薄膜太阳能电池

强强

    摘
    要：
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正得到迅猛发展，该文阐述了ａ，ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的原
    理、结构、研究进展及应用前景。
    关键词：
    非晶硅；
    太阳能电池；
    薄膜
   
    ２０世纪６０年代，辉光放电法（ｇｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ） 薄膜制备技术取得一系列重大进展，使人们认识到 可以将同样具有光伏效应的非结晶状态的硅以薄膜 形式镀制在廉价的玻璃基板上。在美国ＲＣＡ实验 室Ｃａｒｌｓｏｎ和Ｗｒｏｎｓｋｉ的共同努力下，第１块ａ．Ｓｉ：Ｈ （非晶硅）薄膜太阳能电池于１９７６年问世，从此拉开 了薄膜光伏技术研究与发展的序幕，目前非晶硅薄 膜太阳能电池正在进入显著的技术进步和规模化应 用阶段。
    １
    对。由于内建电场的存在，产池两侧引出电极并接 上负载，负载中就有“光生电流”通过，得到可利用的 电能，这就是太阳能电池发电的基本原理【１’２ｊ。若 把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来， 组成太阳能电池组件；在太阳光的照射下，便可获得 相当可观的电能。
    ２
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的结构
    目前，非晶硅太阳能电池的结构类型有很多，基
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的原理
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的工作原理是基于Ｐ—
    本的结构形式有肖特基势垒型（包括ＭＩＳ）、异质结 构型和ｐｉｎ型等。其中最重要的是ｐｉｎ型，其典型的 结构如图１所示，它是在玻璃（Ｇｌａｓｓ）衬底上沉积透 明导电膜（ＴＣＯ），然后依次用等离子体增强化学气 相法（ＰＥＣＶＤ）沉积Ｐ型、ｉ型、ｎ型３层ａ—Ｓｉ，接着再 蒸镀金属电极铝／钛（Ａｌ／ｒｉ）。它具有以下优点：１） ｐｉｎ结构是利用Ｐ层和和ｉ层形成的体结，因而能避 免金属和非晶硅之间的界面状态对电池特性的影 响，这样制备电池的重复性好，性能稳定；２）电池的 各层全部由非晶硅构成，材料便宜，工艺简便且可连 续生产；３）设计的灵活性大。正因为ｐｉｎ结构有这
    Ｎ结的光生伏打效应：当Ｎ型半导体与Ｐ型半导体 通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就 形成了Ｐ—Ｎ结；由于多数载流子的扩散，形成了空 间电荷区，并形成一个不断增强的从Ｎ型半导体指 向Ｐ型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂 移；达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流
    相等。如果光照在Ｐ—Ｎ结上，而且光能大于Ｐ—Ｎ
    结的禁带宽度，则在Ｐ—Ｎ结附近将产生电子一空穴
   
    究指出，ａ．Ｓｉ光伏系统在经过１年或２年的１０％初 始功率衰减后可望获得可靠和恒定的功率输出。目 前，最好的电池和组件的稳定化转换效率已超过 １０％，而稳定化效率达到１０％是ａ—Ｓｉ电池能得以大 规模应用的转折点。表１列出了最近报道的有关数 据。
    表１
    ａ－Ｓｉ薄膜太阳能电池和组件的最高稳定效率ｆ３?４Ｊ
    ３．２
    ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池存在的主要问题 为了使薄膜太阳能发电能够与其它商业化的发
    电方式进行竞争，假设模块的稳定转换效率为
    太阳光一
    图１
    玻 璃
    铝
    Ｐ Ｉ Ｎ
    ８．５％，那么非晶硅太阳能电池模块的生产成本就必 须低于每瓦１．４美元，才具有竞争力［１１】。在可见光 范围内，非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数，因此实
    Ｃ Ｃ
    电
    极
    ａ－Ｓｉ：Ｈ太阳电池的典型结构示意图
    现光伏转换所需的膜层厚度仅为０．３～０．４５／．ｔｍ，且 每瓦所需硅的量极少。在每一阶段，制造非晶硅太 阳能电池所需消耗的电能比生产单晶硅太阳能电池 少，对于非晶硅太阳能电池，制造电池所需消耗的电 能成本的回报肘问约为０．６～１．５年。目前尽管在 ａ—ｓｉ太阳能电池的开发中取得的进步给人留下了深 刻的印象。但尚有一些为确保技术上长期成功必须 解决的问题。 现在非晶硅薄膜太阳能电池的研究和开发一般 分为：１）提高转换效率；２）提高稳定性；３）开发批 量生产技术。 在提高非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率和稳 定性方面，人们开展了许多制造方法、材料和器件结 构方面的研究，其中叠层薄膜太阳能电池是一个重 要的开发方向。
