硅基薄膜电池基础
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dential
光谱特征： 光谱特征：AM1.5
Light
Θ
cosΘ=2/3 (48.2o) Θ
AM1.5=1/cosΘ
Best Solar Confidential
组件效率Eff计算 组件效率 计算
Eff =Pm/（1000W/m2×组件面积) 例如公司电池片输出功率为480W，面积为5.7m2 ， 则效率η=480/(1000*5.7)=8.42% Stable Eff & Initial Eff Initial Eff 初始最大输出功率 稳定最大输出功率 Stable Eff LID (初始功率-稳定功率)/初始功率
一、太阳能电池分类汇总
薄膜太阳电池分类 硅基薄膜太阳电池的发展 薄膜电池的光照性能衰退现象 电池光电转换效率的计算 电池片的应用
3
Best Solar Confidential
薄膜太阳电池简介
United Solar(~8%) ,EPV(5~6%) US
非晶,非晶 微晶(a-Si,a-Si/µc-Si) 非晶/微晶 硅薄膜 非晶 非晶 微晶 µ
2、制备方式 、
磁控溅射 电子束蒸发
DC-磁控溅射 磁控溅射 RF-磁控溅射 磁控溅射
Best Solar Confidential
FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡
薄膜太阳能电池
1、应用范围
优点: 成本低,制备技术相对成熟 制备技术相对成熟,耐热性能好 优点 成本低 制备技术相对成熟 耐热性能好 缺点: 缺点 Sn4+易被氢离子还原 易被氢离子还原
非晶硅/微晶硅电池的未来结构 非晶硅 微晶硅电池的未来结构
Best Solar Confidential
非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应 效应) 四 、非晶硅的光照衰退 效应
光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能 下降并逐渐趋于稳定；若样品在160℃下退火，电学性能 可恢复原值(S-W效应) 非晶硅制造过程中Si-Si弱键的作用
9~13
透过率（ %)
A Haze Compensated Transmissiion B Direct Transmission
600
700
800
900
波 长 （ nm)
Best Solar Confidential
薄膜太阳能电池的未来
更低的成本
100% 80% 60% 40% 20% 0% Watts per Module Materials Cost Reduction Operational Imrovements Final Cost
Best Solar Confidential
Oerlikon AMAT Kanaka Sharp……..
?
6
三、硅基薄膜电池优缺点 硅基薄膜电池优缺点 优点: 优点:
耗材少: 硅薄膜太阳电池的厚度在2 耗材少: 硅薄膜太阳电池的厚度在2μm左右其厚度只有晶硅电池的1% 左右其厚度只有晶硅电池的1% 能耗低:硅薄膜电池制备工艺200 左右，而晶体硅核心工艺需要1000 能耗低:硅薄膜电池制备工艺200OC 左右，而晶体硅核心工艺需要1000OC 无毒， 无毒，无污染 更多的发电量 a.良好的弱光性 使得在阴雨天比晶体硅电池有多10% 良好的弱光性: 10%左右的发电量 a.良好的弱光性:使得在阴雨天比晶体硅电池有多10%左右的发电量 b.高温性能好 温度系数低, 高温性能好: b.高温性能好:温度系数低,使得薄膜电池在高温工作状况下同样有比晶体硅 电池 高的发电量 美观、 美观、大方 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配， 环境， 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外 环境，加 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 应用稳定性更好 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以， 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加 方便、可靠。 方便、可靠。 能源回收期短 成本低且下降空间大
10.0%
9.5%
Intermediate Layer (SOIR)
9.0%
8.5%
Q1 Q2 Q3
ZnO:Ag + TCO
Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
CY2009
CY2010
CY2011
CY2012
CY2013
26
Best Solar Confidential
硅基薄膜太阳电池基础知识 介绍
部门: 部门 技术部 2010年5月31日 年 月 日
1
Best Solar Confidential
提 纲
太阳电池分类 硅基薄膜太阳电池的发展 硅基薄膜太阳电池的优缺点 薄膜电池的光照性能衰退现象 电池光电转换效率的计算 薄膜电池工艺基础简介
