形成异质叠层太阳电池的材料的带隙必须有恰当的匹配才可能获得最侄的效果。目前流的非晶硅铐为基础的异质叠层太阳电池较好的匹配带隙分别为1.8eV、1.6eV、1.4eV。......
2023-11-18
非晶硅太阳电池的创新
【摘要】：这就是后来的太阳电池用a—Si材料的主要制备方法。总之，非晶硅太阳电池既是应用需求的产物，又是非晶半导体技术探索和基础理论研究的结果。
1.社会需求催生a-Si太阳电池
太阳电池在20世纪70年代中期诞生，应视为，发明科学家力图使自己从事的科研工作适应：会需求的一个范例。他们在报告中提出了发明非晶太阳电池的两大目标：与昂责的晶体硅J日电池竞争；利用非晶硅太阳电池发电，与常规能源竞争。70年代曾发生过有名的能源危机；这种背景催促科学家把对a-Si材料的一般性研究转向廉价太阳电池应用技术创新，这种创新实际上又是非晶半导体向晶体半导体的第三次挑战。太阳电池本来是晶体硅的应用领域，挑战者称，太阳电池虽然是高品位的光电子器件，但不一定要用昂责的晶体半导体材料制造，廉价的非晶硅薄膜材料也可以胜任。
2.非晶硅太阳电池的理论与技术基础的确立
无定形材料第一次在光电子器件领域崭露头角是在1950年。当时人们在寻找适用于电视摄像管和复印设备用的光电导材料时找到了无定形硒（a—Se）和无定形三硫化锑（a—SbS3）。当时还不存在非晶材料的概念及有关的领域，而晶体半导体的理论基础一一能带理论，早在20世纪30年代就已成熟。晶体管已经发明。晶体半导体光电特性和器件开发正是热点。而a-Se和a-SbS3这类材料居然在没有基础理论的情况下发展成为产值在十亿美元的大产业，非晶材料的这第一次挑战十分成功，还启动了对非晶材料的科学技术研究。1957年斯皮尔成功地测量了a-Se材料的漂移迁移率，1958年美国的安德松第一次在论文中提出，无定形体系中存在电子局域化效应。1960年，前苏联人约飞与热格尔在题为“非晶态、无定形态及液态电子半导体”的文章中，提出了对非晶半导体理论有重要意义的论点，即，决定固体的基本电子特性是属于金属还是半导体还是绝缘体的主要因素是构成凝聚态的原子短程结构，即最近邻的原子配位情况。从1960年起，人们开始致力于制备a—Si和aGe薄膜材料。早先采用的主要是溅射法。同时有人系统地研究了这些薄膜的光学特性。1965年斯特林等人第一次采用辉光放电（GD）或等离子体增强化学气相沉积（简为PECVD）制备了氢化无定形硅（a—Si：H）薄膜.这种方法采用射频电磁场激励低压硅烷等气体，辉光放电化学分解，在衬底上形成a—Si薄膜。这就是后来的太阳电池用a—Si材料的主要制备方法。
1960年发生了非晶半导体在器件应用领域向晶体半导体的第二次挑战.这就是当年美国人欧夫辛斯基发现硫系无定形半导体材料具有电子开关存储作用。这个发现在应用上虽然：不算成功，但在学术上却具有突破性的价值。诺贝尔奖获得者莫特称，这比晶体管的发明还重要。它把科学家的兴趣从传统的晶体半导体材料引向了非晶半导体材料。掀起了研究非晶：半导体材料的热潮。我国也正是在20世纪60年代末期开始从事此领域的研究的。从1966年到1969年有关科学家深入开展了基础理论研究，解决了非晶半导体的能带理论。提出了电子能态分；布的Mott—CF0模型和迁移边的思想。(www.chuimin.cn)
电子能带理论是半导体材料和器件的理论基础。它可以指导半导体器件的设计和工艺，分16f1i4fo器件的性能。尽合目前非晶硅能带理论还不很完善，也存在争议，但毕竟为非晶半导体器件提供了理论上的依据。
3.a-Si太阳电池的基本结构
对a-Si薄膜掺杂以控制其导电类型和电导数量的工作，1975年第一次由莱康柏和斯皮尔实现。同时也就实现了a-SiPN结的制作。事实上，由于a-Si多缺陷的特点，掺杂往往使缺陷密度进一步增加，a-Si太阳电池基本结构不是PN结而是PIN结。掺硼形成P区，掺磷形成N区，I为非杂质或轻掺B的本征层（因为非掺杂a-Si是弱N型）。重掺杂的P、N区在电池内部形成内建势，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。I区是光敏区。光电导/暗电导比在105~106。此区中光生电子空穴是光伏电力的源泉。非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅光电子跃迁的选择定则。使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。对光子的吸收系数很高，对敏感谱域的光吸收殆尽。所以，P/I/N结构的a-Si电池的厚度取5000pm左右，而作为死光吸收区的P、N层的厚度限制在100pm量级。
总之，非晶硅太阳电池既是应用需求的产物，又是非晶半导体技术探索和基础理论研究的结果。科技创新与社会需求相结合产生巨大的价值。当今每一项科技创新都包含技术探索和基础理论研究两方面，不可偏废其中之一。当然，不同课题或一个课题的不同发展阶段，侧重点会有不同。科学技术发展史上，有些领域先形成的基础理论，等待技术成熟后才结出硕果。也有些领域先产生应用技术，技术发展推动基础理论研究，产生理论成果。理论的确立又指导应用技术走向成熟。
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