一文讀懂非晶硅太陽能電池及其應(yīng)用

目前光伏市場上，制作太陽能電池使用的最多的材料就是硅，其中主要分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池，前兩種，由于所用材料是間接帶隙半導(dǎo)體——吸收太陽能時(shí)需要一定的厚度，PN結(jié)比較厚(一般大于200微米)，所以其硅原料消耗較多，成本相應(yīng)較高，電池板的價(jià)格居高不下，其所造成的硅浪費(fèi)也比較大，而硅是十分多用途的重要半導(dǎo)體。

非晶硅為直接帶隙半導(dǎo)體，光輻射吸收范圍廣，所需厚度薄，故此非晶硅薄膜太陽能電池可以做得很薄，光吸收薄膜總厚度大約1微米，非晶硅以其原料消耗少，低成本以及較好的性能而得到市場的青睞。

非晶硅太陽能電池的特點(diǎn)

低成本

1、硅材料用料少，可充分吸收光，單晶要200μ厚，非晶1μ厚(非晶硅光吸收系數(shù)大)。

2、主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷，這種氣體，化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng)，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太陽能電池的原材料本約RMB3.5-4(效率高于6%)。

3、晶體硅太陽電池的基本厚度為240-270um，相差200多倍，大規(guī)模生產(chǎn)需極大量的半導(dǎo)體級(jí)，僅硅片的成本就占整個(gè)太陽電池成本的65-70%，在中國1瓦晶體硅太陽電池的硅材料成本已上升到RMB22以上。

從原材料供應(yīng)角度分析，人類大規(guī)模使用陽光發(fā)電，最終的選擇只能是非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池，別無它法!

易于形成大規(guī)模

因?yàn)楹诵墓に囘m合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜;只需改變氣相成分或者氣體流量便可實(shí)現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu);生產(chǎn)可全程自動(dòng)化。

品種多，用途廣

薄膜的a-Si太陽能電池易于實(shí)現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計(jì)制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計(jì)算器電池等。由于a-Si膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實(shí)，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。

由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題。因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。

性能好

在同等光照條件下，非晶硅薄膜電池比單晶硅電池年發(fā)電量增加15%左右。非晶硅電池還具有最高的效率質(zhì)量比(即材料輕而效率又比較高)，其效率質(zhì)量比是單晶電池的6倍，適宜將來太空太陽能電站的發(fā)展。

非晶硅太陽能電池的發(fā)展歷史

自1974年人們得到可摻雜的非晶硅薄膜后，就意識(shí)到它在太陽能電池上的應(yīng)用前景，開始了對(duì)非晶硅太陽能電池的研究工作。

1976年：RCA公司的Carlson報(bào)道了他所制備的非晶硅太陽能電池，采用了金屬-半導(dǎo)體和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率不到1%。

1977年：Carlson將非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到5.5%。

1978年：集成型非晶硅太陽能電池在日本問世。

1980年：ECD公司作成了轉(zhuǎn)換效率達(dá)6.3%的非晶硅太陽能電池，采用的是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu);同年，日本三洋公司向市場推出了裝有面積為5平方厘米非晶硅太陽能電池的袖珍計(jì)算器。

1981年：開始了非晶硅及其合金組成的疊層太陽能電池的研究。

1982年：市場上開始出現(xiàn)裝有非晶硅太陽能電池的手表，充電器、收音機(jī)等商品。

1984年：開始有作為獨(dú)立電源用的非晶硅太陽能電池組合板。

非晶硅太陽能電池是最有希望的太陽能電池。因而它在整個(gè)半導(dǎo)體太陽能電池領(lǐng)域中的地位正在不斷上升。從其誕生到現(xiàn)在，全世界以電力換算計(jì)太陽能電池的總生產(chǎn)量的約有1/3是非晶硅系太陽能電池，在民用方面幾乎占據(jù)了全部份額。

非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)

非晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)最常采用的是p-i-n結(jié)構(gòu)，而不是單晶硅太陽能電池的p-n結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋狠p摻雜的非晶硅的費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)較小，如果用兩邊都是輕摻雜的或一邊是輕摻雜的另一邊用重?fù)诫s的材料，則能帶彎曲較小，電池的開路電壓受到限制;如果直接用重?fù)诫s的p+和n+材料形成p+-n+結(jié)，那么，由于重?fù)诫s非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高，少子壽命低，電池的性能會(huì)很差。因此，通常在兩個(gè)重?fù)诫s層當(dāng)中淀積一層未摻雜的非晶硅層作為有源集電區(qū)。

