2.3硅基薄膜太阳电池

弱光下使用
由于非晶硅太阳能电池在室内弱光下也能发电，已被广泛用于太阳能钟， 太阳能手表，太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。

中国应当抓住的机遇


自主大规模生产技术 自主核心设备技术 *PECVD/溅射设备/专用激光/APCVD
高效率、大面积、低成本、生产，实现每瓦USD1的目标
非晶硅太阳能电池发展趋势




在透明导电膜上依次淀积的是p层、i层和n层，其中p 层通常采用非晶碳化硅合金（a-SiC：H）。 由于非晶碳化硅合金的禁带宽度比非晶硅宽，其透过 率比通常的p型非晶硅高，所以p型非晶硅碳化硅合金 也叫窗口材料。

为了降低界面缺陷密度，一般采用一个缓变的碳过渡层
（buffer layer），这样可以有效地降低界面态密度，提高 填充因子。在过渡层上面可以直接沉积本征非晶硅层，然 后沉积n层
硅薄膜太阳电池的结构及工作原理


非晶硅是指硅原子的排列非常松散，它不像结 晶硅一样具有一定的规则性， 可以含有大量的结构或键结上的缺陷，它是种 类似玻璃的非平衡态结构。 非晶硅的优点在于其对于可见光谱的吸光能力很强 （比结晶硅强500倍），所以只需要薄薄的一层就 可以把光子的能量有效地吸收，而且这种非晶硅薄 膜的生产技术非常成熟，不仅可以节省大量的材料 成本，也使得制造大面积太阳电池成为可能。
非晶硅薄膜太阳能电池的优点


低成本 能量返回期短 大面积自动化生产 高温性好 弱光响应好(充电效率高) 其他

低成本
单结非晶硅太阳电池的厚度<0.5um。
主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体， 化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能 电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%） 且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍， 大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太 阳电池成本的65-70%，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料 成本已上升到RMB22以上。

目前太阳电池的核心技术是以结晶硅当基材为 主的，而商业化的结晶硅厚度约在200um以 上。但由于多晶硅原料的严重短缺，除了限制 硅基太阳电池的成长幅度之外，却也促进了薄 膜型太阳电池的发展。 薄膜型太阳电池具有低生产成本之特性，且具 有适于大面积制造之优势。

生产过程
发展情况
晶硅
最早开发的电池技术，技术非常成熟，效率增加和成本降低的潜力非常有限 在效率方面已经接近最高水平，再有大的提升不太可能

为了解决这一问题，硅基薄膜电池采用p-i-n结构。 p层和n层分别是硼掺杂和磷掺杂的材料；i层是本征材料 。

鉴于掺杂层内缺陷态浓度很高，当太阳光照射到电池上时，光生
载流子主要产生在本征层中。

非晶硅薄膜电池通常分为两种结构，即p-i-n和n-i-p 结构。
p-i-n结构的电池一般沉积在玻璃衬底上，以p、i、n 的顺序连续淀积各层而得。 由于光是透过玻璃入射到太阳电池的，所以人们也将 玻璃叫做衬顶，在玻璃衬底上要先淀积一层透明导电 膜（TCO）。 透明导电膜有两个作用，其一是让光通过衬底进入太 阳电池，其二是提供收集电流的电极（称顶电极）。
使用p型非晶碳化硅合金

优点：可以有效地提高电池的开路电压和短路电流；

缺点：p型非晶碳化硅合金和本征非晶硅在p/i界面存在带隙 的不连续性，在界面处容易产生界面缺陷，从而产生界面 复合，降低电池的填充因子（FF）。
开路电压Voc是太阳电池的重要参数之一
1.
它取决于本征层的禁带宽度，宽带隙的本征材料可以产


短波响应优于晶体硅太阳电池
非晶硅太阳能电池存在的问题

效率较低 单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%(AMO)，而 柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米） 的效率为10-12%，还存在一定差距。 相同的输出电量所需太阳能电池面积增加，对于对 太阳能电池占地面积要求不高的场合尤其适用，如 农村和西部地区。

