2.3硅基薄膜太阳电池

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。
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。
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。

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
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
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
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。
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。



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。
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。
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
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。


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



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。

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）。

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。




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





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。

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。
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。




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


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。
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。