非晶硅薄膜太阳能电池研究进展
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虽然非 晶硅 太阳能电池具 有其 他太 阳能 电池不可 比拟 的优 势 ， 其产 量逐 年增加 ， 且 但增 加速 度远小 于 晶体 硅 电池 ， 市场 占 有率也逐年减少 ， 据最新 出版 的 Ｎ Ｄ Ｓｌ ｂ ｚ 光伏 设备季 度 根 Ｐ ｏ ｒｕｚ ａ
２ 提 高非 晶硅 薄 膜太 阳能 电池转 化 效 率 的方
ｅ ｍｐｈ ｓ ｄ ｏ ａ ｅ ｎ．Ｔｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｄ ｖ ｌｐｍｅ ｔｔｅ ｄ ｏ ｎ ｒ ｎ ｆａ—Ｓｉ ：Ｈ ｈ ｎ ｆｌ ｓ ｌｒ ｃ ｌｓｗａ ｒ ｄ ｃｅ ｔ ｉ ｍ ｏ ａ ｅ ｌ ｓ ｐ ｅ ｉｔ ｄ． ｉ Ｋｅ ｒ ：ａ—Ｓ ：Ｈ ｈｎ ｆｌ ；ｌｇ ｔｔａ ｐ ｎ ｔｕｃｕ ｅ；ｌｇ ｔ—ｉ ｄ ｃ ｄ ｄ ｇ ａ ｔｏ ｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉ ｔ ｉ ｍ ｉ ｉｈ ｒ ｐ ｉ ｇ ｓｒ ｔ ｒ ｉｈ ｎ ｕ ｅ ｅ ｄａｉｎ ｔ ｓ ｒ
的转化效率 。相对非 晶硅／ 晶硅 （ —Ｓ ｌ —Ｓ） 微 ａ ｉ￣ ／ Ｃ ｉ 叠层 而言可 以 设计 只提 高４ ０—７０ｎ ０ ５ ｍ太 阳光的界面反射率 ， 这样既 可以保证 底 电池能够 吸收到 足够 的太 阳光 ， 又可 以提高顶 电池的光 吸收 ， 实 现 顶 、 电 池 的 电 流 匹 配 。 底 中间层材料必须具有 以下特征 ： （ ） 明、 １透 导电 、 吸收系数小 ； 光 （） ２ 折射率 和厚度要满足一定要求 （ 能对 短波 长光具有较好 反射 ， 对长波长光具有较好的透射 ） ； （ ） 积温度要 与电池制备工艺相 匹配 ； ３沉 （） ４ 材料来 源丰富 、 成本低 、 制备工艺成熟 。
ＹＮ ｎ Ｉ Ｂｉｇ—ｋ ｎ ，ＪＡ ａ ｇ ｕ Ｉ ＮＧ Ｆ ｎ
（ ｓ ｏｅｇ ｏａ ＨａｇｈｕＣ ． Ｌｄ ， ｈｊ ｎ ｎ ｚｏ ０ ３ １Ａ ｔ ｎ ｒｙＳ ｌ ｎ ｚｏ ｏ ， ｔ． Ｚ ｅｉ ｇＨａｇｈｕ３ ０ ５ ； ｒ ｒ ａ １ ２Ｉｓｔｔ ｏ ｅａ ｉｓ ｈｎｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃ ｎ ｅ ， ｈ ｎ ｈｉ ０ ０ ０ Ｃ ｉ ） ｔｕｅ ｆ ｒｍ ｃ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｙｏ ｉ ｃｓ Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ５ ， ｈ ａ ｎｉ Ｃ Ｃ Ｓｅ ｎ
法
非 晶 硅 的 禁 带 宽 度 为 １７ｅ 左 右 ， 此 导 致 光 电子 能 量 低 ． Ｖ 因 于 １７ｅ 的光 子 直 接 透 过 非 晶 硅 层 ， 能 被 本 征 层 所 吸 收 对 光 ． Ｖ 不 生 电流基本上无 贡献 。由于非 晶硅 材料这 种结 构上 的限制 ， 导
致非晶硅薄膜太 阳能 电池 的短 路 电流较小 。另 外 ， 到光 致衰 受
报告 “ ０ １ ２ １ 年全球前 十大晶硅和 薄膜 电池厂 商排名”， 十名 中 前 仅一 家薄膜生产厂家 ｆｓ ｓ１ 。这主要是 由于非晶硅太 阳能 ｉｔｏ ｒ ｒ ａ 电池在使用 的过 程 中存 在致 命性 弱 点 ： 转化 效率 较低 、 定 性 稳
差， 功率衰减严重 、 寿命 短严 重影 响了消费者 的信 心制约 了其市