一般非晶硅是借由溅射或化学气相淀积方式，在
玻璃、陶瓷，塑料或不锈钢基板上所生成的一种薄 膜
光劣化现象


非晶硅太阳电池的一个重大缺点是，它会发生光劣化现象， 这种现象就是所谓的Staebler-Wronski效应（简称SWE）。 它是在1977年被观察出来的一种现象，在被太阳光照射数 百小时之后，非晶硅太阳电池的转换效率会出现明显下降 的现象。 根据研究，一个单一接面的太阳电池在被太阳光照射1000 小时之后，它的效率比起始值低30%左右，而一个三层接 面的太阳电池则会下降15%左右。
生较大的开路电压，而窄带隙的材料产生较小的开路电
压。
2.
开路电压的大小还取决于掺杂层的特性，特别是掺杂浓
度，尤其是p层掺杂浓度。为了增加开路电压，人们通 H）作为p层材料。
常采用非晶碳化硅合金（a-SiC：H）或微晶硅（uc-Si： 开路电压的幅度还取决于本征层的质量。
3.
背电极



在沉积完非晶硅层后，背电极可以直接沉积在 n层上。常用的背电极是蒸发铝和银。 一方面由于银的反射率比铝高，使用银电极可 以提高电池的短路电流，实验室中常采用银做 背电极。 另一方面由于银的成本比铝高，而且在电流的 长期可靠性方面存在一些问题，在大批量非晶 硅太阳电池的生产中铝电极仍然是常用的。




太阳光能会打断一些键结较弱的硅原子共价键，因而会得悬浮 键的数目随着光照时间而增多。 根据研究，悬浮键缺陷的生成速度，会随着光照度的平方成比 例增加 然而这种光劣化现象是属于一种可逆式反应，当将已发生光劣 化的a-Si在160℃左右的温度，进行数分钟的退火处理，即可 回到原先状态。 事实上，这种光劣化现象并不会出现永久性的崩溃，通常在经 过1000个小时之后，它的劣化程度已经达到饱和值，而不会 进一步劣化了
多晶硅薄膜太阳能电池的研究趋势 效率低是目前多晶硅薄膜太阳能电池所面临的1个主要问题。 因此提高廉价衬底上多晶硅薄膜太阳能电池的效率将是今后一个主 要研发方向。 实际上，目前几乎所有的制备高效体硅太阳能电池的工艺都 用在了薄膜太阳能电池的制备上。由此看来，多晶硅薄膜太阳能电 池的效率的提高主要取决于多晶硅薄膜的质量改进。因此，通过采 取各种工艺措施在廉价衬底上制备大晶粒、高质量的多晶硅薄膜将 依然是今后多晶硅薄膜太阳能电池研发的核心课题。
在设备方面，晶硅电池的生产设备技术也已非常成熟，接近最高水平，在设备方 面的降价也基本没有了可能。
薄膜
效率增加和成本降低的潜力巨大
薄膜刚刚起步，各方面都还不太成熟。
在技术方面，转换效率有较大的提升空间，理论转换效率可以与晶硅接近，只是 现在薄膜的技术还不是很成熟，所以效率比较低。
在设备方面，设备成本较高，因为是新兴起来的，设备里面包括一大部分设备的 技术费用，随着技术的提高以及规模化生产后，设备成本会有一个较大的降 低，届时薄膜电池的成本将会有一次大的降低。



稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光致衰减，所谓的W-S效应，是影响其大规 模生产的重要因素。目前，柔性基体非晶硅太阳能电池稳定效率 已超过10%，已具备作为空间能源的基本条件。


成本问题
非晶硅太阳能电池投资额是晶体硅太阳能电池的5倍左右，因此 项目投资有一定的资金壁垒。且，成本回收周期较长，昂贵的设 备折旧率是大额回报率的一大瓶颈。

多晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳能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。 多晶硅薄膜太阳电池的工作原理与其它太阳电池一样，是基于 太阳光与半导体材料的作用而形成光伏效应。
沉积技术

