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?1976年卡爾松和路昂斯基報告了無定形硅（簡稱a一Si）薄膜太陽電他的誕生。當時、面積樣品的光電轉(zhuǎn)換效率為2．4％。時隔20多年，a一Si太陽電池現(xiàn)在已發(fā)展成為最實用廉價的太陽電池品種之一。非晶硅科技已轉(zhuǎn)化為一個大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，世界上總組件生產(chǎn)能力每年在50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品銷售額在10億美元以上。應用范圍小到手表、計算器電源大到10Mw級的獨立電站。涉及諸多品種的電子消費品、照明和家用電源、農(nóng)牧業(yè)抽水、廣播通訊臺站電源及中小型聯(lián)網(wǎng)電站等。a一Si太陽電池成了光伏能源中的一支生力軍，對整個潔凈可再生能源發(fā)展起了巨大的推動作用。非晶硅太陽電他的誕生、發(fā)展過程是生動、復雜和曲折的，全面總結(jié)其中的經(jīng)驗教訓對于進一步推動薄膜非晶硅太陽電池領(lǐng)域的科技進步和相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。況且，由于從非晶硅材料及其太陽電池研究到有關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科學技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的典型事例，其中的規(guī)律性對其它新興科技領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會有有益的啟示。本文將追述非晶硅太陽電他的誕生、發(fā)展過程，簡要評述其中的關(guān)鍵之點，指出進一步發(fā)展的方向。
1．非晶硅太陽電他的誕生
1．1社會需求催生a一Si太陽電池
????? 太陽電池在70年代中期誕生，這是科學家力圖使自己從事的科研工作適應社會需求的一個范例。他們在報告中提出了發(fā)明非晶硅太陽電他的兩大目標：與昂貴的晶體硅太陽電池競爭；利用非晶硅太陽電池發(fā)電，與常規(guī)能源競爭。? 70年代曾發(fā)生過有名的能源危機，這種背景催促科學家把對a-Si材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉價太陽電池應用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實際上又是非晶半導體向晶體半導體的第三次挑戰(zhàn)。太陽電池本來是晶體硅的應用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱，太陽電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用昂貴的晶體半導體材料制造，廉價的非晶硅薄膜材料也可以勝任。
1．2非晶硅太陽電池的理論與技術(shù)基礎(chǔ)的確立
????? 無定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角是在1950年。當時人們在尋找適用于電視攝像管和復印設備用的光電導材料時找到了無定形硒（a一Se）和無定形三硫化銻（a一SbS3）。當時還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域，而晶體半導體的理論基礎(chǔ)——能帶理論，早在30年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導體光電特性和器件開發(fā)正是熱點。而a一Se和a一sbS3這類材料居然在沒有基礎(chǔ)理論的情況下發(fā)展成為產(chǎn)值在10億美元的大產(chǎn)業(yè)，非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動了對非晶材料的科學技術(shù)研究。1957年斯皮爾成功地測量了a一Se材料的漂移遷移率；1958年美國的安德松第一次在論文中提出，無定形體系中存在電子局域化效應：1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為“非晶態(tài)、無定形態(tài)及液態(tài)電子半導體”的文章中，提出了對非晶半導體理論有重要意義的論點，即決定固體的基本電子特性是屬于金屬還是半導體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位情況。從1960年起，人們開始致力于制備a一Si和a一Ge薄膜材料。早先采用的方法主要是濺射法。同時有人系統(tǒng)地研究了這些薄膜的光學特性。1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（GD）或等離子體增強化學氣相沉積（簡為PECVD）制備了氫化無定形硅（a一Si：H）薄膜。這種方法采用射頻（直流）電磁場激勵低壓硅烷等氣體，輝光放電化學分解，在襯底上形成a七i薄膜。開始采用的是電感耦合方式，后來演變?yōu)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容耦合方式，這就是后來的太陽電池用a一Si材料的主要制備方法。
??? 1960年發(fā)生了非晶半導體在器件應用領(lǐng)域向晶體半導體的第二次挑戰(zhàn)。這就是當年美國人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無定形半導體材料具有電子開關(guān)存儲作用。這個發(fā)現(xiàn)在應用上雖然不算成功，但在學術(shù)上卻具有突破性的價值。諾貝爾獎獲得者莫特稱，這比晶體管的發(fā)明還重要。它把科學家的興趣從傳統(tǒng)的晶體半導體材料引向了非晶半導體材料，掀起了研究非晶半導體材料的熱潮。我國也正是在60年代末期開始從事該領(lǐng)域的研究的。從1966年到1969年有關(guān)科學家深入開展了基礎(chǔ)理論研究，解決了非晶半導體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott一CFO模型和遷移邊的思想。
???? 電子能帶理論是半導體材料和器件的理論基礎(chǔ)。它可以指導半導體器件的設計和工藝，分析材料和器件的性能。盡管目前非晶硅能帶理論還不很完善，也存在爭議，但畢竟為非晶半導體器件提供了理論上的依據(jù)。
1．3半導體能帶結(jié)構(gòu)簡介
???? 固體能帶理論是把量子力學原理用于固態(tài)多體系統(tǒng)推算出來的。即，在特定的晶格和相應的電勢場分布下求解薛定愕方程，獲得體系中電子態(tài)按能量的分布。在晶體情況下，晶格結(jié)構(gòu)具有空間的周期性，相應的電勢場也呈周期性分布。在晶格絕熱近似和單電子近似條件下，可以求得相當準確的電子能態(tài)分布，即電子能帶結(jié)構(gòu)。晶體能帶的基本特征是，存在導帶與價帶以及隔開這兩者的禁帶，或者稱為帶隙。導帶底和價帶頂有單一的能量值，在導帶底以上的導帶態(tài)為擴展態(tài)，這些態(tài)上的電子是遷移率很高的自由電子。價帶頂以下的能態(tài)為空穴的擴展態(tài)，這里的自由空穴遷移率也很高。理想半導體禁帶中是沒有電子能態(tài)的。但在半導體中難免有缺陷和雜質(zhì)，分別具有各自的能態(tài)，表面和界面處晶格不連續(xù)帶來表面態(tài)和界面態(tài)，這些異常的能態(tài)常常落在禁帶中，稱為隙態(tài)。其上占據(jù)的電子是局域化的，起載流子復合產(chǎn)生中心的作用。晶體的隙態(tài)密度很小，通常在1015／cm3左右，且呈離散分布。另一方面固體中電子按照能量的統(tǒng)計分布遵循費米分布函數(shù)規(guī)律。被電子占據(jù)的幾率為1／2的能級稱為費米能級。費米能級也稱為平衡體系的化學勢。通常情況下，半導體的費米能級位于禁帶。費米能級距導帶底較近，則電子為多數(shù)載流子，材料為n型。費米能級距價帶頂近的，空穴為多數(shù)載流子，材料為p型。費米能級位置可以通過適當摻雜加以調(diào)節(jié)。就是說，半導體電導的數(shù)量和類型都可以用摻雜的方法調(diào)節(jié)。