场的开拓。
硅材料 的吸光 系数在 整个 可见光 范围 内， 几乎 都 比晶体硅 大一 个数量级 ， 其本征吸收系数高达 １ ｃ ０ ｍ～， 使得 非 晶硅 太 阳能 电 池对低 光强有较 好 的响应 ， 实验 证 明非 晶硅 薄膜 电池 比同样 标 称 的晶体硅 电池 的发 电量 多 １ ％ 一 ０ ０ ３ ％ Ｊ 。
关 键词 ： 非晶硅； 叠层电池； 光致衰减
中图分 类号 ：Ｋ １ Ｔ ５
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０１ ９７ （０２０ — ０ １ ０ １０ — ６７ ２１）８ ０３ — ４
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ａ—Ｓ ： Ｔｈ ｎ Ｆｉ Ｓ ｌｒ Ｃｅｌ ｓ ａ ｃ ｒ ｇ ｅｓｏ ｉ Ｈ ｉ ｌ ｍ ｏ ａ ｌ ｓ
第４ ０卷 第 ８期 ２１ ０２年 ４月
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工
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ８ １４ ． Ａｐ ｉ． ０１ ｒｌ２ ２
Ｇ ａ ｇ ｈ ｕ Ｃ ｅ ｃ ｌＩ ｄ ｓ ｙ ｕ ｎ ｚ ｏ ｈ ｍｉａ ｎ ｕ ｔ ｒ
非 晶硅 薄膜 太 阳能 电池 研 究进 展
尹炳坤 ，蒋 芳
２０５ ） ０００
受， 且工艺相对简单 的一项技 术 。早在 １ ８ ９ １年 ，ａ ａａ等就使 Ｔｗｄ 用 ａ ｉ Ｈ作 为 ａ—Ｓ 电池 的窗 口层 ， 电池 的转化 效率达 到 —Ｓ Ｃ： ｉ 使 了７１ ． ％ －， 。２０ ６ ］ ０ ８年朱嘉 琦等 人通 过掺 硼获 得 了光学 禁 带 ８
宽度为 ２ ０ｅ ． Ｖ的非 晶金 刚石 薄膜 ， 使非 晶硅太 阳能 电池的转 化 效率提高 了 １％ ＿ 。 ０ Ｉ 窗 口层材料除 了带隙要求较宽外还要求 有较低 的激活能 和 低 的 电 阻率 。低 的激 活 能 有 利 于 增 大 电池 的 内 建 电势 和 开 路 电 压； 低的电阻率 可 以减小 电池 的 串联 电阻 ， 而改 善其 填 充 因 从 子 。为了减少 由于窗 口层对 光的吸 收造成 光在 窗 口层 损失 ， 窗 口层要求尽 可能 的薄 ； 窗 口层太 薄会 降低 内建 电场 ， 但 这对提 高 开路 电压不利 Ｊ 。窗 口层较高的掺 杂浓度会增 加电池 的内电势
非 硅 膜 阳 电 晶薄 太 能 池
薄膜太 阳能电池以其 低廉 的成 本优势受 到世界各 国研究 者
耋 蔷譬 吴昆
薄膜 太阳能电池（ ｄ ｅ … 。 ｃ Ｔ）
表 １ 薄 膜 太 阳 能 电池
譬
在三种 薄膜 太阳能 电池 中， 硅基 薄膜 太 阳能 电池 以其 特 有 的优 势 快速 发展 。硅 基 薄 膜 太 阳 能 电池 又 分 为 ： 晶硅 （ 非 ａ—Ｓ） ｉ 薄膜太 阳电池 、 晶硅 （ Ｃ—ｓ） 微 Ｕ ｉ 薄膜 太 阳能 电池 、 米硅 （ ｅ— 纳 Ｒ Ｓ） ｉ薄膜太 阳能 电池 ， 以及 它们相互 合成 的叠层 电池。同晶体硅 太 阳能电池 相比非晶硅太 阳能电池具有 良好 的弱 光效应 。非 晶
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２ ３ 叠层 结构太 阳能 电池 ．
