非晶硅薄膜太阳能电池

一、引言
太阳能光电转换电池主要分为两类，一类是晶体硅电池，包括单晶硅(sc—si)电池、多晶硅(mc—si)电池两种，它们占据约93％的市场份额；另一类是薄膜电池，主要包括非晶体硅(a—Si，使用的是硅，但以不同的形态表现)太阳能电池、铜铟镓硒(cICS)太阳能电池和碲化镉(cdTe)太阳能电池，这类电池占据7％的市场份额。

晶体硅太阳能电池一直是主流产品，其中多晶硅太阳能电池自l998年开始成为世界光伏市场的主角。

但是由于晶体硅太阳能电池所需的高纯多晶硅价格飙升，使得晶体硅电池价格上涨，为非晶硅太阳能电池带来了行业机会。

制造晶体硅类太阳能电池成本高、能耗大、有污染，要解决这些问题，使太阳能行业真正变成最环保的产业，只能大力发展非晶硅太阳能电池。

二、优点
1.非晶硅具有较高的光吸收系数.特别是在0.3-0.75um的可见光波段,它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级.因而它比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1um厚)就能吸收90%有用的太阳能.这是非晶硅材料最重要的特点,也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素.
2.非晶硅的禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高.
3.制备非晶硅的工艺和设备简单,淀积温度低,时间短,适于大批生产.制作单晶硅电池一般需要1000度以上的高温,而非晶硅电池的制作仅需200度左右.
4.由于非晶硅没有晶体硅所需要的周期性原子排列,可以不考虑制备晶体所
必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题.因而它几乎可以淀积在任何衬底上,包括廉价的玻璃衬底,并且易于实现大面积化.
5.制备非晶硅太阳能电池能耗少,约100千瓦小时,能耗的回收年数比单晶硅电池短很多
三、原理
非晶硅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Vb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VL,VL与内建电势Vb相反，当VL=Vb时，达到平衡;IL=0,VL达到最大值，称之为开路电压Voc;当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc，此时VL=0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL 和光电流IL。

其I--V特性曲线见下图
非晶硅太阳电池的转换效率定义为:
Pi是光入射到电池上的总功率密度，Isc是短路电流密度，FF为电池的填充因子，Voc为开路电压，Im和Vm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，Isc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下图。

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.
四、应用
非晶硅电池的主要特点有：①质量轻，比功率高，非晶硅对于太阳光的吸收系数大，比晶体硅强约500倍，在玻璃、不锈钢等基体上生长仅1m左右厚的非晶硅薄膜即可将光的能量有效吸收，所以非晶硅薄膜电池具有质量轻、比功率高的特点；②抗辐射性能好；③耐高温；④制造工艺简单，能耗少；⑤可实现大面积及连续化生产；⑥可采用玻璃、不锈钢等廉价材料作为生长衬底材料，因而成本低。

正是由于这些特点，使其非常适合于太空领域的应用。

非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数高，对太阳光适应范围较广，非最佳角度阳光下的工作情况好于其他太阳能电池以及易于实现集成化的特性，可以适合不同需求的多品种产品。

尤其适合用于建筑光伏一体化(BIPV)、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。

五、非晶硅薄膜电池技术研发方向及发展
由于非晶硅的光学禁带宽度在1．7eV左右，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，使其光电转换效率较低。

据报道，目前实验室稳定单个小尺寸片转换效率最高为13％，市场大规模的模块为6％～8％。

另外，由于本征非晶硅材料的S_w效应，致使产品光致性能衰减较快，即随着光照时间的延长，产品转换效率降低较快，性能稳定性差，这些都严重影响了其在光伏市场上
的推广应用。

正是由于此，近年来国内外非晶硅太阳能电池研究的主要方向在于提高电池的光电转换效率和光致稳定性，其具体研究方向及成果体现在：①采用有不同带隙的多结迭层(常见的如a—si／t~c—sil_5)来提高电池转换效率和性能稳定性；②降低表面光反射；③改进电池结构；④使用更薄的i层，增强内电场，降低光诱导衰减。