????? 由于非晶硅材料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近程配位與相應晶體的相當。但它是長程無序，原子間的鍵長與鍵角存在隨機的微小變化，它的實際結(jié)構(gòu)為硅原子組成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡內(nèi)的硅懸掛鍵密度比較高。這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個基本特點。這樣復雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既有相似之處，也存在巨大的差別。其相似之處在于，價電子能態(tài)也可分為導帶、價帶和禁帶，但導帶與價帶都帶有伸向禁帶的帶尾態(tài)。帶尾態(tài)與鍵長、鍵角的隨機變化有關(guān)，導帶底價帶頂被模糊的遷移邊取代，擴展態(tài)與局域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛鍵在隙帶中引進高密度的局域態(tài)。通常隙態(tài)密度高于1017／cm3，過剩載流子通過隙態(tài)復合，所以通常非晶材料的光電導很低，摻雜對費米能級的位置的調(diào)節(jié)作用也很小，這種a-Si材料沒有有用的電子特性。氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至1016／cm3以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級電子特長。
1．4．a(chǎn)-Si太陽電池的基本結(jié)構(gòu)
???? 對a-Si薄膜摻雜以控制其導電類型和電導數(shù)量的工作，1975年第一次由萊康柏和斯皮爾實現(xiàn)，同時也就實現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作。事實上，由于a-Si多缺陷的特點，a-Si? pn結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時光電導不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽電池基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)而是pin結(jié)。摻硼形成p區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻日的本征層（因為非摻雜a。s是弱n型）。重摻雜的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。同時兩者可與導電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導／暗電導比在105-106，此區(qū)中光生電子空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅光電子躍遷的選擇定則，使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料，對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0．5μm左右厚度俏a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p/i/n結(jié)構(gòu)的a-Si電他的厚度取0，5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。
1．5小結(jié)
????? 總之，非晶硅太陽電池既是應用需求的產(chǎn)物，又是非晶半導體技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究的結(jié)果?？萍紕?chuàng)新與社會需求相結(jié)合產(chǎn)生巨大的價值。當今每一項科技創(chuàng)新都包含技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究兩方面，不可偏廢其中之一。當然，不同課題或一個課題的不同發(fā)展階段，側(cè)重點會有不同?？茖W技術(shù)發(fā)展史上，有些領(lǐng)域先形成的基礎(chǔ)理論，等待技術(shù)成熟后才結(jié)出碩果，也有些領(lǐng)域先產(chǎn)生應用技術(shù)，技術(shù)發(fā)展推動基礎(chǔ)理論研究，產(chǎn)生理論成果，理論的確立又指導應用技術(shù)走向成熟。
2．非晶硅太陽電他的初期發(fā)展
2．1．初期的技術(shù)進步和繁榮
???? 半導體巨型電子器件——太陽電池可用廉價的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā)了科研人員、研究單位紛紛投入到這個領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和許多國家政府的關(guān)注，從而推動了非晶硅太陽電他的大發(fā)展。非晶硅太陽電池很快走出了實驗室，走進了中試線和較大規(guī)模的生產(chǎn)線。從技術(shù)上看，非晶硅太陽電池這一階段的進步主要表現(xiàn)在：（1）從簡單的ITO／p/i/n（a一Si）／Al發(fā)展成為SnO2（F）／p-a一SiC／i-a-Si／n-a一Si／A1這樣比較復雜實用的結(jié)構(gòu)。Sno2透明導電膜比ITO更穩(wěn)定，成本更低，易于實現(xiàn)織構(gòu)，從而增加太陽電池對光的吸收。采用aSiC：H作為p型的窗口層，帶隙更寬，減少了P層的光吸收損失，更好地利用入射的太陽光能。（2）對a-Si層和兩個電極薄層分別實現(xiàn)了激光劃線分割，實現(xiàn)了集成化組件的生產(chǎn)。（3）出現(xiàn)了單室成批生產(chǎn)和多室的流水生產(chǎn)非晶硅薄膜的兩種方式。在生產(chǎn)上還出現(xiàn)了以透明導電玻璃為襯底的組件生產(chǎn)和以柔性材料（如不銹鋼）為襯底的兩種電池組件的生產(chǎn)方式。世界上出現(xiàn)了許多以a-Si太陽電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。例如，美國的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國家輸出了6條MW級生產(chǎn)線。美、日各公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗電站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太陽電他的總銷售量中非晶硅占有40％，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢。
2．2．a(chǎn)SI太陽電池的優(yōu)勢
???? 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（100一300°C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短）（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a一Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)…n結(jié)以及相應的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設計制造，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，晴電導很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽電池。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。
2．3發(fā)展勢頭受挫