大面积产业化 的非 晶硅 组件 的效率 只有 ５ ～７ ， 重影 ％ ％ 严 响了产业化 的发展 。叠层太 阳能 电池 是提高非 晶硅薄膜 太 阳能 电池转化效率 的有效途径之一 。由于太 阳光光谱 中的能量分 布 较宽 ， 现有的任何一 种半导 体材料 都 只能吸 收其 中能量 比其 能 隙值 高的光子 ， 阳光 中能量较小 的光 子将透 过 电池 造成 能 量 太 浪费。因此单节太 阳能 电池 的转 化效率一般 较低 。叠 层太 阳能 电池 使能隙较 窄的材 料 电池 吸收 波长较 长 的光 ， 同时使 最外 边 的能隙较宽的材料 电池吸 收波长最 短 的光 ， 而对 太 阳光源 有 从 了更合理的利用 ， 有效地提高 了太 阳能 电池 的转化效率 。 由于微晶硅的能带是 １ １ｅ 而非晶硅 的能带是 １７ｅ ． Ｖ， ． Ｖ左 右， 两者结合 比较靠近理想 的叠层 电池结构 。１９ ９ ４年 ， ｅ — Ｉ Ｎ ｕ ＭＴ ｃａ ｌ 组 首 次 提 出 Ｕ ｈｔ 小 ｅ Ｃ—Ｓ：Ｉａ—Ｓ ： 叠 层 太 阳 能 电 池 。 在 ｉＩ － ／ ｉＨ １９ ９７年报道 了稳定效率超 过 １． ％的该 系列电池 ２。２ ０ ０Ｏ ｔ １ ０ １年
３ ２
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２１ ０ ２年 ４月
减 的限制 ，Ｓ —Ｈ本征层不可能太厚 ， ａｉ 因此导致 能量接近于带 隙 宽度 的那部分光子 ， 在有 限的本征层 之内并不 能被充分 地吸收 。 解决这一问题可 以从以下几个方 面考虑 ：
硅 、 晶硅不同 的中间层 ， 以提高 顶底 电池界 面 的反射率 ， 微 可 将 部 分光 反射 回顶 层 ， 提高顶 电池 的光 吸收 ， 而提高 顶 电池 的 进 电流 密 度 。 因 此 可 以在 不 增 加 顶 电池 厚 度 的情 况下 提 高 顶 电 池 的光 吸收， 顶 、 电池 短路 电流密 度相 匹配 ， 使 底 提高 叠层 电池
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（ １正泰 太 阳能科技 有 限公 司 ，浙江 杭 州 ３０ ５ ；２ 中 国科 学 院上 海硅 酸 盐研 究所 ，上海 １０３
摘 要 ： 介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的发展现状及制约非晶硅薄膜太阳能发展的两个关键性因素： 转化效率低、 光致衰新技术和非晶硅 薄膜太 阳能 电池光致衰减的特性及模 型进行综叙 ； 重点 阐述窗 口层材料 、 中 间层 、 叠层 电池等提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率 的新技术。文章最后对非 晶硅膜太 阳能 电池未来 的发展趋势进行 了展望。
一
２ １ 窗 口层材 料 ．
为提高非晶薄膜太 阳能 电池 的转 化效率 ， 常要 求尽 可能 通 的减少 Ｐ层及 ｎ层对光的吸收 ； 了要 求 Ｐ层尽可 能薄外 ， 除 还要 求窗 口层材料具有较宽的光学 带隙 ， 带隙窗 口层 材料 的使 用 ， 宽 会使得更多 的太 阳光透过 Ｐ层 进入 本征 ｉ ， 加光 谱 响应 范 层 增 围， 使得 太 阳能 电池短路 电流 以及 开路 电压 得到 一定 提高 Ｊ 。 目前探索 的宽带 隙材料 主要有非 晶硅碳 、 晶硅 氧 、 晶硅 、 非 微 微 晶硅碳等 。其 中非晶硅碳窗 口层材 料是 目前 最容易 为人们所接