1、表面减反射(ARC)技术
光在进入太阳能电池前，在前面玻璃的上下两个界面上会损失各3％左右的入射光。

通过在前面玻璃上下两个界面镀上减反射膜可以将光损失各降至1％。

2、光陷阱技术
光陷阱结构主要由3部分组成：前面透明导电氧化物薄膜fTCO)，中间反射层和背电极反射层。

当光通过前面的透明导电氧化物薄膜时，表面经过特珠处理的TCO薄膜对光的散射作用，提高了非晶硅薄膜对短波长光的吸收率。

当一部分长波长光透过多晶硅薄膜到达背电极时，背电极反射层会将这部份光再反射回来，通过和中间反射层配合，这部分长波长光会在多晶硅薄膜层中被反复反射，增加了在电池中的光程，从而大幅度提高了多晶硅薄膜对长波长光的吸收和利用。

3、叠层太阳能电池技术
非晶硅薄膜电池的带隙较宽，实际可利用的主要光谱域是0．35～0．7nm 波长，相对地较窄，故无法充分利用长波长的光能。

其它材料薄膜太阳电池(如微晶硅薄膜)可以利用波长比0．7m更长的光能，如果把具有不同带隙材料的薄膜电池叠加，则可利用更宽谱域的光能，由此可提高太阳电池的效率。

双节异质叠层太阳电池中，利用宽带隙材抖(如非晶硅薄膜)作顶电池，将短
波长光能转变为电能；利用窄带隙材料(如多晶硅薄膜)作底电池，将长波长能转变为电能。

由于更加充分地利用了阳光的谱城，异质叠层太阳电池应有更高的光电转换效率，同时具有抑制光致衰退的效果。

4、少数载流子寿命提高技术
太阳能电池是一种少数载流子工作器件，当光照射到一个P型半导体的表面上，光在材料内的吸收产生电子与空穴对。

在这种情况下电子是少数载流子，它的寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生存的时间。

少数载流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率，因此要提高电池的转换效率，就必须设法减少少数载流子在电池内的复合，从而增加少数载流子的寿命。

减薄非晶硅薄膜太阳电池的i层厚度可以增强内建电场，减少光生载流子通过带隙缺陷中心和成光生亚稳中心复合的几率，又可以增加载流子移动速率、同时增加电池的量子收集效率和稳定性。

但是，如果i层太薄又会影响人射光的充分吸收，导致电池效率下降。

为了达到最优效果，必须通过工艺优化i层的厚度。

5、降低太阳能电池的串联电阻损失技术
(1)降低前面透明导电氧化物薄膜的串联电阻
通过研发新型的透明导电氧化物薄膜如氧化锌，及优化其工艺和薄膜结构，降低前面透明导电氧化物薄膜的串联电阻。

(2)降低TCO，P的界面电阻
在前面透明导电氧化物薄膜和P层的界面处插入掺杂层，以降低界面接触电阻，克服界面壁垒。

(3)降低P层的电阻
研发新型P层材料，采用宽带隙高电导的微晶薄膜如uc—Sic，减少电池的串联电阻，并且减少P层的光吸收损失。

得益于以上研究成果，非晶硅电池的S—w效应得到了改善，性能稳定性得以很大程度上的提高，光致衰减率从以往的3O％以上下降到了15％以下，电池转换效率也得到了一定的提高，单结、双结、三结电池的实验室稳定效率分别达到6．0％～8．0％、10．0％与13．0％。

此外加上非晶硅低的制造成本、较好的光伏建筑一体化性能，使得其得到了较好的发展。

大部分生产企业都将集中在非晶硅薄膜太阳能电池业，这是因为非晶硅薄膜太阳能电池业进入障碍最小，大多数公司可以通过如Applied Materials和O—erlikon公司作为“交钥匙”直接购买生产设备。

大约有53％的薄膜太阳能电池公司使用非晶硅薄膜技术，预计到2010年，非晶硅薄膜将占薄膜太阳能电池产量的一半，其产量在未来薄膜太阳能电池中更将使占据主要份额。

六、结语
非晶硅太阳能电池材料硅薄膜厚度不到1um，成本低；制作工艺为低温工艺(100—30O℃)，生产的耗电量小，能量回收时间短。

虽然在转换效率方面略逊于晶体硅太阳能电池，但制造成本低廉、能耗小是晶体硅太阳能电池不能比的。

要解决制造晶体硅类太阳能电池成本高、能耗大、有污染的问题，使太阳能行业真正变成最环保的产业，只能大力发展非晶硅太阳能电池。

晶体硅太阳能电池所需的高纯多晶硅价格飙升，使得晶体硅电池价格上涨，为非晶硅太阳能电池带来了行业机会。

非晶硅必将占领太阳能电池的绝大部分市场。