薄膜硅可以使用气相或液相的方式来淀积生产， 其中最主要的技术为化学气相淀积法及液态外延法 （Liquid Phase Epitaxy，简称LPE）。

单结硅基薄膜电池的结构及工作原理



在常规的单晶和多晶太阳电池中，通常是用pn结结构， 由于载流子的扩散长度很高，所以电池的厚度取决于 所用硅片的厚度。 对于硅基薄膜太阳能电池，所用的材料通常是非晶或 微晶材料，材料中载流子的迁移率和寿命，都比在相 应的硅体材料中低很多，载流子的扩散长度也比较短， 选用通常的pn结的电池结构，光生载流子在没有扩散 到结区之前就会被复合。 如果用很薄的材料，光的吸收率会很低，相应的光生 电流也很小。

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与建筑相配合,建造太阳能房
非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既 能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照 明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电;美国，欧洲和日本的太阳能电 池厂家已生产这种非晶硅瓦。


太阳能照明光源
由于非晶硅太阳能电池的技术优势，同样功率的非晶硅太阳能灯具，其照 明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明时间长20%，而其成本每瓦要低约10 元人民币。上海尤利卡公司于2003年-2005年已为松江区的太阳能路灯提 供了400多个非晶硅太阳能路灯电源，其冬天的发电效果明显优于晶体硅。
应用方面的对比
晶硅电池品种颜色单一，应用范围相对小。所占市 场范围逐步降低
薄膜电池应用形式多样，应用范围广，所占市场范 围逐年增加
硅基薄膜电池是未来太阳能主流的原因
1. 能够满足特定市场的需求，并垄断这部分市场
计算器和玩具等弱光市场应用，BIPV建筑一体化的市场应用。 2. 技术本身的特点和优势
氧化锌（ZnO）


为了提高光在背电极的有效散射，在沉积背电 极之前可以在n层上沉积一层氧化锌（ZnO）。 氧化锌有两个作用，首先它有一定的粗糙度， 可以增加光散射，其次它可以起到阻挡金属离 子扩散到半导体中的作用，从而降低由于金属 离子扩散所引起的电池短路。



大面积自动化生产

目前，世界上最大的非晶硅太阳电池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 设备生产的 1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池，起初是效 率高于9%。其稳定输出功率接近80W/片。
商品晶体硅太阳电池还是以156mm*156mm和 125mm*125mm为主。
制等原因，无法得到下游系统应用商的大力支持，研发投入受到限制。
几个概念

纳米晶硅有时也被称为微晶硅(µc-Si)。差别只 在于晶粒的颗粒大小。
多孔硅 ： 体内有大量空洞的硅材料，空隙度 约为60%~90%，内表面积很大，每立方厘米 硅材料中达数百平方米的面积。 多孔硅，一种具有纳米多孔结构的材料，可以通 过晶体硅或非晶硅在氢氟酸中进行阳极氧化来 获得。多孔硅表面积与体积比很大。

非晶硅太阳电池的市场

大规模地成本发电站
1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光 伏产业振动。 Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅 太阳能电池。 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型 发电站(约每座500KWp-1000KWp)。 德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。
低成本，可做成半透明，低污染，低能耗。
3. 技术发展的可持续性 主要的成膜设备与LCD兼容，大大降低了设备研发成本。 CIGS等其他新型薄膜太阳能技术不具备这样的特点。 4. 技术的开放性 成熟的设备供应商就有4家以上，生产厂家更多，技术研发投入非常多。
而同样低成本的CdTe技术由于First Solar一家独大，以及其技术受到原材料的限
开发新结构 提高效率和稳定性 控制成本 大面积、大晶粒薄膜的生长技术 薄膜的缺陷控制技术优质、价廉衬底材料 的研发 电池优良设计、表面结构技术及背反射技 术的研究
突出特点： 材料和制造工艺成本低。 制作工艺为低温工艺（100-300℃），耗能较低。 易于形成大规模生产能力，生产可全流程自动化。 品种多，用途广。 存在问题：光学带隙为1.7eV→对长波区域不敏感→转换效率低 光致衰退效应:光电效率随着光照时间的延续而衰减 解决途径：制备叠层太阳能电池，即在制备的p-i-n单结太阳能 电池上再沉一个或多个p-i-n子电池制得。