???? 非晶硅太陽電池盡管有如上諸多的優(yōu)點，但缺點也是很明顯的。主要是初始光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。初期的太陽電池產(chǎn)品初始效率為5％-6％，標準太陽光強照射一年后，穩(wěn)定化效率為3％-4％，在弱光下應用當然不成問題，但在室外強光下，作為功率發(fā)電使用時，穩(wěn)定性成了比較嚴重的問題。功率發(fā)電的試驗電站性能衰退嚴重，壽命較短，嚴重影響消費者的信心，造成市場開拓的困難，有些生產(chǎn)線倒閉，比如CHRONAR公司。
2．4封裝的不穩(wěn)定問題
???? 第一階段a-Si太陽電池產(chǎn)品性能衰退問題實際上有兩個方面，即封裝問題和構(gòu)成電池的aSi材料不穩(wěn)定性問題。封裝問題主要是：封裝材料老化和封裝存在缺陷，環(huán)境中的有害氣氛對電他的電極材料和電極接觸造成損害，使電池性能大幅度下降甚至于失效。解決這一問題主要靠改進封裝技術(shù)，在采取了玻璃層壓封裝（這是指對玻璃襯底的電池）和多保護層的熱壓封裝（對不銹鋼襯底電池），基本上解決了封裝問題。目前太陽電池使用壽命已達到10年以上。
2．5．a(chǎn)-Si材料和太陽電池的光致衰退機制
???? a-Si薄膜在強光（通常是一個標準太陽的光強，100mW／cm2）下照射數(shù)小時，光電導逐漸下降，光照后暗電導可下降幾個數(shù)量級并保持相對穩(wěn)定；光照的樣品在160℃下退火，電導可恢復原值，這就是有名的斯太不拉一路昂斯基效應，簡稱SWF。暗電導的阿蘭紐斯特性測量表明，光照時電導激活能增加，這意味著費米能級從帶邊移向帶隙中央，說明了光照在帶隙中部產(chǎn)生了亞穩(wěn)的能態(tài)或者說產(chǎn)生了亞穩(wěn)缺陷中心。這種亞穩(wěn)缺陷可用退火消除。根據(jù)半導體載流子產(chǎn)生復合理論，禁帶中央的亞穩(wěn)中心的復合幾率最大，具有減少光生載
流子壽命的作用；同時它又作為載流子的陷餅，引起突間電荷量的增加，降低i層內(nèi)的電場強度，使光生載流子的自由漂移距離縮短，減少載流子收集效率。這就使太陽電他的性能下降。
???? 研究光致亞穩(wěn)態(tài)的機理，尋找克服光致衰退的辦法，不僅對完善發(fā)展非晶硅材料的基礎(chǔ)理論是重要的，而且對改善太陽電他的性能也很緊迫。從對太陽電池產(chǎn)品的使用來說，還要解決加速光衰、標定產(chǎn)品穩(wěn)定性能的問題。
???? 世界上凡從事a-Si研究和開發(fā)應用的實驗室，都在研究光致衰退的問題，開展了各種實驗觀察，提出了種種的理論模型。但是，至今還沒有一個令人信服的統(tǒng)一的模型可以解釋各種主要的實驗事實。比較一致的看法是，光致衰退與a-Si材料中氫運動有關(guān)。比較重要的模型有：（1）光生載流子無輻射復合引起弱的Si-Si鍵的斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，附近的氫通過擴散補償其中的一個懸鍵，同時增加一個亞穩(wěn)的懸鍵。（2）懸鍵的荷電對T了和T茅與光生載流子相互作用，變成兩個乃態(tài)，乃態(tài)是一個單電子占據(jù)的懸鍵態(tài)，它的出現(xiàn)使費米能級向下面的帶隙中央移動（通常非摻雜的i層呈弱的n型，費米能級在帶隙中距導帶邊稍近）。這個模型假定，懸鍵為雙電子占據(jù)時，相關(guān)能為負值。負相關(guān)能最可能存在于氫富集的微空洞的表面。（3）布朗茲最近提出的新模型認為，光生電子相互碰撞產(chǎn)生兩個可動的氫原子，氫原子的擴散形成兩個不可動的Si-H鍵復合體，亞穩(wěn)懸鍵出現(xiàn)在氫被激發(fā)的位置處，此模型可定量他說明光生缺陷的產(chǎn)生機理，并可解釋一些主要的實驗現(xiàn)象。以上例舉的較為可信的模型都說明，光致衰退效應與aSi材料中的氫的移動有關(guān)a-Si材料是在較低的溫度下，通過硅烷類氣體等離子體增強化學分解，在襯底上淀積獲得的。它的硅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不可避免地存在硅的懸鍵。這些懸鍵如果沒有氫補償，隙態(tài)密度將非常高，不可能用來制作電子器件。廣泛采用的PECVD法沉積的a-Si膜含有10-15％的氫含量，一方面使硅懸鍵得到了較好的補償；另一方面，這樣高的氫含量遠遠超過硅懸鍵的密度?？梢钥隙ㄋf，氫在a＝Si材料中占有激活能不同的多種位置，其中一種是補償懸鍵的位置，其它則處于激活能更低的位置。理想的a一Si材料應該既沒有微空洞等缺陷，也沒有SiH2、（SiH2）n、SiH3等的鍵合體。材料密度應該盡量地接近理想的晶體硅的密度，硅懸掛鍵得到適量氫的完全補償，使得隙態(tài)密度低，結(jié)構(gòu)保持最高的穩(wěn)定性。尋找理想廉價的工藝技術(shù)來實現(xiàn)這種理想的結(jié)構(gòu)，應能從根本上消除光致衰退，這是一項非常困難的任務。
2．6 a-Si太阻電池效率低的原因
???? 非晶硅太陽電池屬于半導體結(jié)型太陽電池，可以依據(jù)結(jié)型太陽電他的模型對其理想的光伏性能作出估算。有1．7eV帶隙的非晶硅太陽電他的理論效率在25％左右。實際上，第一階段制作的小面積電池初始效率約為理論效率的一半，其它品種的太陽電池實際達到的光伏性能與理論值相比，差距都小于非晶硅的差距。
a-Si太陽電池效率低的主要原因如下：
????? 1）a-Si材料的帶隙較寬，實際可利用的主要光譜域是0.35-0.7／m波長，相對地較窄。
????? 2）a-Si太陽電池開路電壓與預期值相差較大，其原因是：（1）遷移邊存在高密度的尾態(tài)，摻雜雜質(zhì)離化形成的電子或空穴僅有一定比例的部分成為自由載流子，電導激活能即費米能級與帶邊的差不可能很小；（2）材料多缺陷，載流子擴散長度很短，電荷收集主要靠內(nèi)建電場驅(qū)動下的漂移運動，靠擴散收集的分量可以忽略，這與晶體硅電池正好相反，為了維持足夠強的內(nèi)建電場，pin結(jié)的能帶彎曲量必須保持較大才能保證有足夠的電場維持最低限度的電荷收集，能帶彎曲量與電池輸出電壓對應的電子能量之和為卜n兩種材料費米能級之差。既然剩余能帶彎曲量較大，輸出電壓必然較低。而晶體電池電荷收集主要靠載流子擴散，剩余能帶彎曲量可以較小，加之p、n兩種材料的激活能較低，所以開路電壓與其帶隙寬度相對接近。
??? 3）a-Si材料隙態(tài)密度較高，載流子復合幾率較大，二極管理想因子刀通常大于2，與n=1的理想情況相差較大。
??? 4）a-Si太陽電他的一區(qū)和n區(qū)的電阻率較高，TCO／p-a-si（或n-a-si）接觸電阻較高，甚至存在界面壁壘，這就帶來附加的能量損失。
??? 以上這些問題必須由新的措施來解決，這就構(gòu)成了非晶硅太陽電池下一階段發(fā)展的主要任務。
3．非晶硅太陽電池技術(shù)的發(fā)展
3．1非晶硅太陽電池技術(shù)完善與提高
??? 由于發(fā)展勢頭遭到挫折，80年代未m年代初，非晶硅太陽電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個調(diào)整、完善和提高的時期。人們一方面加強了探索和研究，一方面準備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中心任務是提高電他的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮，先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級，生產(chǎn)流程實現(xiàn)全自動。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在10年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達到6％-8％；中試組件（面積900cm2左右）效率達9％-11％；小面積電池最高效率達14.6％。
3．2完奏結(jié)技求