2
Best Solar Confidential
Today
实验室: Triple 电池 ~ 15.3% 产业化: 非晶硅/微晶硅叠层电池 G5 (1.1*1.3M2) ~ 9.6% G8.5(2.2*2.6M2) ~8.5%
5
Best Solar Confidential
硅基薄膜太阳电池的技术发展
EPV, Oerlikon, AMAT
EPV
EPV 泉州金太阳 Unit-solar
Leybold Optics(~9.5%) German Kaneka, Sharp ( 8~10%) Japan
LG, 周星 周星(~9.6%) 韩国 正泰(~9.0%),天威 正泰 天威(6`7%),新奥 新奥 天威 (8~8.5%),金太阳 金太阳(~8%%),尚德 尚德(6`7%), 金太阳 尚德 百世德(8~8.5%) 中国 百世德
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六、 薄膜电池工艺简介
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叠层电池结构
Ag (130~200nm) AZO(~100nm) μc-Si(~1.7μm) SiO2(100nm) a-si(~300nm) TCO(700~1000nm) SiO2(20~40nm)
TJ Cost: - 40%
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更高的效率
$ Production/watt =
12.0%
Cost/m2 Watt/m2
Driving Cost Down Driving Watts Up
Project - X
11.0%
10.5%
Enhanced Light Trapping
1 、应用范围
优点: 稳定性好;近红外高透过率 近红外高透过率,不受氢 优点 稳定性好 近红外高透过率 不受氢 离子还原作用 缺点：成本较高 产品有待验证 缺点：成本较高,产品有待验证
2、制备方式 、
磁控溅射+制绒 磁控溅射 制绒 ( leybold optics, PIA Nova, 信义玻璃 )
120 100
1.0
Current/A
Power/W Power/W
80 60 40 20
0.5
0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
Voltage/V
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名词解释
Pm：在标准环境下的输出功率，等于Vm*Im ：在标准环境下的输出功率，等于 Voc：为电池片在不带任何负载下的电压 ： Isc：为电池片正负极短路条件的电流 ： Vm：为最大输出功率时对应的电压 ： Im：为最大输出功率时对应的电流 ： FF： FF：为Pm/(Voc*Isc) Rs：表征电池内部的串联电阻 ： Rsh：表征电池元之间的并联电阻 ：
90%
85%
80%
0
20
40
衰减时间（天）
60
80
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五、电池的光电转换效率计算
测试环境
标准条件（ ） 标准条件（STC） • 光强：光功率密度为 光强：光功率密度为1000W/m2 • 光谱特征：AM1.5 光谱特征： • 环境温度：25℃ 环境温度： ℃
碲镉系(CdTe) 碲镉系 金属薄膜
铜铟系(CIS,CIGS) 铜铟系
First Solar， US ，
JST German 中国
山东孚日股份
染料薄膜和有机薄膜(TiO2) 染料薄膜和有机薄膜
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二 、硅基薄膜太阳电池的发展
History
1975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂， 1976年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4% 1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器； 1987年掺C, 掺Ge,光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达12%(Initial)；面 积从0.1M2 发展到0.3M2 , Module 功率14W( stable Eff ~5%) 1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应
Best Solar Confidential
TCO与薄膜太阳能电池的关联 与薄膜太阳能电池的关联
Ag
ZnO:Al
n:a-si
i:a-si p:a-si TCO(SnO2:F) glass
光生电压Voc
+
TCO用于薄膜电池的前电极 用于薄膜电池的前电极
Sunlight
薄膜太阳能电池
Best Solar Confidential
其他 (GAO,ATO, …..)