    ３．３
    ３
    ａ．ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的进展、存
    在问题及改进
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的发展现状 在光伏市场中，ａ．ｓ．电池是目前最实用化的薄
    ３．１
    膜电池，它易于进行大面积自动化生产，制造过程能 耗低，原材料消耗少，非晶硅（ａ．ｓｉ）的ＰＶ产品大部 分用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费产品，但 近几年也开发了非晶硅太阳能电池模块发电。由于 其极低的生产成本，在日本“新阳光计划”下的ＰＶ 推广项目已对非晶硅薄膜太阳能电池进行了约２０ 年的探索开发［９＇ｌｌｊ。目前非晶硅（ａ—Ｓｉ）单结薄膜太 阳能电池的最高转换效率为１３．２％，然而，在太阳 光照射下早期的ａ－Ｓｉ太阳能电池模块的转换效率的 衰减一般达到３０％～５０％。因此主要的科研力量 已从提高初始转换效率转到稳定的转换效率上来， 并且ａ．ｓｉ太阳能池的结构也从单结研究转到多结研 究上来，以改进其稳定性并提高转换效率。多结非 晶硅ａ．ｓｉ太阳能电池是使用对应于不同太阳光谱部 分的不同光伏材料膜层来制作的，现在已有若干研
    ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池制备方法、材料和结 构的改进 在制造方法方面有：电子回旋共振法、光化学气
    相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢 法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温 过程（～２００℃），易于实现大面积和大批量连续生
    ５
    万方数据
    ２００９年第３０卷第５期 产，现成为国际公认的成熟技术。 在制备工艺上采用了用Ｈ等离子体化学退火 法、Ｈ２稀释法、Ｈｅ稀释法以及掺入氟等惰性气体法 等，均取得了一定效果。 在材料研究方面，先后研究了用ａ．ＳｉＣ或肛Ｄ ＳｉＣ代替ａ．Ｓｉ做窗口层、采用梯度界面层、ｐＣ－ＳｉＣ做 Ｐ层等，明显改善了电池的短波光谱响应。这是由 于ａ．Ｓｉ太阳能电池光生载流子的生成主要在ｉ层， 入射光到达ｉ层之前部分被Ｐ层吸收对发电是无效 的。而ａ．ＳｉＣ和ｐＣ－ＳｉＣ材料比Ｐ型ａ．Ｓｉ具有更宽的 光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达ｉ层的光 增加；加之梯度界面层的采用，改善了ａ．ＳｉＣ／ａ．Ｓｉ异 质结界面光电子的输运特性。 在增加长波响应方面，采用了绒面ＴＣｏ膜代替 平面、并采用绒面多层背反射电极和多带隙叠层结 构，即ｌａＳｓ／ＴＣＯ／ｐ１一ｉｌ—ｎ１／ｐ２．ｉ２．ｎ２／ｐ３．ｉ３．ｎ３／ＺｎＯ／ Ａｇ／ＡＩ结构［１２，１４】。绒面ＴＣＯ膜和多层背反射电极 减少了光的反射和透射损失，并增加了光在ｉ层的 传播路程，从而增加了光在ｉ层的吸收。多带隙结 构中，ｉ层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小， 以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应、提高转换 效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐 变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载 流子收集。 为了适应实际应用中高输出电压的需要，又发 展了集成型ａ—Ｓｉ太阳电池子组件，其中多个子电池 可通过蒸发法实现内部联接在一个绝缘衬底上而不 需要任何导线。激光切割技术的使用使有效面积达 到９０％以上，所有这些新技术的采用使小面积ａ—Ｓｉ 太阳电池的转换效率和大面积太阳电池子组件的效 率不断提高。集成型ａ．Ｓｉ：Ｈ太阳电池的内部结构 如下图２所示。下面重点介绍叠层型非晶硅薄膜太 阳能电池。 率达到１０．１％，使用ａ—Ｓｉ／ａ．Ｓｉ叠层电池有利一面是 可以降低生产成本，不利的一面是电池的效率偏低， 因此并不是叠层电池发展的方向。由于非晶硅的能 带结构使其对长波光几乎没有响应，因此为了扩展 太阳光谱的利用范围，从２０世纪８０年代开始，研究 人员把比非晶硅带隙低的ａ．ＳｉＧｅ与ａ．Ｓｉ叠在一起
    形成ａ．Ｓｉ／ａ．Ｓｉ＆双结或者ａ—Ｓｉ／ａ．ＳｉＧｅ／ａ．ＳｉＧｅ三结