??? 完美結(jié)技術(shù)是下列技術(shù)的組合：（1）采用帶織構(gòu)的sio2／snO2／ZnO復合透明導電膜代替ITO或Sn02單層透明導電電極。復合膜電極具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗等離子還原反應的效果。（2）在TCO／p界面插入污摻雜層以克服界面壁壘。（3）p層材料采用寬帶隙高電導的微晶薄膜，如μc-sic，可以減少P層的光吸收損失；減少電他的串聯(lián)電阻。（4）為減少p／i界面缺陷，減少二極管質(zhì)量因子，在p/i界面插入C含量緩變層。此層的最佳制備方法是交替淀積與氫處理法。（5）低缺陷低氫含量的i層。用精確控制摻雜濃度的梯度摻雜法，使離化雜質(zhì)形成的空間電荷與光照產(chǎn)生的亞穩(wěn)空間電荷中和，保持穩(wěn)定均勻的內(nèi)建電場。這是從器件結(jié)構(gòu)上消除光致衰退效應的又一種方案。（6）i／n界面緩變以減少界面缺陷。（7）采用K一kS可以減少電池的串聯(lián)電阻，同時減少長波長光的損失。（8）采用znO／A1復合背電極增強對長波長光的反射，增加在電池中的光程，從而增加太陽電他的光的吸收利用。
??? 值得一提的是，我國在“八五”攻關(guān)中采用此類技術(shù)，實現(xiàn)大面積組件電池6.55％的穩(wěn)定效率，小面積電池單結(jié)開路電壓高達1.12V。
3．3? 疊層電池技術(shù)
??? 減薄a-Si太陽電他的i層厚度可以增強內(nèi)建電場，減少光生載流子通過帶隙缺陷中心和／或光生亞穩(wěn)中心復合的幾率，又可以增加載流子移動速率，同時增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果i層大薄又會影響入射光的充分吸收，導致電池效率下降。為了揚長避短，人們想到了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)。起先是兩個pin結(jié)的疊層艱pa-Si／a-Si疊層電池，其穩(wěn)定化效率有所提高。我國用此結(jié)構(gòu)做出組件電池（400cm2）穩(wěn)定化效率達7．35％。
??? 一種材料的太陽電池可以利用波長比1.24／Eg(μm）更短的譜域的光能。如果把具有不同帶隙（Eg）材料的薄膜電池疊加，則可利用更寬譜域的光能，由此可提高大陽電他的效率。異質(zhì)疊層太陽電池中，利用寬帶隙材料作頂電池，將短波長光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；利用窄帶隙材料作底電池，將長波長光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于更加充分地利用了陽光的譜域，異質(zhì)疊層太陽電池應有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時具有抑制光致衰退的效果。
????? 形成異質(zhì)疊層太陽電他的材料的帶隙必須有恰當?shù)钠ヅ洳趴赡塬@得最佳的效果。目前流行的非晶硅鍺為基礎(chǔ)的異質(zhì)疊層太陽電池較好的匹配帶隙分別為1。8eV、1。6eV、1。4eV。除了匹配帶隙的要求外，組成疊層太陽電他的各子電池中光電流應基本相等；子電池之間的p/n結(jié)應為高透光高電導的隧道結(jié)。
3．4 新材料探索
????? 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂電池的i層主要是寬帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在1.1eV到1.7eV范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對電池性能的影響。
3．5新技術(shù)探索
????? 為了提高非晶硅太陽電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高a-Si薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得a一Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。
????? 所謂化學退火，就是在一層一層生長a-Si薄膜的間隔，用原子氫或激活的Ar、He原子來處理薄膜，使表面結(jié)構(gòu)弛豫，從而減少缺陷和過多的氫，在保證低隙態(tài)密度的同時，降低光致衰退效應。這里，化學處理粒子是用附加的設備產(chǎn)生的。
????? 氫稀釋法則采用大量（數(shù)十倍）氫稀釋硅烷作源氣淀積a-Si合金薄膜。實際上，一邊生長薄膜一邊對薄膜表面作氫處理。原理一樣，方法更簡單，效果基本相當。
????? 交替淀積與氫處理則是，重復進行交替的薄膜淀積與氫等離子體處理，這是上述兩種方法的結(jié)合。脈沖氖燈光照法是在一層一層生長a-Si薄膜的間隔，周期地用脈沖氖燈光照處理薄膜表面，其穩(wěn)定性有顯著提高。在制備a-Si的源氣中加入適量的四氟化硅就可實現(xiàn)a-Si摻氟。摻氟使硅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。本征a-Si呈弱n型，摻入痕量硼可將費米能級移向帶隙中央，既可提高光靈敏度又可減少光致衰退。
3．6新制備技術(shù)探索
????? 射頻等離子體增強CVD是當今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無結(jié)構(gòu)缺陷、臺階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特性符合大面積太陽電他的要求。此法的主要缺點也是致命的缺點是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10％-15％氫含量，光致衰退比較嚴重。因此，人們一方面運用這一方法實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。
????? 與RF-PECVD最相近的技術(shù)有，超高真空PECVD技術(shù)，甚高頻（VHF）PECVD技術(shù)和微波（包括 ECR）PECVD技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對膜表面的處理機制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會有區(qū)別。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢。
????? 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積a-Si薄膜技術(shù)，HOMO-CVD技術(shù)和熱絲CVD技術(shù)等。離子束淀積 a-Si合金薄膜時，包括硅烷在內(nèi)的反應氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的a-Si合金薄膜。HOMO-CVD技術(shù)通過加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級粒子壽命較長，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲CVD技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。
4非晶硅太陽電池的未來發(fā)展
4．1現(xiàn)有a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)的市場開發(fā)???
??? 非晶硅太陽電池無論在學術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功，全世界的生產(chǎn)能力超過50MW，最大生產(chǎn)線年產(chǎn)為iQMW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負荷正常運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達1．＝美元／峰瓦左右。據(jù)預測，若太陽電池成本低于每峰瓦：美元，壽命20年以上，發(fā)電系統(tǒng)成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競爭。與其它品種太陽電池相比，非晶硅太陽電池更接近這一目標。非晶硅太陽電池目前雖不能與常規(guī)電力競爭，但在許多特定的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢。如依托于建筑物的屋頂電站，它不占地面，免除占地的開支，發(fā)電成本較低；作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲能設備，太陽電池在發(fā)電成本中占主要部分，太陽電池低成本就會帶來電力低成本。