非晶硅太陽能電池內(nèi)光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i層，與晶態(tài)硅太陽能電池中載流子主要由于擴(kuò)散而移動(dòng)不同，在非晶硅太陽能電池中，光生載流子主要依靠太陽能電池內(nèi)電場作用做漂移運(yùn)動(dòng)。

在非晶硅太陽能電池中，頂層的重?fù)诫s層的厚度很薄幾乎是半透明的，可以使入射光最大限度地進(jìn)入未摻雜層并產(chǎn)生自由的光生電子和空穴。而較高的內(nèi)建電場也基本上從這里展開，光生載流子產(chǎn)生后立即被掃向n+側(cè)和p+側(cè)。

由于未摻雜的非晶硅實(shí)際上是弱n型材料，因此，在淀積有源集電區(qū)時(shí)適當(dāng)加入痕量硼，使其成為費(fèi)米能級(jí)居中的i型，有助于提高太陽能電池的性能。因而在實(shí)際制備過程中，常常將淀積次序安排為p-i-n，以利用淀積p層時(shí)的硼對(duì)有源集電區(qū)進(jìn)行自然摻雜。這一淀積順序決定了透明導(dǎo)電襯底電池總是p+層迎光，而不透明襯底電池總是n+層迎光。

非晶硅疊層電池對(duì)于單結(jié)太陽能電池，即便是用晶體材料制備的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般在AM1.5的光照條件下也只有25%左右。這是因?yàn)?，太陽光譜的能量分布較寬，而任何一種半導(dǎo)體只能吸收其中能量比自己帶隙值高的光子。其余的光子不是穿過電池被背面金屬吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子，使材料發(fā)熱。這些能量都不能通過產(chǎn)生光生載流子變成電能。不僅如此，這些光子產(chǎn)生的熱效應(yīng)還會(huì)升高電池工作溫度而使電池性能下降。

為了最大程度的有效利用更寬廣波長范圍內(nèi)的太陽光能量。人們把太陽光譜分成幾個(gè)區(qū)域， 用能隙分別與這些區(qū)域有最好匹配的材料做成電池， 使整個(gè)電池的光譜響應(yīng)接近與太陽光光譜，如圖所示， 具有這樣結(jié)構(gòu)的太陽能電池稱為疊層電池。

非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)及制造流程

非晶硅薄膜太陽電池的生產(chǎn)線主要包括如下設(shè)備：導(dǎo)電玻璃磨邊設(shè)備，導(dǎo)電玻璃清洗設(shè)備，大型非晶硅薄膜PECVD生產(chǎn)設(shè)備(包括輔助設(shè)備)，紅外激光、綠激光刻線設(shè)備，大型磁控濺射生產(chǎn)設(shè)備，組件測試設(shè)備。

1、磨邊：磨去玻璃所有邊角的銳口，并保證透明導(dǎo)電玻璃的八條棱邊要有倒角處理。

2、一次清洗：清洗烘干，并確保透明導(dǎo)電玻璃表面(雙面)潔凈度。

3、激光一刻劃：在透明導(dǎo)電玻璃上刻線，預(yù)留出一定數(shù)目的子電池襯底,使得子電池間不能短路, 且使用萬用表測量>1MΩ(兆歐姆),在生產(chǎn)中我們使用20KΩ進(jìn)行測量導(dǎo)電膜上(雙結(jié)產(chǎn)品：有39單元，子電池間距為15.5mm)。

4、二次清洗：清洗烘干，并確保透明導(dǎo)電玻璃表面潔凈度。

5、裝片：把導(dǎo)電玻璃裝至工件架內(nèi)以便預(yù)熱及鍍膜，裝片過程中需要確保導(dǎo)電玻璃膜面不裝反。

6、預(yù)熱：將導(dǎo)電玻璃預(yù)熱到PECVD沉積所需要的溫度(預(yù)熱爐溫215℃ )，并確保導(dǎo)電玻璃的溫度均勻性。

7、PECVD：真空下在導(dǎo)電玻璃上沉積大面積均勻PIN層，沉積后電池芯片無明顯色差、條紋,用手電筒照射觀察電池芯片無明顯針孔現(xiàn)象。

8、冷卻(卸片)：玻璃在工件架中降溫后卸下，高溫不宜卸片工件架里的玻璃，否則會(huì)彎曲或炸裂。

9、激光二刻劃：用532綠色激光機(jī)在已沉積硅薄膜的半成品芯片上刻線，預(yù)留作連接子電池的導(dǎo)電溝道刻劃效果：激光刻線要求不傷導(dǎo)電膜層，刻劃干凈徹底，激光光斑均勻、圓滑，光斑不能為異形或橢圓形、不能有毛刺。