    叠层结构。目前，Ｓａｎｙｏ公司的小面积（１ ｃｍ２）ａ—Ｓｉ／ ａ．ＳｉＧｅ电池实现１０．９％的稳定效率【８｜。ＵＳＳＣ公司 的小面积（０．２５ ｃｍ２）ａ－Ｓｉ／ａ—ＳｉＧｅ／ａ—ＳｉＧｅ三结叠层电 池的初始转换效率可达到１４．６％，稳定效率为 １３．０％。但是由于制造能带小于１．５ ｅＶ的器件级 质量的ａ—ＳｉＧｅ比较困难，同时ＧｅＨ４的价格昂贵，研 究人员开始选择另外的材料代替ａ．ＳｉＧｅ。１９９４年， Ｍｅｉｅｒ等人首次使用ＶＨＦ技术沉积微晶硅薄膜太 阳能电池，电池的转化效率超过７％，这证明了微晶 硅薄膜可以用做电池的吸收层。同年，Ｍｅｉｅｒ等人 还首次提出ａ．Ｓｉ／ｍｃ．Ｓｉ叠层电池概念，并使叠层电 池的转化效率达到９．１％。图３左图为ａ．Ｓｉ／ｍｃ—Ｓｉ 的结构示意图，右图为ａ．Ｓｉ／ａ．Ｓｉ薄膜叠层电池与ａ． Ｓｉ／ｍｃ．Ｓｉ薄膜叠层电池的光谱响应图。由于微晶硅 的能带是１．１ ｅＶ，而非晶硅的能带是１．７ ｅＶ左右， 两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。Ｓｈａｈ通 过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到 ３０％以上。这种新型ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳电池大大促 进了对这种材料和电池的研究。目前大面积ａ．Ｓｉ／ ｍｃ—Ｓｉ叠层电池作为下一代薄膜电池已经开始大规 模产业化。
    Ａｌ、
    ａ．Ｓｉ：Ｈ—－一
    ＴＣＯ—７ 图２集成型ａ—Ｓｉ：Ｈ太阳电池的内部结构图 ５
    图３
    ｐ－ｉ．ｎ结构的ａ－ｓｉ／ａ．Ｓｉ叠层电池与
    ａ－Ｓｉ／ｍｃ－Ｓｉ叠层电池的光谱响应图
    ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的应用前景
    目前，ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的应用已从军事
    ４叠层型ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池
    在单结薄膜电池中由于Ｓ－Ｗ效应（光致衰退） 的存在会使电池效率衰退１５％－－３０％，同时在大面 积产业化中非晶硅组件的效率只有５％～７％，严重 影响了产业化的发展。提高ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜电池效率 的一个有效途径是使用叠层电池技术。Ｆｕｊｉ公司在
    １
    领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电 器以及公用设施等部门，尤其可以分散在边远地区、 高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输 电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高。发出１ ｋＷ电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受 到经济上的限制。但是，从长远来看，随着太阳能电 池制造技术的改进以及新的光一电转换装置的发
    ｃｍ２的小面积上实现ａ—ｓｉ／ａ—ｓｉ叠层电池的稳定效
    ６
    万方数据
    建材世界
    明。各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需 求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可 行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟 广阔的前景。薄膜光伏玻璃组件结构完整、美观，弱 光发电效果好．除用于大型光伏电站外，还可安装于 建筑物任何部位并与建筑融为一体，完美演绎建筑 光伏一体化（ＢＩＰＶ）的绿色建筑理念。建筑能源占 世界各国总能耗的５０％左右，发展ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳 能电池技术，以ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜电池代替普通的建筑玻 璃作为玻璃幕墙、光伏屋顶，实现建筑物本身的能源 自给、零污染、零能耗，对于今天广泛提倡的开发和 利用新能源，实现节能减排，建设资源节约型、环境 友好型的自然生态及和谐社会具有十分重要的意
    义。
    ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池经过多年的发展，目前 已经成为光伏产业的一个重要组成部分，文章回顾 了ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池的原理、结构、研究发展 及应用前景。对于光伏产品来说，进一步提高转换 效率和降低成本仍然是薄膜硅电池研究的主要方 向，在未来的几年里，随着一些新技术逐步成熟， ａ．Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池将会有更大的突破。 参考文献