非晶硅太阳电池的初期发展-走近能源

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：非晶硅太阳电池很快就走出了实验室，走进了中试线和较大规模的生产线。世界上出现了许多以a—Si太阳电池为主要产品的企业或企业分支。在八十年代中期，世界上太阳电池的总销售量中非晶硅占有40%。

1.初期的技术进步和繁荣

半导体巨型电子器件——太阳电池可用廉价的非晶硅材料和工艺制作，这就激发了科研人员、研究单位纷纷投入到这个领域的研究中，也引起了企业界的重视和许多国家政府的关注和重视。这就带来了非晶硅太阳电池的大发展。非晶硅太阳电池很快就走出了实验室，走进了中试线和较大规模的生产线。从技术上看，非晶硅太阳电池这一阶段的进步主要表现在：（1）从简单的ITIO/P/I/N（a-Si）/Al发展成为SnO2（F）/Pa-SiC/I—a—Si/N—a—Si/AI这样比较复杂实用的结构。SnO：透明导电膜比ITIO更稳定，成本更低，易于实现织构，从而增加太阳电池对光的吸收。采用a-SiC：H作为P型的窗口层，带隙更宽，减少了P层的光吸收损失，更好地利用入射的太阳光能。（2）对a-Si层和两个电极薄层分别实现了激光划线分割，实现了集成化组件的生产。（3）出现了单空成批生产和多室的流水生产非晶硅薄膜的两种方式。在生产上还出现了以透明导电玻璃为衬底的组件生产和以柔性材料（如不锈钢）为衬底的两种电池组件的生产方式。世界上出现了许多以a—Si太阳电池为主要产品的企业或企业分支。例如，美国的CHRONAR、SOLAREx，ECD等，日本有三洋、富士、又普等。CHR0NAR公司是a-Si太阳电池产业开发的急先锋，不仅自己有生产线，还向其它国家输出了多余MW级生产线。美日各公司还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站。最大的有100千瓦容量。在八十年代中期，世界上太阳电池的总销售量中非晶硅占有40%。出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。

2.a-Si太阳电池的优势

技术向生产力如此高速的转化，说明了非晶硅太阳电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：（1）材料和制造工艺成本低。这是因为衬底材料，如玻璃、不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜仅有数千埃厚度，昂责的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺（100℃~300℃），生产的耗电量小/能量回收时间短。（2）易于形成大规模生产能力。这是因为核：心工艺适合制作持大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。（3）品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳电池易子实现集成化。器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，暗电导、良低，适合作制作室内用的低功耗电源，如手表电池、计算器电池等。由于a—Si膜的硅网结构力学性能结实。适合在柔性的衬底上制作轻型的大“电池。灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。

3.发展势头受挫

非晶硅太阳电池尽管有如上诸多的优点，缺点也是很明显的.主要是初始光电转换效率较低，稳定性较差。初期的太阳电池产品初始效率为5%~6%，标准太阳光强照射一年后，稳定化效率为3%~4%在弱光下应用当然不成问题。但是在室外强光下，作为功率发电使用时，稳定性成了比较严重的问题。功率发电的试验电站性能衰退严重，寿命较短，严重影响消费者的信心，造成市场开拓的困难，有些生产线倒闭，比如CHRONAR公司。

第一阶段a-Si太阳电池产品性能衰退问题实际上有两个方面，即封装问题和构成电池的a-Si材料不稳定性问题。封装问题主要是：封装材料老化和封装存在缺陷，环境中的有害气氛对电池的电极材料和电极接触造成损害，使电池性能大幅度下降甚至于失效。解决这一问题主要靠改进封装技术，在采取了玻璃层压封装（这是指对玻璃衬底的电池）和多保护层的热压封装（对不锈钢衬底电池），基本上解决了封装问题。目前的太阳电池使用寿命已达到10年以上。

a-Si薄膜在强光（通常是一个标准太阳的光强，100mW/cm2）照射数小时，光电导逐渐下降，光照后暗电导可下降儿个数量级并保持相对稳定；光照的样品在160℃下退火，电导可恢复原值。这就是有名的斯太不拉一路昂斯基效应，简称SWE.暗电导的阿兰纽斯特性测量表明，光照时电导激活能增加。这意味着费未能级从带边移向带隙中央。说明了先照在带隙中部产生了亚稳的能态或者说产生了亚稳缺陷中心。这种亚稳缺陷可以退火消除，根据半导体载流子产生复合理论，禁带中央的亚稳中心的复合几率最大，具有减少先生载流子寿命的作用；同时它又作为载流子的陷阶，引起空间电荷量的增加，降低1层内的电场强度，使先生载流子的自由漂移距离缩短，减少载流子收集效率。这就使太阳电池的性能下降，比较一致的看法是，光致衰退效应与a-Si材料中的氢的移动有关。(www.chuimin.cn)

广泛采用的PECvD法沉积的a-Si膜含有1OI5们勺氢含量，一方面使硅悬键得到了较好的补偿；另一方面，这样高的氢含量远远超过硅悬键的密度。可以肯定他说，氢在a-Si材料中占有激活能不同的多种位置，其中一种是补偿悬键的位置。其它则处于激活能更低的位置。理想的a—si材料应该既没有微空洞等缺陷，也没有SiH2、（SiH2）n、SiH3等等的键合体。材料密度应该尽量地接近理想的晶体硅的密度，硅悬挂键得到适量氢的完全补偿，使得隙态密度低，结构保持最高的稳定性，寻找理想廉价的工艺技术来实现这种理想的结构，应能从根本上消除光致衰退，这是一项非常困难的任务。

4.a-Si太阳电池效率低下的原因

非晶硅太阳电池属于半导体结型太阳电池。可以依据结型太阳电池的模型对其理想的光伏性能作出估算。

光电转换效率

其中Voc，Isc和FF分别为开路电压、短路电流和填充因子，入射光能通常取一个标准太阳的光能，为100mW/cm2，短路电流等于光电流Il，Isc＝Il＝qφΙhv＞Eg

n＝l的理想情况相差较大。

4）a—St太阳电池的P区和N区的电阻率较高，TCO/P—a—Si（或N—a—Si）接触电阻较高，甚至存在界面壁垒，这就带来附加的能量损失。以上这些问题必须由新的措施来解决，这就构成了非晶硅太阳电池下一阶段发展的主要任务。

非晶硅太阳电池的初期发展-走近能源

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