.1%，小面积电池的效率已达11.1%。

Fuji公司a-Si/a-SiGe叠层电池稳定效率达到9%。

薄膜太阳电池为第二代产品，有望实现更低的成本，有极大的市场潜力。

我国的柔性衬底薄膜电池的研究进展较慢。

哈尔滨Chrona公司在20世纪90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池，电池初始效率为4.63%，功率质量比为231.5W/kg，但此后进展不大。

近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展，他们在0.115cm2的聚酰亚胺衬底上获得单结薄膜电池的初始效率为4.84%，功率质量比为341W/kg。

目前天津津能电池有限公司在建6MW非晶硅柔性电池生产线，新疆天富光伏光显有限公司在建1MW非晶硅柔性电池生产线。

也有其他生产非晶硅薄膜太阳电池的公司正在投产和筹划中，这些公司基本上都是设备和技术由国外进口，预计电池成本偏高。

总的来说，国内目前具备了非晶硅薄膜电池研制的技术基础，但与国外相比差距较大。

这是因为非晶硅薄膜太阳电池的厂家用高昂的费用，购买国外的薄膜电池的设备及其现成的生产工艺，以“交钥匙工程”方式进行生产，自主研发和创新等方面工作，很少开展。

2研究进展目前商业化的单晶硅（c-Si）和多晶硅（Poly-Si）薄膜太阳电池厚度为180 300μm，对于薄膜非晶硅电池，非晶硅材料与晶硅材料完全不同，由于其带隙较宽（1.7eV），在可见光范围（波长400 750nm），比多晶硅材料的吸收高得多。

但由于其光致衰退问题，限制了电池效率的提高，使其稳定效率进一步降低。

近年来对于非晶硅（a-Si）的制备，主要从两个技术领域入手，即降低杂质浓度和控制表面反应。

采用PECVD方法，具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点。

国内外许多学者和研究机构，对非晶硅薄膜太阳电池的制备工艺、制备方法等方面进行了深入研究，在提高其光电转换效率和降低光致衰退方面取得了很大进展。

如采用“连续分离反应室法”的制备工艺，使p-、i-和n-型a-Si膜层在不暴露于空气的不同反应室中淀积，在分离的超高真空反应室中反应，可使浓度降低1 2个数量级，大大改善了薄膜质量［6，7］。

在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、μc-SiC p层等，明显改善了电池的短波光谱响应。

这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的。

而a-SiC和μc-SiC材料比p 型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达i层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性［8，9］。

通过掺杂改性ZnO电极层的导电能力，提高短路电流Isc［10］。

在增加长波响应方面，采用了绒2增刊李海华等：非晶硅薄膜太阳电池的研究进展及发展方向面TCO膜、绒面多层背反射电极（ZnO/Ag/Al）和多带隙叠层结构。

绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增加了光在i层的传播路程，从而增加了光在i层的吸收［11］。

作为太阳能材料尽管非晶硅是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳电池的转换效率。

此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。

解决这些问题的途径就是制备叠层太阳电池，叠层太阳电池是由在制备的p、i、n层单结太阳电池上再沉积一个或多个p-i-n子电池制得的。

在多带隙结构中，i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。

Chang Ping-Kuan等［12］用PECVD制备了a-Si：H/a-Si：H串联电池，电池的结构为：玻璃/织构SnO2/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-c-Si：H/p-c-Si：H/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-c-Si：H/Ga掺杂ZnO/Ag。

该电池在提高叠层电池效率方面，还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集，电池的内量子转换效率（initial conversion efficiency）为10.29%，光致衰退约为17%。

美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳电池最高转换效率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13%。

上述最高转换效率是在小面积（0.25cm2）电池上取得的。

如图1所示。

从图中可看出，叠层非晶硅太阳电池厚度约为1μm，是多晶硅太阳电池厚度的1/300，采用低温气相沉积工艺，低至75ħ，可沉积在玻璃、金属箔片甚至塑料基底上。

该电池（Uni-Solar）的优点之一，就是它把不同禁带宽度的材料组合在一起，可捕获全太阳能光谱的光，提高了光谱的响应范围［13］。