非晶硅薄膜太阳能电池-PECVD

NIP型非晶硅薄膜太阳能电池
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在NIP 太阳能电池中,采用适当晶化的晶化硅薄膜作为 P型窗口层,晶化硅薄膜高的电导可以提高NIP 结的内建 电势,改善TCO 膜和P 型窗口层间的N/ P 界面隧穿特性, 降低电池的串联电阻;另外,适当晶化的P 型晶化硅薄膜 可以提高窗口层的光学带隙 ,得到高的开路电压和短路 电流,从而得到高的光电转换效率。但是,在非晶硅(a-Si) 层表面生长P 型晶化硅薄层非常困难,即使在很高的H 稀 释率下,在a-Si 层表面生长的P 型晶化硅薄层仍然极有 可能是非晶结构 。如何处理好I/ P 界面,在a-Si 表面生 长出合适的P 型晶化硅薄膜,是制备优质的NIP 型a-Si 电 池的关键问题之一。 • 在NIP 型a-Si 太阳能电池的研究中,使用晶化硅薄膜作 为电池窗口层,显著提高了电池的开路电压和转换效率 ; 国内在该领域也取得了相当的进展 ,但由于制备工艺复 杂和对设备性能的高要求,目前还没有制备出高效率NIP 电池的报导.
实 验
磁控溅射系统（主要设备）
• 工艺：主要是透明氧化物TCO镀膜，金属 （银或铝）背电极镀膜
激光划线机3（重要设备）
• 工艺：这一步主要是划刻 铝或者银以及氧化锌膜， 使用的532纳米波长的绿激光器 • 要求：刻蚀速度、激光源寿命、操作系统是否简 单且方便操作、Dead area无用区域大小（三条 刻膜线总线宽）、划刻线宽、系统产能（MW/年）
TCO
• TCO（Transparent conducting oxide）玻璃，即透明导 电氧化物镀膜玻璃，是在平板玻璃表面通过物理或者化学 镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要包 括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材 料。 • TCO玻璃首先被应用于平板显示器中，现在ITO类型的导 电玻璃仍是平板显示器行业的主流玻璃电极产品。近几年， 晶体硅价格的上涨极大地推动了薄膜太阳能电池的发展， 目前薄膜太阳能电池占世界光伏市场份额已超过10％，光 伏用TCO玻璃作为电池前电极的必要构件，市场需求迅速 增长，成为了一个炙手可热的高科技镀膜玻璃产品。
光伏电池对TCO镀膜玻璃的性能要求
• • • • • 1.光谱透过率 2.导电性能 3.雾度 4.激光刻蚀性能 5.耐气候性与耐久性
光谱透过率
• 为了能够充分地利用太阳光，TCO镀膜 玻璃一定要保持相对较高的透过率。目前， 产量最多的薄膜电池是双结非晶硅电池， 并且已经开始向非晶/微晶复合电池转化。 因此，非晶/微晶复合叠层能够吸收利用更 多的太阳光，提高转换效率，即将成为薄 膜电池的主流产品。
非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的 影响
• 非晶硅薄膜是一种重要的光电材料，在廉价太阳 能电池、薄膜场效应管和光敏器件中都有广泛的 应用．通过测量透射光谱，人们可以获得折射率、 色散关系、膜厚以及光学能隙这些重要的光学参 量．但在测量时，我们注意到样品由于制备条件 的限制，厚度难以保证理想均匀，而且考虑到光 衍射、仪器灵敏度等方面的原因，采用的光栏或 狭缝一般不会太细，有一定的照射面积． 因此在 分析薄膜的透射谱时，应该顾及膜厚均匀性的影 响．已有文献报道在利用光透射谱或反射谱测定 膜厚和吸收时考虑到这个问题，并提出了合理的 解决方法来测定薄膜正确的光学参量
耐气候性与耐久性
• TCO镀膜一般都使用“硬膜”镀制工艺， 膜层具有良好的耐磨性、耐酸碱性。光伏 电池在安装上以后，尤其是光伏一体化建 筑安装在房顶和幕墙上时，不适宜进行经 常性的维修与更换，这就要求光伏电池具 有良好的耐久性，目前，行业内通用的保 质期是二十年以上。因此，TCO玻璃的保 质期也必须达到二十年以上。
导电性能
• TCO导电薄膜的导电原理是在原本导电 能力很弱的本征半导体中掺入微量的其他 元素，使半导体的导电性能发生显著变化。 这些微量元素被称为杂质，掺杂后的半导 体称为杂质半导体。氧化铟锡（ITO）透明 导电玻璃就是将锡元素掺入到氧化铟中， 提高导电率，它的导电性能在目前是最好 的，最低电阻率达10-5 cm量级。
雾度
