非晶硅太阳电池：发展与现状

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：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。

1.非晶硅太阳电池技术完善与提高

由于发展势头遭到挫折，20世纪80年代未到90年代初，非晶硅太阳电池的发展经历了一个调整、完善和提高的时期。人们一方面加强了探索和研究，一方面准备在更高技术水平上作更大规模的产业化开发。中心任务是提高电池的稳定化效率。探索了许多新器件结构、新材料、新工艺和新技术。其核心就是完美结技术和叠层电池技术。在成功探索的基础上，90年代中期出现了更大规模产业化的高潮。先后建立了多条数兆瓦至十兆瓦高水平电池组件生产线，组件面积为平方米量级，生产流程实现全自动，产品组件面积在平方米量级。采用新的封装枝术，产品组件寿命在十年以上。组件生产以完美结技术和叠层电池技术为基础。产品组件效率达到6个8人中试组件（面积900cm2左右）效率达9%~11%；小面积电池最高效率达14.6%。

2.完美结技术

完美结技术是下列技术的组合，（1）采用带织构的SiO2/SnO2/ZnO复合透明导电膜代替TiO或SnO2单层透明导电电极。复合膜电极具有，阻挡离子污染、增大入射光吸收和杭等离子还原反应的效果。（2）在TCO/P界面插入6掺杂层以克服界面壁垒。（3）P层材料采用宽带隙高电导的微晶薄膜，如μc—Sic，可以减少P层的光吸收损失；减少电池的串联电阻。（4）为减少P/I界面缺陷，减少二极管质量因子，在P/I界面插入C含量缓变层。此层的最佳制备方法是交替淀积与氢处理法。（5）低缺陷低氢含量的I层。用精确控制掺杂浓度的梯度掺杂法，使离化杂质形成的空间电荷与光照产生的亚稳空间电荷中和，保持稳定均匀的内建电场。这是从器件结构上消除光至衰退效应的又一种方案。（6）1/N界面缓变以减少界面缺陷。（7）采用pc—n—Si可以减少电池的串联电阻，同时减少长波长光的损失。（8）采用ZnO/AI复合背电极增强对长波长光的反射，增加在电池中的光程，从而增加太阳电池的光的吸收利用。值得一提的是，我国在八.五攻关中采用此类技术，实现大面积（900cm2）件电池6.55%的稳定效率。小面积电池单结开路电高达1.12伏。

3.叠层电池技术

减薄a—引太阳电池的1层库度可以增强内建电场，减少先生载流子通过带隙缺陷中心和/或先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1层太薄又会影响入射光的充分吸收，导致电池效率的下降，为了扬长避短，人们想到了多薄层电池相叠的结构。起先是两个NN结的叠层，即a—Si/a-Si层电池，其稳定化效率有所提高，我国用此结构做出组件电池（400cm2）稳定化效率达7.35%。

一种材料的太阳电池可以利用波长比1.24/Eg（μM）以短的谱域的光能.如果把具有同带隙（即）材料的薄膜电池叠加，则可利用更宽谱域的光能.由此可增加太阳电池的效率。异质叠层太阳电池中，利用宽带隙材料作顶电池，将短波长光能转变为电能；利用窄带材料作底电池，特长波长光能转变为电能。由于更加充分地利用了阳光的谱域，异质叠层阳电池应有更高的光电转挟效率，同时具有抑制光致麦退的效果。

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。除匹配带隙的要求外，组成叠层太阳电池的各子电池中先电流应基本相等；子电池之间的P/N应为高透光高电导的隧道结。

4.新材料探索

探索的宽带隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等。这些材料主要于窗口层。顶电池的1层主要是宽带隙非晶硅和非晶硅碳。最受重视的窄带隙材料是非硅锗。改变硅锗合金中锗含量，材料的带隙在1.1eV到1.7eV范围可调。硅与锗的原子小下一，成键键能不同。非晶硅锗膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅与锗原子并不是均匀合分布的。氢化时，氢择忧与硅键合。克服这些困难的关键是，采用氢稀释沉积法和掺氟。些材料的光电子特性可以做得很好。但氢含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在。叠层构在一定程度上抑制了它对电池性能的影响。(www.chuimin.cn)

5.新技术探索

为了提高非晶硅太阳电池的初始效率和光照条件下的稳定性，人们探索了许多新的材料恰工艺。比较重要的新工艺有：化学退火法、脉冲虱灯光照法、氢稀释法、交替淀积与氢卫法、掺氟、本征层掺痕量硼法、等。此外，为了提高a-Si薄膜材料的掺硼效率，用二基硼代替二乙硼烷作掺杂源气。为了获得a-Si膜的高淀积速率，采用二乙硅炕代替甲硅烷作源气。

所谓化学退火，就是在一层一层生长a—Si薄膜的间隔，用原子氢或激活的Ar、He原子来处理薄膜，使表面结构弛豫，从而减少缺陷和过多的氢，在保证低隙态密度的同时，降低做衰退效应，这里，化学处理粒子是用附加的设备产生的。

氢稀释法则采用大量（数十倍）氢稀释硅炕作源气淀积a-Si合金薄膜，实际上，一边米薄膜一边对薄膜表面作氢处理，原理一样，方法更简单，效果基本相当。

交替淀积与氢处理则是：重复进行交替的薄膜淀积与氢等离子体处理。这是上述两种方以结合。脉冲氖灯光照法是在一层一层生长a-Si薄膜的问隔，周期地用脉冲氖灯光照处嘟膜表面，稳定性有显著提高。在制备a-Si的源气中加入适量的四氟化硅就可实现a-Si以掺氟使畦网络结构更稳定。本征8Si呈弱N型，掺入痕量硼可将费来能级移向带隙中央，既可提高光灵敏度又可减少先致衰退。

6.新制备技术探索

射频等离子体强CVD是当今普遍采用的制备a—Si合金薄膜的方法。它的主要优，权是：可以用较低的衬底温度（200℃左右），可以重复制各大面积均匀的薄膜，制得的氢化a-Si合金薄膜无结构缺陷、台阶复益良好，隙态密度低，光电子特性符合大面积太阳电池的要求。此法的主要缺点也是致命的缺点是，制备的a-Si膜含氢量高，通常有的10%~5%氢含量。光致衰退比较严重。因此，人们一方面运用这一方法实现了规模化生产；另一方面又不断努力探索新的制备技术。与RF-PECVD最近邻的技术有，超高真空PECVD技术，甚高频（VHF）PECVD技术和微波（包括ECR）PECVD技术。激发等离子体的电磁波光子能量不同，则气体分解粒子的能量不同，粒子生存寿命不同，薄膜的生成及对膜表面的处理机制不同，生成膜的结构、电子特性及稳定性就会有区别。yHF和微波PECVD在微晶硅的制备上有一定的优势。

其他主要其新技术还有，离子束淀积a—Si薄膜技术，HOMO—CVD技术和热丝CVD技术等。离子束淀积a-Si合金薄膜时，包括硅烷在内的反应气体先在离化室离化分解，然后形成离子束，淀积到衬底上，形成结构绞稳定的a—Si合金薄膜。HOMO—CVD技术通过bo热气体，仪之热分解，分解粒子再淀积在衬底上。成膜的先级粗子寿命校长，膜的电子性能良好，氢含量低，稳定性较好。这两种技术成膜质量虽好，但难以形成产业化技术。热丝CVD技术也是较有希望的优质薄膜硅的高速制备技术。

非晶硅太阳电池：发展与现状

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