非晶硅太阳电池的原理

非晶硅太阳电池的原理

非晶硅太阳电池是20世纪70年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳电池，与其他太阳电池相比，非晶硅电池具有以下突出特点：

1).制作工艺简单，在制备非晶硅薄膜的同时就能制作pin结构。

2).可连续、大面积、自动化批量生产。

3).非晶硅太阳电池的衬底材料可以是玻璃、不锈钢等，因而成本小。

4).可以设计成各种形式，利用集成型结构，可获得更高的输出电压和光电转换效率。

5).薄膜材料是用硅烷SiH4等的辉光放电分解得到的，原材料价格低。

1.非晶硅太阳电池的结构、原理及制备方法

非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图1所示。

为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，如图2所示。国际上采用的标准条宽约1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池。

1.1 工作原理

非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场V b 的作用下，光生

电子和空穴被分离，空穴漂移到P 边，电子漂移到N 边，形成光生电动势V L , V L 与内建电势V b 相反，当V L = V b 时，达到平衡; I L = 0, V L 达到最大值，称之为开路

电压V oc ; 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流I sc ，此时V L= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压V L 和光电流I L 。其I--V 特性曲线见图3

非晶硅太阳电池的转换效率定义为:

P i 是光入射到电池上的总功率密度，I sc 是短路电流密度，FF 为电池的填充因子，

V oc 为开路电压，I m 和 V m 分别是电池在最大输出功率密度下工作的电流密度和电

压。

目前，子电池的开路电压约在0.8V—0.9V之间，I

sc

达到13mA/cm2，FF在0.7-0.8之间，η达到12%以上。

由于太阳光谱中的能量分布较宽，主要部分由0.3µm—1.5µm的波长范围组成。现有的任何一种半导体材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子，即只能在一有限波段转换太阳能量，故单结太阳电池不可能完全有效地利用太阳能。采用分波段利用太阳能光谱的叠层电池结构则是有效提高光电转换效率的有效方法之一，而且也是主要趋势。叠层太阳电池的结构见图4。目前常规的叠层电池结构为

a-Si/a-SiGe, a-Si/a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/a-SiGe, a-SiC/a-Si/a-SiGe 等.

1.2非晶硅太阳电池的制备

图5是非晶硅太阳能电池制备方法示意图，把硅烷(SiH4)等原料气体导入真空度保持在10—1000Pa的反应室中，由于射频(RF)电场的作用,产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。此时如果原料气

体中混入硅烷(B

2H

6

)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH

3

)即能生成N型非晶硅。

仅仅用变换原料气体的方法就可生成pin结，做成电池。为了得到重复性好、性能良好的太阳电池，避免反应室内壁和电极上残存的杂质掺入到电池中，一般都利用隔离的连续等离子反应制造装置，即p,i,n各层分别在专用的反应室内沉积。

2.非晶硅太阳电池的应用

非晶硅太阳电池的应用市场有两个方面：一个是弱光电池市场，如计算器、手表等荧光下工作的微功耗电子产品；二是电源及功率应用领域。如太

阳能收音机、太阳帽、庭园灯、微波中继站、航空航海信号灯、气象监测及光伏水泵、户用电源等。

随着非晶硅电池稳定效率的不断提高以及生产规模的不断扩大、成本的大幅度下降，促进了非晶硅太阳电池更大范围和更大规模的应用。