Best Solar Confidential
ITO(In2O3:Sn) 氧化铟(锡)
主要平板显示器、液晶显示、 主要平板显示器、液晶显示、触摸屏
1、应用范围 、
薄膜太阳能电池(CIGS、HIT) 、 薄膜太阳能电池 缺点: 成本高， 缺点 成本高，热性能较差 (耐还原性差 在等离子体下易被还原 耐还原性差, 在等离子体下易被还原) 耐还原性差
TCO作为薄膜电池前电极的性能要求 作为薄膜电池前电极的性能要求
透光性: 透光性 可见光 (Transimission)>80%
表面绒面度: 表面绒面度 (Roughness) 12~15% 85
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 400 500
A B
面电阻 R□
Best Solar Confidential
TCO简介 简介
TCO( transparent conductive oxide) [透明导电氧化物 的分类 透明导电氧化物]的分类 透明导电氧化物
ITO(In2O3:Sn) 氧化铟 锡) 氧化铟(锡 FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡 ZAO (ZnO: Al) 掺铝氧化锌
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SOL: I-V曲线指标介绍 曲线指标介绍(Q-size) 曲线指标介绍
1.5 160 140
Voc=144.896V Isc=1.326A 2 Jsc=10.854 mA/cm Pmax=141.089W Vmp=115.741V Imp=1.219A Eff=9.87% FF=73.433% Rs=12 ohm Rsh=4022 ohm Glass ID=B2BFAS011005050013PF Test time=2010-05-20
Best Solar Confidential
薄膜太阳电池LID测试 ( IEC认证 测试 认证) 薄膜太阳电池 认证
资料来源:应用材料
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光老化试验
相对功率
100% 9124-22-3-01 9124-22-3-05 9124-22-3-09
95% Pm(a.u.)
BestSOLAR Confidential Best Solar Confidential
硅基薄膜太阳电池缺点以及应对
缺点
前期资金投资大 光致衰退(S-w效应) 效率偏低
解决方案
设备、原材料国产化 减薄非晶硅层, 改善光衰 叠层电池如非晶硅/微晶硅,改善光衰,提高效率 改善各层材料间界面性能，提高功率 新产品的开发、新材料、新工艺
在线式APCVD(浮法线 浮法线) 在线式 浮法线 glass) , NSG
AGC (Asahi float
2、制备方式: APCVD法 、制备方式 法
离线式APCVD(离线式 离线式) 离线式 离线式
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ZnO:Al(ZAO)氧化锌 氧化锌
a-si; uc-si; a-si/uc-si
光谱特征： 光谱特征：AM1.5
Light
Θ
cosΘ=2/3 (48.2o) Θ
AM1.5=1/cosΘ
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组件效率Eff计算 组件效率 计算
Eff =Pm/（1000W/m2×组件面积) 例如公司电池片输出功率为480W，面积为5.7m2 ， 则效率η=480/(1000*5.7)=8.42% Stable Eff & Initial Eff Initial Eff 初始最大输出功率 稳定最大输出功率 Stable Eff LID (初始功率-稳定功率)/初始功率
一、太阳能电池分类汇总
薄膜太阳电池分类 硅基薄膜太阳电池的发展 薄膜电池的光照性能衰退现象 电池光电转换效率的计算 电池片的应用
3
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薄膜太阳电池简介
United Solar(~8%) ,EPV(5~6%) US
非晶,非晶 微晶(a-Si,a-Si/µc-Si) 非晶/微晶 硅薄膜 非晶 非晶 微晶 µ
2、制备方式 、
磁控溅射 电子束蒸发
DC-磁控溅射 磁控溅射 RF-磁控溅射 磁控溅射
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FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡
薄膜太阳能电池
1、应用范围
优点: 成本低,制备技术相对成熟 制备技术相对成熟,耐热性能好 优点 成本低 制备技术相对成熟 耐热性能好 缺点: 缺点 Sn4+易被氢离子还原 易被氢离子还原
非晶硅/微晶硅电池的未来结构 非晶硅 微晶硅电池的未来结构
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非晶硅的光照衰退(Staebler-Wronski效应 效应) 四 、非晶硅的光照衰退 效应
光致衰退现象：非晶硅电池在强光下照射数小时，电性能 下降并逐渐趋于稳定；若样品在160℃下退火，电学性能 可恢复原值(S-W效应) 非晶硅制造过程中Si-Si弱键的作用
9~13
透过率（ %)
A Haze Compensated Transmissiion B Direct Transmission
600
700
800
900
波 长 （ nm)
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薄膜太阳能电池的未来
更低的成本
100% 80% 60% 40% 20% 0% Watts per Module Materials Cost Reduction Operational Imrovements Final Cost
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Oerlikon AMAT Kanaka Sharp……..