10、PVD(磁控濺射)：鍍背電極(AL或AZO+AL)，鍍鋁后電池芯片無脫膜現(xiàn)象,背電極電阻小于10歐。

11、激光三刻劃：在鍍鋁背電極的半成品芯片上刻線，完成子電池的串聯(lián)。

12、掃邊：清除芯片四個(gè)邊邊緣10mm區(qū)域，以達(dá)到絕緣狀態(tài)。

13、退火：通過熱處理重組薄膜材料微觀結(jié)構(gòu)，提高其穩(wěn)定性，可以提高電池芯片的轉(zhuǎn)化效率。

14：測試：測試電池芯片的電性參數(shù)。

15、反壓：對(duì)芯片的缺陷進(jìn)行反壓修補(bǔ)，以提高芯片的轉(zhuǎn)化效率。

非晶硅薄膜太陽電池制備工藝的流程為所有光伏電池中流程最短。但是對(duì)非晶硅半導(dǎo)體膜系的真空PECVD制備從膜系設(shè)計(jì)到工藝過程控制的要求是非常嚴(yán)格的。

當(dāng)前小面積電池的實(shí)驗(yàn)室制備已達(dá)到接近15%的光電轉(zhuǎn)換效率，而工藝生產(chǎn)的大面積組件在大多數(shù)生產(chǎn)線上還未達(dá)到認(rèn)證效率6%。理論上大面積組件的極限是小面積器件的85-90%， 小面積器件與 組件的光電準(zhǔn)換效率的差距體現(xiàn)了一條生產(chǎn)線的技術(shù)水平。

國際上少數(shù)非晶硅生產(chǎn)線已制備出認(rèn)證效率8%以上的組件， 由于幾乎所有其他類型的光伏組件(包括當(dāng)前熱議的微晶硅薄膜電池)在實(shí)際運(yùn)行高溫情況與陰天低照度下性能不佳的問題而唯獨(dú)非晶硅組件在這些實(shí)際運(yùn)行條件下表現(xiàn)優(yōu)秀的性能，所以其它類型的大面積薄膜電池的低成本規(guī)模制造出認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率超過12%的組件以前，即使在規(guī)模發(fā)電應(yīng)用，非晶硅光伏組件以其最低的制造成本，適中的，并不像誤傳的那么差的光電轉(zhuǎn)換效率，是無法被淘汰的，且不說美麗的半透明組件以及可以彎曲，質(zhì)量輕又不易破碎的柔性組件等只有非晶硅具備的優(yōu)越性能的應(yīng)用了。

非晶硅材料的缺陷——光致衰退效應(yīng)

利用氫摻雜的非晶硅薄膜制作的太陽能電池薄膜存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)——光致衰退效應(yīng)。氫化非晶硅薄膜經(jīng)較長時(shí)間的強(qiáng)光照射或電流通過時(shí), 由于Si -H 鍵很弱(鍵能323), H 很容易失去, 形成大量的Si 懸掛鍵, 從而使薄膜的電學(xué)性能下降, 而且這種失H 行為還是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng), 失去H 的懸掛鍵又吸引相鄰鍵上的H原子 , 使其周圍的Si -H 鍵松動(dòng), 致使相鄰的H 原子結(jié)合為H 2,(H-H鍵鍵能436) 便于形成H2的氣泡。其光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，這樣將大大影響太陽能電池的性能。同時(shí)，由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

作為解決方案可以將電池中i層的厚度減薄，同時(shí)為了避免厚度減薄帶來的對(duì)入射光吸收的減弱，可以用多個(gè)電池串聯(lián)的方式，形成多級(jí)太陽能電池組以保證足夠的光吸收。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)p-i-n子電池。