???? 目前世界上非晶硅太陽電池總銷售量不到其生產(chǎn)能力的一半，應用上除了少數(shù)較大規(guī)模的試驗電站外仍然以小型電源和室內(nèi)弱光電源為主。盡管晶體硅太陽電池生產(chǎn)成本是aSi電池的兩倍，但功率發(fā)電市場、仍以晶體硅電池為主。這說明光伏發(fā)電市場尚未真正成熟。另一方面，非晶硅太陽電池必須跨過一個“門檻”才能進入大光伏市場。一旦跨過“門檻”，市場需求將帶動產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大，而規(guī)模越大生產(chǎn)成本越低。要突破“門檻”，一方面須加強市場開拓力度，加強營銷措施；另一方面政府應給予用戶以適當補貼鼓勵，刺激市場的擴大。許多發(fā)達國家正在推行的諸如“百萬屋頂計劃”這類光伏應用項目，就是這種努力的具體體現(xiàn)，。
4．2技求進一步發(fā)展的方向
???? 非晶硅太陽電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價的其它薄膜太陽電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應努力開拓市場，將現(xiàn)有技術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應用外，還應進一步發(fā)揚它對晶體硅電池在成本價格上的優(yōu)勢和對其它薄膜太陽電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢，在克服自身弱點上下功夫。進一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下：
??? （1）加強a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達到基本上消除薄膜硅太陽電池性能的光致衰退。
??? （2）加強晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來的薄膜硅太陽電池產(chǎn)品既具備a一Si薄膜太陽電池低成本的優(yōu)勢，又具備晶體硅太陽電池長壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢。
??? （3）加強帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價特色的混合疊層電他的研究，把aSi太陽電池的優(yōu)點與其它太陽電池的優(yōu)點嫁接起來。
（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時機地進行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實現(xiàn)更大規(guī)模的太陽電池產(chǎn)業(yè)化和市場商品化。
1．非晶硅太陽電他的誕生
1．1社會需求催生a一Si太陽電池
????? 太陽電池在70年代中期誕生，這是科學家力圖使自己從事的科研工作適應社會需求的一個范例。他們在報告中提出了發(fā)明非晶硅太陽電他的兩大目標：與昂貴的晶體硅太陽電池競爭；利用非晶硅太陽電池發(fā)電，與常規(guī)能源競爭。? 70年代曾發(fā)生過有名的能源危機，這種背景催促科學家把對a-Si材料的一般性研究轉(zhuǎn)向廉價太陽電池應用技術(shù)創(chuàng)新，這種創(chuàng)新實際上又是非晶半導體向晶體半導體的第三次挑戰(zhàn)。太陽電池本來是晶體硅的應用領(lǐng)域，挑戰(zhàn)者稱，太陽電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用昂貴的晶體半導體材料制造，廉價的非晶硅薄膜材料也可以勝任。
1．2非晶硅太陽電池的理論與技術(shù)基礎(chǔ)的確立
????? 無定形材料第一次在光電子器件領(lǐng)域嶄露頭角是在1950年。當時人們在尋找適用于電視攝像管和復印設備用的光電導材料時找到了無定形硒（a一Se）和無定形三硫化銻（a一SbS3）。當時還不存在非晶材料的概念及有關(guān)的領(lǐng)域，而晶體半導體的理論基礎(chǔ)——能帶理論，早在30年代就已成熟，晶體管已經(jīng)發(fā)明，晶體半導體光電特性和器件開發(fā)正是熱點。而a一Se和a一sbS3這類材料居然在沒有基礎(chǔ)理論的情況下發(fā)展成為產(chǎn)值在10億美元的大產(chǎn)業(yè)，非晶材料的這第一次挑戰(zhàn)十分成功，還啟動了對非晶材料的科學技術(shù)研究。1957年斯皮爾成功地測量了a一Se材料的漂移遷移率；1958年美國的安德松第一次在論文中提出，無定形體系中存在電子局域化效應：1960年，前蘇聯(lián)人約飛與熱格爾在題為“非晶態(tài)、無定形態(tài)及液態(tài)電子半導體”的文章中，提出了對非晶半導體理論有重要意義的論點，即決定固體的基本電子特性是屬于金屬還是半導體、絕緣體的主要因素是構(gòu)成凝聚態(tài)的原子短程結(jié)構(gòu)，即最近鄰的原子配位情況。從1960年起，人們開始致力于制備a一Si和a一Ge薄膜材料。早先采用的方法主要是濺射法。同時有人系統(tǒng)地研究了這些薄膜的光學特性。1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（GD）或等離子體增強化學氣相沉積（簡為PECVD）制備了氫化無定形硅（a一Si：H）薄膜。這種方法采用射頻（直流）電磁場激勵低壓硅烷等氣體，輝光放電化學分解，在襯底上形成a七i薄膜。開始采用的是電感耦合方式，后來演變?yōu)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容耦合方式，這就是后來的太陽電池用a一Si材料的主要制備方法。
??? 1960年發(fā)生了非晶半導體在器件應用領(lǐng)域向晶體半導體的第二次挑戰(zhàn)。這就是當年美國人歐夫辛斯基發(fā)現(xiàn)硫系無定形半導體材料具有電子開關(guān)存儲作用。這個發(fā)現(xiàn)在應用上雖然不算成功，但在學術(shù)上卻具有突破性的價值。諾貝爾獎獲得者莫特稱，這比晶體管的發(fā)明還重要。它把科學家的興趣從傳統(tǒng)的晶體半導體材料引向了非晶半導體材料，掀起了研究非晶半導體材料的熱潮。我國也正是在60年代末期開始從事該領(lǐng)域的研究的。從1966年到1969年有關(guān)科學家深入開展了基礎(chǔ)理論研究，解決了非晶半導體的能帶理論，提出了電子能態(tài)分布的Mott一CFO模型和遷移邊的思想。
???? 電子能帶理論是半導體材料和器件的理論基礎(chǔ)。它可以指導半導體器件的設計和工藝，分析材料和器件的性能。盡管目前非晶硅能帶理論還不很完善，也存在爭議，但畢竟為非晶半導體器件提供了理論上的依據(jù)。
1．3半導體能帶結(jié)構(gòu)簡介
???? 固體能帶理論是把量子力學原理用于固態(tài)多體系統(tǒng)推算出來的。即，在特定的晶格和相應的電勢場分布下求解薛定愕方程，獲得體系中電子態(tài)按能量的分布。在晶體情況下，晶格結(jié)構(gòu)具有空間的周期性，相應的電勢場也呈周期性分布。在晶格絕熱近似和單電子近似條件下，可以求得相當準確的電子能態(tài)分布，即電子能帶結(jié)構(gòu)。晶體能帶的基本特征是，存在導帶與價帶以及隔開這兩者的禁帶，或者稱為帶隙。導帶底和價帶頂有單一的能量值，在導帶底以上的導帶態(tài)為擴展態(tài)，這些態(tài)上的電子是遷移率很高的自由電子。價帶頂以下的能態(tài)為空穴的擴展態(tài)，這里的自由空穴遷移率也很高。理想半導體禁帶中是沒有電子能態(tài)的。但在半導體中難免有缺陷和雜質(zhì)，分別具有各自的能態(tài)，表面和界面處晶格不連續(xù)帶來表面態(tài)和界面態(tài)，這些異常的能態(tài)常常落在禁帶中，稱為隙態(tài)。其上占據(jù)的電子是局域化的，起載流子復合產(chǎn)生中心的作用。晶體的隙態(tài)密度很小，通常在1015／cm3左右，且呈離散分布。另一方面固體中電子按照能量的統(tǒng)計分布遵循費米分布函數(shù)規(guī)律。被電子占據(jù)的幾率為1／2的能級稱為費米能級。費米能級也稱為平衡體系的化學勢。通常情況下，半導體的費米能級位于禁帶。費米能級距導帶底較近，則電子為多數(shù)載流子，材料為n型。費米能級距價帶頂近的，空穴為多數(shù)載流子，材料為p型。費米能級位置可以通過適當摻雜加以調(diào)節(jié)。就是說，半導體電導的數(shù)量和類型都可以用摻雜的方法調(diào)節(jié)。
