非晶硅薄膜电池的研究

非晶硅薄膜电池的研究

第1章绪论

1.1太阳能电池的发展

1.1.1光伏产业的发展现状

能源危机、环境污染与温室效应是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。据世界能源委员会和国际应用系统分析研究所预测，全球化石燃料不足使用100年，而且，由于燃烧化石燃料排放的二氧化碳等气体随能耗指数增加，已严重破坏了生态平衡，造成了诸如温室效应，酸雨等一系列问题。寻求一种可再生，无污染的清洁能源成为了一项迫切任务。

可再生能源主要包括风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。但风能以及水能、潮汐能、地热能等都有自身的局限性。对于核能来说，它的和平利用虽然为人类缓解能源危机做出了贡献，但对环境的潜在威胁不容忽视。

太阳能是用之不竭的可再生能源，太阳照射地球一小时的能量相当于世界一年的总消费能量，而且它是一种清洁能源，对环境保护具有十分重要的意义，太阳能的有效利用己经成为人类的共识，如果能合理地利用太阳能，将会为人类提供充足的能源。由于太阳能电池发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、安静无机械转动部件等独特优点，尤其是可在用电现场发电，并且可与建筑物相结合，构成光伏建筑一体化系统(BIPV)，己经成为可再生能源中最重要的组成部分，也是近年来发展最快，最具活力、最受瞩目的研究领域，国际上许多国家都把它定为可持续发展战略的一个重要组成部分。

我国政府也己经在推动太阳能光伏发电发展方面采取了一系列措施。特别是为了推动西部大开发，我国正在进行多项西部太阳能发电工程以解决西部无电地区的居民生活用电问题，改善西部生存条件和投资环境，促进西部经济。

太阳能电池发展至今，主要可以分三大类:一是以单晶硅和多晶硅硅片为基

础的晶体硅太阳能电池;二是硅基薄膜(非晶、多晶、微晶等)、铜铟硒和碲化镉薄膜太阳能电池、染料敏化和其它有机太阳能电池;三是仍处于研究阶段的量子阱、多能带、热载流子等新型太阳能电池。在各类电池中，因为硅是地球上储量第二大元素，作为半导体材料，人们对它的研究最多，且其性能稳定，无毒，无污染.因此硅系列电池技术比较成熟，且已具有商业价值.在硅系列太阳电池中，单晶硅转化效率高，但成本高，限制了它的应用，而非晶硅在可见光内有较高的吸收系数，可实现低成本的大面积薄膜沉积，使之较单晶硅太阳电池有更为广阔的应用前景[1]。

目前，除了提高光电转换效率外，降低成本也是太阳能电池提高市场竞争力的主要手段。晶体硅太阳能电池具有高的转换效率，制作工艺也相当成熟，但是在成木方面本身存在很多的限制因素:(l)制作工序中能量消耗大;(2)由于技术的限制电池的厚度远厚于实际需要的厚度，硅材料浪费过多;(3)继续降低厚度，切片带来的损耗会随之增加，破损率也会相应增加;(4)大面积电池和组件的组装都很笨拙;(5)太阳能级多晶硅的使用一定程度上降低了单晶硅的成本，但是材料仍在总成本中占很大份额。而薄膜太阳能电池在降低太阳能电池成本方面有很大的优势[2]:(1)将厚度控制在柔性衬底薄膜光伏电池相关材料制备及性能完全吸收太阳光的最小厚度，节约材料;(2)使用廉价衬底，如玻璃、塑料、不锈钢等;(3)采用低温制造工艺，耗能少;(4)工艺简单，材料与器件同步完成;(5)可以制作大面积电池和集成组件等。特别是柔性衬底的使用，可以实现roll-to-roll卷轴式生产，大大提高生产效率，进一步降低了成本。柔性轻质的薄膜太阳能电池有利于拓展薄膜太阳能电池的应用空间，扩大市场需求。因此，太阳能电池薄膜化、高效化、大面积化是未来的发展方向[3]。

虽然1980年非晶硅薄膜电池开始商业化以来，发展缓慢，在光伏产业中的市场份额从1987年的41%，一路下滑到2002年的6%，但是近年来随着薄膜技术的发展，薄膜太阳能电池开始回暖，特别是薄膜沉积设备的发展大大推进了薄膜太阳能电池的产业进程。2008年美国应用材料(AMAT)、瑞士Oerlikon、日本ULV AE等顶级的设备厂商大量推出标准设备，同时韩国Jusung、美国XsunX 以等设备企业的介入也促使全球范围大规模生产非晶硅成为可能，另外一些小尺寸的非晶硅设备企业，比如中国国内的普乐新能源、上海思博露科技、北京

的北仪创新及美国的EPV和Nan0PV、香港的华基光电、匈牙利的Energosolar、欧洲的STF等相继推出低成本的SMW生产线也获得了客户的青睐，设备的驱动及大量资本的进入促使2007年和2008年被称为非晶硅大规模应用的两年。这种发展趋势将会很快导致晶体硅和薄膜硅太阳电池格局的改变[4]。

硅薄膜太阳能电池虽然发展很快，但是仍存在许多问题，如转换效率不高、稳定性差、光吸收效率低等。这都需要从提高硅薄膜材料质量、优化陷光结构及改善界面问题等方面进行深入地研究和改进，从而进一步提高硅薄膜太阳能电池的性能。

1.1.2硅基薄膜太阳能电池的研究现状

硅基薄膜太阳能电池和晶体硅电池的工作原理相同，但结构略有差异。薄膜太阳能电池除了包含pn结和上下电极外，需要有衬底作为依托，如图1.1所示。衬底可以分为两大类:一类是硬质衬底，如玻璃;另一类是柔性衬底，常见的有塑料和金属箔等，使用这种柔性衬底的电池被称为柔性薄膜太阳能电池。以最常见的玻璃衬底为例，薄膜太阳能电池的制作顺序是:先在衬底上沉积透明电极，然后依次沉积p-i-n型硅薄膜吸收层，最后制备金属背电极。硅基薄膜太阳能电池常用铝或银作为金属背电极材料，用透明导电氧化薄膜(TCO)作为透明上电极。目前常用的TCO薄膜有氧化锢锡薄膜(ITO)和ZnO:Al薄膜等。其中，ZnO:Al薄膜具有在氢等离子体中稳定性好的优点，使之成为硅基薄膜太阳能电池的首选透明电极