如上圖中所示，在一個(gè)PIN結(jié)上又層疊了另外一個(gè)PIN結(jié)。疊層型非晶硅太陽能電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能;而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點(diǎn)陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此對(duì)于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進(jìn)去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池。

再者，由光致衰退導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率下降的非晶硅電池在130-175攝氏度退火后，其中H-H鍵斷裂，重新形成Si-H鍵，其效率可恢復(fù)到原始值的80%-97%，這是其他電池所不具備的性能。

非晶硅電池性能影響因素及發(fā)展前景

由于非晶硅結(jié)構(gòu)是一種無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有長程無序性,所以對(duì)載流子有極強(qiáng)的散射作用,導(dǎo)致載流子不能被有效地收集。為了提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,一般不采取單晶硅太陽能電池的p-n結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)檩p摻雜的非晶硅費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)較小,如果兩邊都采取輕摻雜或一邊是輕摻雜另一邊用重?fù)诫s材料,則能帶彎曲較小,電池開路電壓受到限制;如果直接用重?fù)诫s的p+和n+ 材料形成p+ -n+ 結(jié),由于重?fù)诫s非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高,少子壽命低,電池性能會(huì)很差。因此,通常在兩個(gè)重?fù)诫s層中淀積一層未摻雜非晶硅層(i層)作為有源集電區(qū),即p-i-n結(jié)構(gòu)。

非晶硅太陽能電池光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i層,與晶態(tài)硅太陽能電池載流子主要由于擴(kuò)散而移動(dòng)不同,在非晶硅太陽能電池中,光生載流子由于擴(kuò)散長度小主要依靠電池內(nèi)電場作用做漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)非晶硅電池采取pin結(jié)構(gòu)以后,電池在光照下就可以工作了,但因存在光致衰退效應(yīng),電池性能不穩(wěn)定,電池轉(zhuǎn)換效率隨光照時(shí)間逐漸衰退,所以電池的結(jié)構(gòu)與工藝還要進(jìn)一步優(yōu)化。

影響非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的主要因素有:透明導(dǎo)電膜、窗口層性質(zhì)(包括窗口層光學(xué)帶隙寬度、窗口層導(dǎo)電率及摻雜濃度、窗口層激活能、窗口層的光透過率)、各層之間界面狀態(tài)(界面缺陷態(tài)密度)及能隙匹配、各層厚度(尤其i層厚度)以及太陽能電池結(jié)構(gòu)等。非晶硅薄膜電池的結(jié)構(gòu)一般采取疊層式或進(jìn)行集成或構(gòu)造異質(zhì)結(jié)等形式。

非晶硅電池生產(chǎn)工藝簡單且溫度低、耗能小,其市場份額逐年提高。目前,一半以上薄膜太陽能電池公司采用非晶硅薄膜技術(shù),預(yù)計(jì)幾年內(nèi),非晶硅薄膜在未來薄膜太陽能電池中將占據(jù)主要份額。但光電轉(zhuǎn)換效率低和光致衰退效應(yīng)是當(dāng)前非晶硅薄膜電池存在的兩大主要問題,為提高效率和穩(wěn)定性人們在新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)等方面需要加強(qiáng)探索。

如在電池結(jié)構(gòu)方面采取疊層式和集成式;在透明導(dǎo)電膜反方面采用不僅具有電阻率低而且具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗輻射效果的透明導(dǎo)電薄膜代替目前的ITO、ZnO、ZnO#Al等導(dǎo)電膜;在窗口層材料方面探索新型的寬光學(xué)帶隙和低電阻材料的窗口層材料,如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等;在非晶硅薄膜制備技術(shù)方面可以改進(jìn)RF-PECVD、超高真空PECVD技術(shù)、甚高頻(VHF)PECVD技術(shù)和微波PECVD等技術(shù),延長薄膜光子壽命、提高載流子輸運(yùn)能力和薄膜的電子性能以及穩(wěn)定性等;在界面處理方面可以采取如氫鈍化技術(shù)以及插入緩沖層減少界面復(fù)合損失,提高電池短路電流和開路電壓。

盡管目前效率低性能不穩(wěn)定是阻礙非晶硅薄膜太陽能電池大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙,然而優(yōu)化非晶硅薄膜電池的各種技術(shù)都還是切實(shí)可行的,隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展,非晶硅薄膜太陽能電池將會(huì)得到大規(guī)模化應(yīng)用。