????? 由于非晶硅材料是亞穩(wěn)固體，其晶格的近程配位與相應晶體的相當。但它是長程無序，原子間的鍵長與鍵角存在隨機的微小變化，它的實際結(jié)構(gòu)為硅原子組成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡內(nèi)的硅懸掛鍵密度比較高。這些是非晶硅結(jié)構(gòu)的兩個基本特點。這樣復雜的體系的電子能帶結(jié)構(gòu)與晶體能帶既有相似之處，也存在巨大的差別。其相似之處在于，價電子能態(tài)也可分為導帶、價帶和禁帶，但導帶與價帶都帶有伸向禁帶的帶尾態(tài)。帶尾態(tài)與鍵長、鍵角的隨機變化有關(guān)，導帶底價帶頂被模糊的遷移邊取代，擴展態(tài)與局域態(tài)在遷移邊是連續(xù)變化的，高密度的懸掛鍵在隙帶中引進高密度的局域態(tài)。通常隙態(tài)密度高于1017／cm3，過剩載流子通過隙態(tài)復合，所以通常非晶材料的光電導很低，摻雜對費米能級的位置的調(diào)節(jié)作用也很小，這種a-Si材料沒有有用的電子特性。氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償，形成硅氫鍵，可以使隙態(tài)密度降至1016／cm3以下，這樣的材料才表現(xiàn)出良好的器件級電子特長。
1．4．a(chǎn)-Si太陽電池的基本結(jié)構(gòu)
???? 對a-Si薄膜摻雜以控制其導電類型和電導數(shù)量的工作，1975年第一次由萊康柏和斯皮爾實現(xiàn)，同時也就實現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作。事實上，由于a-Si多缺陷的特點，a-Si? pn結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時光電導不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽電池基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)而是pin結(jié)。摻硼形成p區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻日的本征層（因為非摻雜a。s是弱n型）。重摻雜的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。同時兩者可與導電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導／暗電導比在105-106，此區(qū)中光生電子空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅光電子躍遷的選擇定則，使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料，對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0．5μm左右厚度俏a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p/i/n結(jié)構(gòu)的a-Si電他的厚度取0，5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。
1．5小結(jié)
????? 總之，非晶硅太陽電池既是應用需求的產(chǎn)物，又是非晶半導體技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究的結(jié)果?？萍紕?chuàng)新與社會需求相結(jié)合產(chǎn)生巨大的價值。當今每一項科技創(chuàng)新都包含技術(shù)探索和基礎(chǔ)理論研究兩方面，不可偏廢其中之一。當然，不同課題或一個課題的不同發(fā)展階段，側(cè)重點會有不同?？茖W技術(shù)發(fā)展史上，有些領(lǐng)域先形成的基礎(chǔ)理論，等待技術(shù)成熟后才結(jié)出碩果，也有些領(lǐng)域先產(chǎn)生應用技術(shù)，技術(shù)發(fā)展推動基礎(chǔ)理論研究，產(chǎn)生理論成果，理論的確立又指導應用技術(shù)走向成熟。
2．非晶硅太陽電他的初期發(fā)展
2．1．初期的技術(shù)進步和繁榮
???? 半導體巨型電子器件——太陽電池可用廉價的非晶硅材料和工藝制作，這就激發(fā)了科研人員、研究單位紛紛投入到這個領(lǐng)域的研究中，也引起了企業(yè)界的重視和許多國家政府的關(guān)注，從而推動了非晶硅太陽電他的大發(fā)展。非晶硅太陽電池很快走出了實驗室，走進了中試線和較大規(guī)模的生產(chǎn)線。從技術(shù)上看，非晶硅太陽電池這一階段的進步主要表現(xiàn)在：（1）從簡單的ITO／p/i/n（a一Si）／Al發(fā)展成為SnO2（F）／p-a一SiC／i-a-Si／n-a一Si／A1這樣比較復雜實用的結(jié)構(gòu)。Sno2透明導電膜比ITO更穩(wěn)定，成本更低，易于實現(xiàn)織構(gòu)，從而增加太陽電池對光的吸收。采用aSiC：H作為p型的窗口層，帶隙更寬，減少了P層的光吸收損失，更好地利用入射的太陽光能。（2）對a-Si層和兩個電極薄層分別實現(xiàn)了激光劃線分割，實現(xiàn)了集成化組件的生產(chǎn)。（3）出現(xiàn)了單室成批生產(chǎn)和多室的流水生產(chǎn)非晶硅薄膜的兩種方式。在生產(chǎn)上還出現(xiàn)了以透明導電玻璃為襯底的組件生產(chǎn)和以柔性材料（如不銹鋼）為襯底的兩種電池組件的生產(chǎn)方式。世界上出現(xiàn)了許多以a-Si太陽電池為主要產(chǎn)品的企業(yè)或企業(yè)分支。例如，美國的CHRONAR、SOLAREX、ECD等，日本有三洋、富士、夏普等。CHRONAR公司是a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)的急先鋒，不僅自己有生產(chǎn)線，還向其它國家輸出了6條MW級生產(chǎn)線。美、日各公司還用自己的產(chǎn)品分別安裝了室外發(fā)電的試驗電站，最大的有100kW容量。在80年代中期，世界上太陽電他的總銷售量中非晶硅占有40％，出現(xiàn)非晶硅、多晶硅和單晶硅三足鼎立之勢。
2．2．a(chǎn)SI太陽電池的優(yōu)勢
???? 技術(shù)向生產(chǎn)力如此高速的轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝（100一300°C），生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短）（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a一Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)…n結(jié)以及相應的迭層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全流程自動化。（3）品種多，用途廣。薄膜的aSi太陽電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設計制造，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，晴電導很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于aSi膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽電池。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。