?
6
三、硅基薄膜电池优缺点 硅基薄膜电池优缺点 优点: 优点:
耗材少: 硅薄膜太阳电池的厚度在2 耗材少: 硅薄膜太阳电池的厚度在2μm左右其厚度只有晶硅电池的1% 左右其厚度只有晶硅电池的1% 能耗低:硅薄膜电池制备工艺200 左右，而晶体硅核心工艺需要1000 能耗低:硅薄膜电池制备工艺200OC 左右，而晶体硅核心工艺需要1000OC 无毒， 无毒，无污染 更多的发电量 a.良好的弱光性 使得在阴雨天比晶体硅电池有多10% 良好的弱光性: 10%左右的发电量 a.良好的弱光性:使得在阴雨天比晶体硅电池有多10%左右的发电量 b.高温性能好 温度系数低, 高温性能好: b.高温性能好:温度系数低,使得薄膜电池在高温工作状况下同样有比晶体硅 电池 高的发电量 美观、 美观、大方 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配， 环境， 电池组件的颜色与建筑物的颜色比较容易匹配，美化室内外 环境，加 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 上精细、整齐的激光切割线，使建筑物更加美观、大方，更有魅力。 应用稳定性更好 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以， 由于非晶硅太阳电池的电流密度较小,热斑效应不明显，所以，使用起来更加 方便、可靠。 方便、可靠。 能源回收期短 成本低且下降空间大
10.0%
9.5%
Intermediate Layer (SOIR)
9.0%
8.5%
Q1 Q2 Q3
ZnO:Ag + TCO
Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
CY2009
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CY2011
CY2012
CY2013
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部门: 部门 技术部 2010年5月31日 年 月 日
1
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提 纲
太阳电池分类 硅基薄膜太阳电池的发展 硅基薄膜太阳电池的优缺点 薄膜电池的光照性能衰退现象 电池光电转换效率的计算 薄膜电池工艺基础简介
2
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Today
实验室: Triple 电池 ~ 15.3% 产业化: 非晶硅/微晶硅叠层电池 G5 (1.1*1.3M2) ~ 9.6% G8.5(2.2*2.6M2) ~8.5%
5
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硅基薄膜太阳电池的技术发展
EPV, Oerlikon, AMAT
EPV
EPV 泉州金太阳 Unit-solar
Leybold Optics(~9.5%) German Kaneka, Sharp ( 8~10%) Japan
LG, 周星 周星(~9.6%) 韩国 正泰(~9.0%),天威 正泰 天威(6`7%),新奥 新奥 天威 (8~8.5%),金太阳 金太阳(~8%%),尚德 尚德(6`7%), 金太阳 尚德 百世德(8~8.5%) 中国 百世德
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六、 薄膜电池工艺简介
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叠层电池结构
Ag (130~200nm) AZO(~100nm) μc-Si(~1.7μm) SiO2(100nm) a-si(~300nm) TCO(700~1000nm) SiO2(20~40nm)
TJ Cost: - 40%
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更高的效率
$ Production/watt =
12.0%
Cost/m2 Watt/m2
Driving Cost Down Driving Watts Up
Project - X
11.0%
10.5%
Enhanced Light Trapping
1 、应用范围
优点: 稳定性好;近红外高透过率 近红外高透过率,不受氢 优点 稳定性好 近红外高透过率 不受氢 离子还原作用 缺点：成本较高 产品有待验证 缺点：成本较高,产品有待验证
2、制备方式 、
磁控溅射+制绒 磁控溅射 制绒 ( leybold optics, PIA Nova, 信义玻璃 )
120 100
1.0
Current/A
Power/W Power/W
80 60 40 20
0.5
0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
Voltage/V
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名词解释
Pm：在标准环境下的输出功率，等于Vm*Im ：在标准环境下的输出功率，等于 Voc：为电池片在不带任何负载下的电压 ： Isc：为电池片正负极短路条件的电流 ： Vm：为最大输出功率时对应的电压 ： Im：为最大输出功率时对应的电流 ： FF： FF：为Pm/(Voc*Isc) Rs：表征电池内部的串联电阻 ： Rsh：表征电池元之间的并联电阻 ：