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的转化效率 。相对非 晶硅／ 晶硅 （ —Ｓ ｌ —Ｓ） 微 ａ ｉ￣ ／ Ｃ ｉ 叠层 而言可 以 设计 只提 高４ ０—７０ｎ ０ ５ ｍ太 阳光的界面反射率 ， 这样既 可以保证 底 电池能够 吸收到 足够 的太 阳光 ， 又可 以提高顶 电池的光 吸收 ， 实 现 顶 、 电 池 的 电 流 匹 配 。 底 中间层材料必须具有 以下特征 ： （ ） 明、 １透 导电 、 吸收系数小 ； 光 （） ２ 折射率 和厚度要满足一定要求 （ 能对 短波 长光具有较好 反射 ， 对长波长光具有较好的透射 ） ； （ ） 积温度要 与电池制备工艺相 匹配 ； ３沉 （） ４ 材料来 源丰富 、 成本低 、 制备工艺成熟 。
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非 晶 硅 的 禁 带 宽 度 为 １７ｅ 左 右 ， 此 导 致 光 电子 能 量 低 ． Ｖ 因 于 １７ｅ 的光 子 直 接 透 过 非 晶 硅 层 ， 能 被 本 征 层 所 吸 收 对 光 ． Ｖ 不 生 电流基本上无 贡献 。由于非 晶硅 材料这 种结 构上 的限制 ， 导
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场的开拓。
硅材料 的吸光 系数在 整个 可见光 范围 内， 几乎 都 比晶体硅 大一 个数量级 ， 其本征吸收系数高达 １ ｃ ０ ｍ～， 使得 非 晶硅 太 阳能 电 池对低 光强有较 好 的响应 ， 实验 证 明非 晶硅 薄膜 电池 比同样 标 称 的晶体硅 电池 的发 电量 多 １ ％ 一 ０ ０ ３ ％ Ｊ 。
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第４ ０卷 第 ８期 ２１ ０２年 ４月
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非 晶硅 薄膜 太 阳能 电池 研 究进 展
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宽度为 ２ ０ｅ ． Ｖ的非 晶金 刚石 薄膜 ， 使非 晶硅太 阳能 电池的转 化 效率提高 了 １％ ＿ 。 ０ Ｉ 窗 口层材料除 了带隙要求较宽外还要求 有较低 的激活能 和 低 的 电 阻率 。低 的激 活 能 有 利 于 增 大 电池 的 内 建 电势 和 开 路 电 压； 低的电阻率 可 以减小 电池 的 串联 电阻 ， 而改 善其 填 充 因 从 子 。为了减少 由于窗 口层对 光的吸 收造成 光在 窗 口层 损失 ， 窗 口层要求尽 可能 的薄 ； 窗 口层太 薄会 降低 内建 电场 ， 但 这对提 高 开路 电压不利 Ｊ 。窗 口层较高的掺 杂浓度会增 加电池 的内电势
非 硅 膜 阳 电 晶薄 太 能 池
薄膜太 阳能电池以其 低廉 的成 本优势受 到世界各 国研究 者
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薄膜 太阳能电池（ ｄ ｅ … 。 ｃ Ｔ）
表 １ 薄 膜 太 阳 能 电池
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在三种 薄膜 太阳能 电池 中， 硅基 薄膜 太 阳能 电池 以其 特 有 的优 势 快速 发展 。硅 基 薄 膜 太 阳 能 电池 又 分 为 ： 晶硅 （ 非 ａ—Ｓ） ｉ 薄膜太 阳电池 、 晶硅 （ Ｃ—ｓ） 微 Ｕ ｉ 薄膜 太 阳能 电池 、 米硅 （ ｅ— 纳 Ｒ Ｓ） ｉ薄膜太 阳能 电池 ， 以及 它们相互 合成 的叠层 电池。同晶体硅 太 阳能电池 相比非晶硅太 阳能电池具有 良好 的弱 光效应 。非 晶