2．3發(fā)展勢頭受挫
???? 非晶硅太陽電池盡管有如上諸多的優(yōu)點，但缺點也是很明顯的。主要是初始光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。初期的太陽電池產(chǎn)品初始效率為5％-6％，標準太陽光強照射一年后，穩(wěn)定化效率為3％-4％，在弱光下應用當然不成問題，但在室外強光下，作為功率發(fā)電使用時，穩(wěn)定性成了比較嚴重的問題。功率發(fā)電的試驗電站性能衰退嚴重，壽命較短，嚴重影響消費者的信心，造成市場開拓的困難，有些生產(chǎn)線倒閉，比如CHRONAR公司。
2．4封裝的不穩(wěn)定問題
???? 第一階段a-Si太陽電池產(chǎn)品性能衰退問題實際上有兩個方面，即封裝問題和構(gòu)成電池的aSi材料不穩(wěn)定性問題。封裝問題主要是：封裝材料老化和封裝存在缺陷，環(huán)境中的有害氣氛對電他的電極材料和電極接觸造成損害，使電池性能大幅度下降甚至于失效。解決這一問題主要靠改進封裝技術(shù)，在采取了玻璃層壓封裝（這是指對玻璃襯底的電池）和多保護層的熱壓封裝（對不銹鋼襯底電池），基本上解決了封裝問題。目前太陽電池使用壽命已達到10年以上。
2．5．a(chǎn)-Si材料和太陽電池的光致衰退機制
???? a-Si薄膜在強光（通常是一個標準太陽的光強，100mW／cm2）下照射數(shù)小時，光電導逐漸下降，光照后暗電導可下降幾個數(shù)量級并保持相對穩(wěn)定；光照的樣品在160℃下退火，電導可恢復原值，這就是有名的斯太不拉一路昂斯基效應，簡稱SWF。暗電導的阿蘭紐斯特性測量表明，光照時電導激活能增加，這意味著費米能級從帶邊移向帶隙中央，說明了光照在帶隙中部產(chǎn)生了亞穩(wěn)的能態(tài)或者說產(chǎn)生了亞穩(wěn)缺陷中心。這種亞穩(wěn)缺陷可用退火消除。根據(jù)半導體載流子產(chǎn)生復合理論，禁帶中央的亞穩(wěn)中心的復合幾率最大，具有減少光生載
流子壽命的作用；同時它又作為載流子的陷餅，引起突間電荷量的增加，降低i層內(nèi)的電場強度，使光生載流子的自由漂移距離縮短，減少載流子收集效率。這就使太陽電他的性能下降。
???? 研究光致亞穩(wěn)態(tài)的機理，尋找克服光致衰退的辦法，不僅對完善發(fā)展非晶硅材料的基礎(chǔ)理論是重要的，而且對改善太陽電他的性能也很緊迫。從對太陽電池產(chǎn)品的使用來說，還要解決加速光衰、標定產(chǎn)品穩(wěn)定性能的問題。
???? 世界上凡從事a-Si研究和開發(fā)應用的實驗室，都在研究光致衰退的問題，開展了各種實驗觀察，提出了種種的理論模型。但是，至今還沒有一個令人信服的統(tǒng)一的模型可以解釋各種主要的實驗事實。比較一致的看法是，光致衰退與a-Si材料中氫運動有關(guān)。比較重要的模型有：（1）光生載流子無輻射復合引起弱的Si-Si鍵的斷裂，產(chǎn)生懸掛鍵，附近的氫通過擴散補償其中的一個懸鍵，同時增加一個亞穩(wěn)的懸鍵。（2）懸鍵的荷電對T了和T茅與光生載流子相互作用，變成兩個乃態(tài)，乃態(tài)是一個單電子占據(jù)的懸鍵態(tài)，它的出現(xiàn)使費米能級向下面的帶隙中央移動（通常非摻雜的i層呈弱的n型，費米能級在帶隙中距導帶邊稍近）。這個模型假定，懸鍵為雙電子占據(jù)時，相關(guān)能為負值。負相關(guān)能最可能存在于氫富集的微空洞的表面。（3）布朗茲最近提出的新模型認為，光生電子相互碰撞產(chǎn)生兩個可動的氫原子，氫原子的擴散形成兩個不可動的Si-H鍵復合體，亞穩(wěn)懸鍵出現(xiàn)在氫被激發(fā)的位置處，此模型可定量他說明光生缺陷的產(chǎn)生機理，并可解釋一些主要的實驗現(xiàn)象。以上例舉的較為可信的模型都說明，光致衰退效應與aSi材料中的氫的移動有關(guān)a-Si材料是在較低的溫度下，通過硅烷類氣體等離子體增強化學分解，在襯底上淀積獲得的。它的硅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不可避免地存在硅的懸鍵。這些懸鍵如果沒有氫補償，隙態(tài)密度將非常高，不可能用來制作電子器件。廣泛采用的PECVD法沉積的a-Si膜含有10-15％的氫含量，一方面使硅懸鍵得到了較好的補償；另一方面，這樣高的氫含量遠遠超過硅懸鍵的密度?？梢钥隙ㄋf，氫在a＝Si材料中占有激活能不同的多種位置，其中一種是補償懸鍵的位置，其它則處于激活能更低的位置。理想的a一Si材料應該既沒有微空洞等缺陷，也沒有SiH2、（SiH2）n、SiH3等的鍵合體。材料密度應該盡量地接近理想的晶體硅的密度，硅懸掛鍵得到適量氫的完全補償，使得隙態(tài)密度低，結(jié)構(gòu)保持最高的穩(wěn)定性。尋找理想廉價的工藝技術(shù)來實現(xiàn)這種理想的結(jié)構(gòu)，應能從根本上消除光致衰退，這是一項非常困難的任務。
2．6 a-Si太阻電池效率低的原因
???? 非晶硅太陽電池屬于半導體結(jié)型太陽電池，可以依據(jù)結(jié)型太陽電他的模型對其理想的光伏性能作出估算。有1．7eV帶隙的非晶硅太陽電他的理論效率在25％左右。實際上，第一階段制作的小面積電池初始效率約為理論效率的一半，其它品種的太陽電池實際達到的光伏性能與理論值相比，差距都小于非晶硅的差距。
a-Si太陽電池效率低的主要原因如下：
????? 1）a-Si材料的帶隙較寬，實際可利用的主要光譜域是0.35-0.7／m波長，相對地較窄。
????? 2）a-Si太陽電池開路電壓與預期值相差較大，其原因是：（1）遷移邊存在高密度的尾態(tài)，摻雜雜質(zhì)離化形成的電子或空穴僅有一定比例的部分成為自由載流子，電導激活能即費米能級與帶邊的差不可能很小；（2）材料多缺陷，載流子擴散長度很短，電荷收集主要靠內(nèi)建電場驅(qū)動下的漂移運動，靠擴散收集的分量可以忽略，這與晶體硅電池正好相反，為了維持足夠強的內(nèi)建電場，pin結(jié)的能帶彎曲量必須保持較大才能保證有足夠的電場維持最低限度的電荷收集，能帶彎曲量與電池輸出電壓對應的電子能量之和為卜n兩種材料費米能級之差。既然剩余能帶彎曲量較大，輸出電壓必然較低。而晶體電池電荷收集主要靠載流子擴散，剩余能帶彎曲量可以較小，加之p、n兩種材料的激活能較低，所以開路電壓與其帶隙寬度相對接近。
??? 3）a-Si材料隙態(tài)密度較高，載流子復合幾率較大，二極管理想因子刀通常大于2，與n=1的理想情況相差較大。
??? 4）a-Si太陽電他的一區(qū)和n區(qū)的電阻率較高，TCO／p-a-si（或n-a-si）接觸電阻較高，甚至存在界面壁壘，這就帶來附加的能量損失。
??? 以上這些問題必須由新的措施來解決，這就構(gòu)成了非晶硅太陽電池下一階段發(fā)展的主要任務。
3．非晶硅太陽電池技術(shù)的發(fā)展
3．1非晶硅太陽電池技術(shù)完善與提高
??? 由于發(fā)展勢頭遭到挫折，80年代未m年代初，非晶硅太陽電他的發(fā)展經(jīng)歷了一個調(diào)整、完善和提高的時期。人們一方面加強了探索和研究，一方面準備在更高技術(shù)水平上作更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中心任務是提高電他的穩(wěn)定化效率。為此探索了許多新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，其核心就是完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)。在成功探索的基礎(chǔ)上，90年代中期出現(xiàn)了更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的高潮，先后建立了多條數(shù)兆瓦至十兆瓦高水平電池組件生產(chǎn)線，組件面積為平方米量級，生產(chǎn)流程實現(xiàn)全自動。采用新的封裝技術(shù)，產(chǎn)品組件壽命在10年以上。組件生產(chǎn)以完美結(jié)技術(shù)和疊層電池技術(shù)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品組件效率達到6％-8％；中試組件（面積900cm2左右）效率達9％-11％；小面積電池最高效率達14.6％。