• 为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力，光伏 用TCO 玻璃需要提高对透射光的散射能力，这一能力用（Haze） 来表示。雾度即为透明或半透明材料的内部或表面由于光 漫射造成的云雾状或混浊的外观。以漫射的光通量与透过 材料的光通量之比的百分率表示。一般情况下，普通镀膜 玻璃 要求膜层表面越光滑越好，雾度越小越好，但光伏 用TCO玻璃则要求有一定的光散射能力。目前，雾度控制 比较好的商业化TCO玻璃是AFG的PV-TCO玻璃，雾度值 一般为11％～15％。其中不包含散射时的直接透过率曲线。
ITO
• ITO镀膜玻璃是一种非常成熟的产品，具有透 过率高，膜层牢固，导电性好等特点，初期曾应 用于光伏电池的前电极。但随着光吸收性能要求 的提高，TCO玻璃必须具备提高光散射的能力， 而ITO镀膜很难做到这一点，并且激光刻蚀性能 也较差。铟为稀有元素，在自然界中贮存量少， 价格较高。ITO应用于太阳能电池时在等离子体 中不够稳定，因此目前ITO镀膜已非光伏电池主 流的电极玻璃。
薄膜太阳能电池(非晶硅)
非晶硅薄膜电池生产
超声波玻璃清洗机（重要设备） （镀膜前清洗）
• 工艺：洗的是膜表面上的污垢和灰尘及一 种高分子材料 • 要求：导电玻璃,不在生产线上用，速度越 快越好；离线使用，单面清洗；导电玻璃 最初清洗的材料是一种高分子材料（类似 塑料），清洗液可能是水，也可能是四氢 呋喃THF。
TCO
• 氧化锌基薄膜的研究进展迅速，材料性能 已可与ITO相比拟，结构为六方纤锌矿型。 其中铝掺杂的氧化锌薄膜研究较为广泛， 它的突出优势是原料易得，制造成本低廉， 无毒，易于实现掺杂，且在等离子体中稳 定性好。预计会很快成为新型的光伏TCO 产品。目前主要存在的问题是工业化大面 积镀膜时的技术问题。
激光刻蚀性能
• 薄膜电池在制作过程中，需要将表面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分成多 个长条状的电池组，这些电池组被串联起来用以 提高输出能效。因此，TCO玻璃在镀半导体膜之 前，必须要对表面的导电膜进行刻划，被刻蚀掉 的部分必须完全除去氧化物导电膜层，以保持绝 缘。刻蚀方法目前有化学刻蚀和激光刻蚀两种， 但由于刻蚀的线条要求很细，一般为几十微米的 宽度，而激光刻蚀具有沟槽均匀，剔除干净，生 产效率快的特点。
• 工艺： 非晶硅p-i-n镀膜 • 要求：电池转换率>6%、生产效率、玻璃 基片型号资料、价格
冷却炉
• 工艺： 对导电玻璃降温
激光划线机2（重要设备）
• 工艺：这一步主要是划刻非晶硅a-Si，使用的532 纳米波长的绿激光器 • 要求：刻蚀速度、激光源寿命、操作系统是否简 单且方便操作、Dead area无用区域大小（三条 刻膜线总线宽）、划刻线宽、系统产能（MW/年）
计算过程介绍
结论
• 综上所述，薄膜厚度的均匀性严重影响着光透射谱的形状， 使它与均匀厚度样品的透射谱有较大差异，主要发生在薄 膜的无吸收区和弱吸收区，对强吸收区影响不大．这种差 异表现在峰一峰值变小和振荡周期畸变上，随着厚度不均 匀度增大而越加明显，但是减小照射面积可有效地降低这 种影响． • 参考文献： • 陈冶明． 非晶半导体材料和器件EM]． 北京：科学出版 社，1991．166～415． • Ying Xuantong，Feldman A ，Farabaugh E N．Fitting of tranm ission data for determining the optical constants and thicknesses of opticalfilmsEJ']．J．App1．Phys．， 1990，67(4)：2056．
FTO
• SnO2镀膜也简称FTO，目前主要是用于生 产建筑用Low-E玻璃。其导电性能比ITO略 差，但具有成本相对较低，激光刻蚀容易， 光学性能适宜等优点。通过对普通Low-E的 生产技术进行升级改进，制造出了导电性 比普通Low-E好，并且带有雾度的产品。利 用这一技术生产的TCO玻璃已经成为薄膜 光伏电池的主流产品。
激光划线机1（重要设备）
• 工艺：这一步主要是划刻 氧化锡，使用的1064纳 米波长的红外激光器 • 要求：刻蚀速度、激光源寿命、操作系统是否简 单且方便操作、Dead area无用区域大小（三条 刻膜线总线宽）、划刻线宽、系统产能（MW/年）
预热炉
• 工艺： 加热导电玻璃
PECVD真空沉积系统，即等离子体 增强化学沉积(主要设备)
TCO镀膜玻璃的特性及种类
• 在太阳能电池中，晶体硅片类电池的电极是焊接 在硅片表面的导线，前盖板玻璃仅需达到高透光 率就可以了。薄膜太阳能电池是在玻璃表面的导 电薄膜上镀制p-i-n半导体膜，再镀制背电极。 • 透明导电氧化物的镀膜原料和工艺很多，通过科 学研究进行不断的筛选，目前主要有以下三种 TCO玻璃与光伏电池的性能要求相匹配。