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２ ３ 叠层 结构太 阳能 电池 ．
大面积产业化 的非 晶硅 组件 的效率 只有 ５ ～７ ， 重影 ％ ％ 严 响了产业化 的发展 。叠层太 阳能 电池 是提高非 晶硅薄膜 太 阳能 电池转化效率 的有效途径之一 。由于太 阳光光谱 中的能量分 布 较宽 ， 现有的任何一 种半导 体材料 都 只能吸 收其 中能量 比其 能 隙值 高的光子 ， 阳光 中能量较小 的光 子将透 过 电池 造成 能 量 太 浪费。因此单节太 阳能 电池 的转 化效率一般 较低 。叠 层太 阳能 电池 使能隙较 窄的材 料 电池 吸收 波长较 长 的光 ， 同时使 最外 边 的能隙较宽的材料 电池吸 收波长最 短 的光 ， 而对 太 阳光源 有 从 了更合理的利用 ， 有效地提高 了太 阳能 电池 的转化效率 。 由于微晶硅的能带是 １ １ｅ 而非晶硅 的能带是 １７ｅ ． Ｖ， ． Ｖ左 右， 两者结合 比较靠近理想 的叠层 电池结构 。１９ ９ ４年 ， ｅ — Ｉ Ｎ ｕ ＭＴ ｃａ ｌ 组 首 次 提 出 Ｕ ｈｔ 小 ｅ Ｃ—Ｓ：Ｉａ—Ｓ ： 叠 层 太 阳 能 电 池 。 在 ｉＩ － ／ ｉＨ １９ ９７年报道 了稳定效率超 过 １． ％的该 系列电池 ２。２ ０ ０Ｏ ｔ １ ０ １年
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２１ ０ ２年 ４月
减 的限制 ，Ｓ —Ｈ本征层不可能太厚 ， ａｉ 因此导致 能量接近于带 隙 宽度 的那部分光子 ， 在有 限的本征层 之内并不 能被充分 地吸收 。 解决这一问题可 以从以下几个方 面考虑 ：
硅 、 晶硅不同 的中间层 ， 以提高 顶底 电池界 面 的反射率 ， 微 可 将 部 分光 反射 回顶 层 ， 提高顶 电池 的光 吸收 ， 而提高 顶 电池 的 进 电流 密 度 。 因 此 可 以在 不 增 加 顶 电池 厚 度 的情 况下 提 高 顶 电 池 的光 吸收， 顶 、 电池 短路 电流密 度相 匹配 ， 使 底 提高 叠层 电池
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（ １正泰 太 阳能科技 有 限公 司 ，浙江 杭 州 ３０ ５ ；２ 中 国科 学 院上 海硅 酸 盐研 究所 ，上海 １０３
摘 要 ： 介绍了非晶硅薄膜太阳能电池的发展现状及制约非晶硅薄膜太阳能发展的两个关键性因素： 转化效率低、 光致衰新技术和非晶硅 薄膜太 阳能 电池光致衰减的特性及模 型进行综叙 ； 重点 阐述窗 口层材料 、 中 间层 、 叠层 电池等提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率 的新技术。文章最后对非 晶硅膜太 阳能 电池未来 的发展趋势进行 了展望。
一
２ １ 窗 口层材 料 ．
为提高非晶薄膜太 阳能 电池 的转 化效率 ， 常要 求尽 可能 通 的减少 Ｐ层及 ｎ层对光的吸收 ； 了要 求 Ｐ层尽可 能薄外 ， 除 还要 求窗 口层材料具有较宽的光学 带隙 ， 带隙窗 口层 材料 的使 用 ， 宽 会使得更多 的太 阳光透过 Ｐ层 进入 本征 ｉ ， 加光 谱 响应 范 层 增 围， 使得 太 阳能 电池短路 电流 以及 开路 电压 得到 一定 提高 Ｊ 。 目前探索 的宽带 隙材料 主要有非 晶硅碳 、 晶硅 氧 、 晶硅 、 非 微 微 晶硅碳等 。其 中非晶硅碳窗 口层材 料是 目前 最容易 为人们所接