90%
85%
80%
0
20
40
衰减时间（天）
60
80
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五、电池的光电转换效率计算
测试环境
标准条件（ ） 标准条件（STC） • 光强：光功率密度为 光强：光功率密度为1000W/m2 • 光谱特征：AM1.5 光谱特征： • 环境温度：25℃ 环境温度： ℃
碲镉系(CdTe) 碲镉系 金属薄膜
铜铟系(CIS,CIGS) 铜铟系
First Solar， US ，
JST German 中国
山东孚日股份
染料薄膜和有机薄膜(TiO2) 染料薄膜和有机薄膜
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二 、硅基薄膜太阳电池的发展
History
1975年Spear等在非晶氢硅中实现可控掺杂， 1976年美国RCA实验室制成了世界上第一个非晶硅太阳电池效率2.4% 1980年日本三洋电器公司利用非晶硅太阳电池制成袖珍计算器； 1987年掺C, 掺Ge,光陷阱工艺非晶硅电池转化效率达12%(Initial)；面 积从0.1M2 发展到0.3M2 , Module 功率14W( stable Eff ~5%) 1988年与建筑材料相结合的非晶硅太阳能电池投入应
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TCO与薄膜太阳能电池的关联 与薄膜太阳能电池的关联
Ag
ZnO:Al
n:a-si
i:a-si p:a-si TCO(SnO2:F) glass
光生电压Voc
+
TCO用于薄膜电池的前电极 用于薄膜电池的前电极
Sunlight
薄膜太阳能电池
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其他 (GAO,ATO, …..)
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ITO(In2O3:Sn) 氧化铟(锡)
主要平板显示器、液晶显示、 主要平板显示器、液晶显示、触摸屏
1、应用范围 、
薄膜太阳能电池(CIGS、HIT) 、 薄膜太阳能电池 缺点: 成本高， 缺点 成本高，热性能较差 (耐还原性差 在等离子体下易被还原 耐还原性差, 在等离子体下易被还原) 耐还原性差
TCO作为薄膜电池前电极的性能要求 作为薄膜电池前电极的性能要求
透光性: 透光性 可见光 (Transimission)>80%
表面绒面度: 表面绒面度 (Roughness) 12~15% 85
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 400 500
A B
面电阻 R□
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TCO简介 简介
TCO( transparent conductive oxide) [透明导电氧化物 的分类 透明导电氧化物]的分类 透明导电氧化物
ITO(In2O3:Sn) 氧化铟 锡) 氧化铟(锡 FTO( SnO2:F) 掺氟氧化锡 ZAO (ZnO: Al) 掺铝氧化锌
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SOL: I-V曲线指标介绍 曲线指标介绍(Q-size) 曲线指标介绍
1.5 160 140
Voc=144.896V Isc=1.326A 2 Jsc=10.854 mA/cm Pmax=141.089W Vmp=115.741V Imp=1.219A Eff=9.87% FF=73.433% Rs=12 ohm Rsh=4022 ohm Glass ID=B2BFAS011005050013PF Test time=2010-05-20
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薄膜太阳电池LID测试 ( IEC认证 测试 认证) 薄膜太阳电池 认证
资料来源:应用材料
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光老化试验
相对功率
100% 9124-22-3-01 9124-22-3-05 9124-22-3-09
95% Pm(a.u.)
BestSOLAR Confidential Best Solar Confidential
硅基薄膜太阳电池缺点以及应对
缺点
前期资金投资大 光致衰退(S-w效应) 效率偏低
解决方案
设备、原材料国产化 减薄非晶硅层, 改善光衰 叠层电池如非晶硅/微晶硅,改善光衰,提高效率 改善各层材料间界面性能，提高功率 新产品的开发、新材料、新工艺
在线式APCVD(浮法线 浮法线) 在线式 浮法线 glass) , NSG
AGC (Asahi float
2、制备方式: APCVD法 、制备方式 法
离线式APCVD(离线式 离线式) 离线式 离线式
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ZnO:Al(ZAO)氧化锌 氧化锌
a-si; uc-si; a-si/uc-si