薄膜硅太阳能电池陷光结构

薄膜硅太阳能电池的研究状况摘要：薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。

本文主要总结了提高薄膜硅太阳能电池效率的主要技术与进展，如TCO技术、窗口层技术、叠层电池技术和中间层技术等，这些技术用在产业化中将会进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。

一引言在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。

光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。

当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。

薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。

但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。

为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本。

本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电池的研究现状。

二、提高薄膜硅太阳能电池效率的措施提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；提高电池的开压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（?c-Si）的开压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。

我们将从这几个方面介绍提高薄膜硅电池效率的方法。

（一）提高薄膜硅太阳能电池对光的吸收对于单结薄膜硅太阳能电池，提高其对光的吸收将提高电池的电流密度，对电池效率将产生直接的影响。

Berginski等人通过实验结合模拟给出了提高电池对光的吸收途径，如图1所示：可以看出薄膜硅电池的前电极对光的吸收、折射率的错误匹配、窗口层对光的吸收、背反电极吸收损失以及玻璃反射都会减少电池对光的吸收，因此提高电池的光吸收可从这几个方面着手。

图1 在织构ZnO表面沉积单结微晶硅薄膜太阳能电池（本征层厚度为1微米）的QE、吸收1-Rcell以及影响电池吸收的因素1．前透明导电氧化物薄膜（TCO）的研究当前采用具有一定绒度的TCO薄膜是提高薄膜硅太阳能电池效率的有效途径，这是因为入射光线在TCO绒面或背反射电极处被散射，由于散射光在薄膜中具有更长的光程，因此被吸收的几率更大。

目前大规模商业化的TCO是使用常压化学气相沉积掺氟的SnO2（FTO）。

Oerlikon公司采用低压化学气相沉积（LPCVD）掺硼的ZnO，由于制备的TCO表面具有一定的绒度，可直接用在电池上。

Meier 等人通过优化LPCVD沉积工艺参数获得的ZnO:B整体性能优于FTO ，在此基础上获得单结非晶硅薄膜太阳能电池的稳定效率达到9.1%。

但是目前国际上研究的热点是利用磁控溅射技术沉积掺Al的ZnO（AZO），由于AZO 薄膜的主体Zn、A1在自然界中的储量丰富，生产成本低，具有价格优势；而且AZO具有FTO薄膜无法相比的优越性：无毒、氢等离子中的稳定性高、制备技术简单、易于实现掺杂等；最重要的是AZO在光、电特性方面可满足当今商用FTO薄膜的一切指标。

使用溅射技术沉积的AZO表面光滑，但是通过稀HCl溶液腐蚀后可获得具有优异陷光能力的表面。

图2为典型的在AZO 织构表面与光滑表面上获得的电池量子效率图，可看到在织构的表面上将获得更大的电流密度。

图3为使用三种制备TCO技术获得的TCO表面形貌图。

目前大面积溅射AZO还处于研发阶段，主要的研究方向是提高大面积溅射的均匀性与提高靶材的利用率。

2001年，Muller等人在AZO上获得了a-Si电池的初始转换效率为9.2%（32×40 cm2）；2003年Muller等人获得a-Si电池的初始转换效率为9.2%（60×100 cm2）。

在a-Si/?c-Si叠层电池的方面，2001年，O.Kluth 等制备电池的初始转换效率为12.1%（1cm2）；2004年，Hüpkes等制备电池的初始转换效率为9.7%（64cm2）；2008年，Tohsophon等制备的电池在不同面积下的转换效率分别为10.7%（64cm2）和9.6%（26×26cm2）。

随着大面积溅射AZO技术的成熟，未来将会在薄膜硅太阳能电池中占有一席之地。

图2 在光滑与织构的AZO表面上沉积a-Si电池获得的量子效率比较点击看大图图3 采用不同沉积技术获得TCO表面形貌图2．减反层的研究由于光会在两层不同的介质处发生反射，两介质折射率相差越大，反射也越大。

在superstrate型薄膜硅电池中，TCO的折射率（n～1.9）与硅薄膜的折射率（n～3.4）相差很大，在界面处会有超过10%的光被反射，为了减弱界面处光的反射，可以在TCO与硅材料中间引入一层处于中间折射率（n～2.5）的透明导电介质来减弱光的反射。

T.Matsui使用溅射TiO2作为减反层提高了单结a-Si与?c-Si的量子效率，但是由于TiO2在氢等离子的环境下容易被还原，通过在TiO2的表面沉积一层10nm左右的ZnO来保护TiO2，两类电池都获得了更优的量子效率，如图4与图5所示。

Das等人在多结a-Si叠层电池中使用TiO2减反层提高了电池的短路电流密度，在a-Si/?c-Si叠层电池中结合TiO2减反层与SiOx中间层技术提高了顶电池的电流密度，同时减弱了底电池电流密度的损失，提高了顶电池与底电池的电流匹配。

图4. 标准电池与减反层电池的结构；（A）：一般电池结构，（B）：带有TiO2减反层的电池结构，（C）带有TiO2-ZnO的电池结构示意图图5. 上图4中三种结构的?c-Si电池的量子效率图比较3．窗口层的研究在薄膜硅太阳能电池中，p型和n型的掺杂层被称为“死区”，对光生电流没有贡献，为了提高电池的效率，应尽量降低掺杂层中的光吸收。

除了使掺杂层的厚度尽可能降低外，研究人员常使用宽带隙材料作为窗口层来减少光的吸收。

1981年，Tawada等使用a-SiC:H作为a-Si电池的窗口层实现电池的转化效率为7.1%。

p型a-SiC:H的光学带隙大约为2.0eV，具有优良的导电性能与透光率，常用做a-Si薄膜电池的窗口层。

Barua等人在a-Si电池中使用p型a-SiO:H 作为窗口层也获得较好的电池效率。

由于微晶硅比非晶硅易实现掺杂，p型的微晶硅薄膜具有高的电导率，同时对可见光的吸收系数远小于非晶硅的，被Hattori、Fujikake等人用做a-Si电池的窗口层。

在?c-Si薄膜太阳能电池中，本征层对窗口层材料的表面性质比较敏感，直接使用a-SiC:H和a-SiO:H作为微晶硅电池的窗口层会导致本征层中有较厚的非晶孵化层。

S.Klein、Huang等人使用热丝化学气相沉积技术在低温下制备了高电导、高透过率的c-SiC:H材料，霍尔系数测量发现c-SiC:H材料显n型。

Huang等人使用c-SiC:H作为窗口层制备了从n面入射的n-i-p型微晶硅薄膜太阳能电池，获得了26.7mA/cm2的高短路电流与9.2%的电池效率，Huang认为高电导、高透过率的窗口层与本征层中高的空穴迁移率是影响电池性能的关键因素。

图6为c-SiC:H的吸收系数，可以看到在高能端，c-SiC:H的吸收系数远小于n型微晶硅和非晶硅的吸收系数。

图6 n型的a-Si、c-Si以及c-SiC:H的吸收系数比较(二) 薄膜硅电池叠层技术在单结薄膜电池中由于S-W效应的存在会使电池效率衰退15%-30%，同时在大面积产业化中非晶硅组件的效率只有5%-7%，严重影响了产业化的发展。

提高非晶硅薄膜电池效率的一个有效途径是使用叠层电池技术。

Fuji公司在1cm2的小面积上实现a-Si/a-Si叠层电池的稳定效率达到10.1%，使用a-Si/a-Si 叠层电池有利一面是可以降低生产成本，不利的一面是电池的效率偏低，因此并不是叠层电池发展的方向。

由于非晶硅的能带结构使其对长波光几乎没有响应，因此为了扩展太阳光谱的利用范围，从上世纪80年代开始，研究人员把比非晶硅带隙低的a-SiGe与a-Si叠在一起形成a-Si/a-SiGe双结或者a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构。

目前，Sanyo公司的小面积（1cm2）a-Si/a-SiGe电池实现10.9%的稳定效率。

USSC公司的小面积（0.25cm2）a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层电池的初始转换效率可达到14.6%，稳定效率为13.0%。

但是由于制造能带小于1.5eV的器件级质量的a-SiGe比较困难，同时GeH4的价格昂贵，研究人员开始选择另外的材料代替a-SiGe。

1994年，Meier 等人首次使用VHF技术沉积微晶硅薄膜太阳能电池，电池的转化效率超过7%，这证明了微晶硅薄膜可以用做电池的吸收层。

同年，Meier等人还首次提出a-Si/mc-Si叠层电池概念，并使叠层电池的转化效率达到9.1%。

图7的左图为a-Si/mc-Si的结构示意图，右图为a-Si/a-Si薄膜叠层电池与a-Si/mc-Si薄膜叠层电池的光谱响应图。

由于微晶硅的能带是1.1eV，而非晶硅的能带是1.7eV左右，两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。

Shah通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到30%以上。

这种新型硅基薄膜太阳电池大大促进了对这种材料和电池的研究。

目前大面积a-Si/mc-Si叠层电池作为下一代薄膜电池已经开始大规模产业化。

图7 p-i-n结构的a-Si/a-Si叠层电池与a-Si/mc-Si叠层电池的光谱响应图（三）微晶硅电池开路电压的研究开路电压（VOC）是影响太阳能电池转换效率的重要因素，载流子的体内复合与界面复合会减小VOC，同时VOC又会影响光生载流子在电池体内与界面处的复合强度。

在a-Si/mc-Si叠层电池中，由于底电池微晶硅的VOC（500～550mV）小于顶电池非晶硅电池的VOC（800～900mV），因此，提高底电池的开压可提高整个叠层电池的转换效率。

上世纪90年代研究人员多集中使用高于80%晶化率的微晶硅材料作为吸收层，电池的开压在400mV左右。