3．2完奏結(jié)技求
??? 完美結(jié)技術(shù)是下列技術(shù)的組合：（1）采用帶織構(gòu)的sio2／snO2／ZnO復合透明導電膜代替ITO或Sn02單層透明導電電極。復合膜電極具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗等離子還原反應的效果。（2）在TCO／p界面插入污摻雜層以克服界面壁壘。（3）p層材料采用寬帶隙高電導的微晶薄膜，如μc-sic，可以減少P層的光吸收損失；減少電他的串聯(lián)電阻。（4）為減少p／i界面缺陷，減少二極管質(zhì)量因子，在p/i界面插入C含量緩變層。此層的最佳制備方法是交替淀積與氫處理法。（5）低缺陷低氫含量的i層。用精確控制摻雜濃度的梯度摻雜法，使離化雜質(zhì)形成的空間電荷與光照產(chǎn)生的亞穩(wěn)空間電荷中和，保持穩(wěn)定均勻的內(nèi)建電場。這是從器件結(jié)構(gòu)上消除光致衰退效應的又一種方案。（6）i／n界面緩變以減少界面缺陷。（7）采用K一kS可以減少電池的串聯(lián)電阻，同時減少長波長光的損失。（8）采用znO／A1復合背電極增強對長波長光的反射，增加在電池中的光程，從而增加太陽電他的光的吸收利用。
??? 值得一提的是，我國在“八五”攻關(guān)中采用此類技術(shù)，實現(xiàn)大面積組件電池6.55％的穩(wěn)定效率，小面積電池單結(jié)開路電壓高達1.12V。
3．3? 疊層電池技術(shù)
??? 減薄a-Si太陽電他的i層厚度可以增強內(nèi)建電場，減少光生載流子通過帶隙缺陷中心和／或光生亞穩(wěn)中心復合的幾率，又可以增加載流子移動速率，同時增加電他的量子收集效率和穩(wěn)定性。但是，如果i層大薄又會影響入射光的充分吸收，導致電池效率下降。為了揚長避短，人們想到了多薄層電池相疊的結(jié)構(gòu)。起先是兩個pin結(jié)的疊層艱pa-Si／a-Si疊層電池，其穩(wěn)定化效率有所提高。我國用此結(jié)構(gòu)做出組件電池（400cm2）穩(wěn)定化效率達7．35％。
??? 一種材料的太陽電池可以利用波長比1.24／Eg(μm）更短的譜域的光能。如果把具有不同帶隙（Eg）材料的薄膜電池疊加，則可利用更寬譜域的光能，由此可提高大陽電他的效率。異質(zhì)疊層太陽電池中，利用寬帶隙材料作頂電池，將短波長光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；利用窄帶隙材料作底電池，將長波長光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于更加充分地利用了陽光的譜域，異質(zhì)疊層太陽電池應有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時具有抑制光致衰退的效果。
????? 形成異質(zhì)疊層太陽電他的材料的帶隙必須有恰當?shù)钠ヅ洳趴赡塬@得最佳的效果。目前流行的非晶硅鍺為基礎(chǔ)的異質(zhì)疊層太陽電池較好的匹配帶隙分別為1。8eV、1。6eV、1。4eV。除了匹配帶隙的要求外，組成疊層太陽電他的各子電池中光電流應基本相等；子電池之間的p/n結(jié)應為高透光高電導的隧道結(jié)。
3．4 新材料探索
????? 探索的寬帶隙材料主要有，非晶硅碳、非晶硅氧：微晶硅、微晶硅碳等，這些材料主要用于窗口層。頂電池的i層主要是寬帶隙非晶硅和非晶硅碳。最受重視的窄帶隙材料是非晶硅鍺。改變硅鍺合金中鍺含量，材料的帶隙在1.1eV到1.7eV范圍可調(diào)。硅與鍺的原子大小不一，成鍵鍵能不同，非晶硅鍺膜通常比非晶硅缺陷更多。膜中硅與鍺原子并不是均勻混合分布的，氫化時，氫擇優(yōu)與硅鍵合，克服這些困難的關(guān)鍵是，采用氫稀釋沉積法和摻氟。這些材料的光電子特性可以做得很好，但氫含量通常偏高，材料的光致衰退依然存在，疊層結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了它對電池性能的影響。
3．5新技術(shù)探索
????? 為了提高非晶硅太陽電他的初始效率和光照條件下的穩(wěn)定性，人們探索了許多新的材料制備工藝。比較重要的新工藝有：化學退火法、脈沖氖燈光照法、氫稀釋法、交替淀積與氫處理法、摻氟、本征層摻痕量硼法等。此外，為了提高a-Si薄膜材料的摻硼效率，用三甲基硼代替二乙硼烷作摻雜源氣。為了獲得a一Si膜的高淀積速率，采用二乙硅烷代替甲硅烷作源氣。
????? 所謂化學退火，就是在一層一層生長a-Si薄膜的間隔，用原子氫或激活的Ar、He原子來處理薄膜，使表面結(jié)構(gòu)弛豫，從而減少缺陷和過多的氫，在保證低隙態(tài)密度的同時，降低光致衰退效應。這里，化學處理粒子是用附加的設備產(chǎn)生的。
????? 氫稀釋法則采用大量（數(shù)十倍）氫稀釋硅烷作源氣淀積a-Si合金薄膜。實際上，一邊生長薄膜一邊對薄膜表面作氫處理。原理一樣，方法更簡單，效果基本相當。
????? 交替淀積與氫處理則是，重復進行交替的薄膜淀積與氫等離子體處理，這是上述兩種方法的結(jié)合。脈沖氖燈光照法是在一層一層生長a-Si薄膜的間隔，周期地用脈沖氖燈光照處理薄膜表面，其穩(wěn)定性有顯著提高。在制備a-Si的源氣中加入適量的四氟化硅就可實現(xiàn)a-Si摻氟。摻氟使硅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。本征a-Si呈弱n型，摻入痕量硼可將費米能級移向帶隙中央，既可提高光靈敏度又可減少光致衰退。
3．6新制備技術(shù)探索
????? 射頻等離子體增強CVD是當今普遍采用的制備a-Si合金薄膜的方法。它的主要優(yōu)點是：可以用較低的襯底溫度（200C左右），重復制備大面積均勻的薄膜，制得的氫化a-Si合金薄膜無結(jié)構(gòu)缺陷、臺階覆蓋良好、隙態(tài)密度低、光電子特性符合大面積太陽電他的要求。此法的主要缺點也是致命的缺點是，制備的a-Si膜含氫量高，通常有10％-15％氫含量，光致衰退比較嚴重。因此，人們一方面運用這一方法實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，另一方面又不斷努力探索新的制備技術(shù)。
????? 與RF-PECVD最相近的技術(shù)有，超高真空PECVD技術(shù)，甚高頻（VHF）PECVD技術(shù)和微波（包括 ECR）PECVD技術(shù)。激發(fā)等離子體的電磁波光子能量不同，則氣體分解粒子的能量不同，粒子生存壽命不 同，薄膜的生成及對膜表面的處理機制不同，生成膜的結(jié)構(gòu)、電子特性及穩(wěn)定性就會有區(qū)別。VHF和微波 PECVD在微晶硅的制備上有一定的優(yōu)勢。
????? 其它主要新技術(shù)還有，離子束淀積a-Si薄膜技術(shù)，HOMO-CVD技術(shù)和熱絲CVD技術(shù)等。離子束淀積 a-Si合金薄膜時，包括硅烷在內(nèi)的反應氣體先在離化室離化分解，然后形成離子束，淀積到襯底上，形成結(jié)構(gòu) 較穩(wěn)定的a-Si合金薄膜。HOMO-CVD技術(shù)通過加熱氣體，使之熱分解，分解粒子再淀積在襯底上。成膜的先級粒子壽命較長，膜的電子性能良好，氫含量低，穩(wěn)定性較好。這兩種技術(shù)成膜質(zhì)量雖好，但難以形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。熱絲CVD技術(shù)也是較有希望的優(yōu)質(zhì)薄膜硅的高速制備技術(shù)。
4非晶硅太陽電池的未來發(fā)展
4．1現(xiàn)有a-Si太陽電池產(chǎn)業(yè)的市場開發(fā)???
??? 非晶硅太陽電池無論在學術(shù)上還是在產(chǎn)業(yè)上都已取得巨大的成功，全世界的生產(chǎn)能力超過50MW，最大生產(chǎn)線年產(chǎn)為iQMW組件。這種大規(guī)模高檔次生產(chǎn)線滿負荷正常運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)成本已低達1．＝美元／峰瓦左右。據(jù)預測，若太陽電池成本低于每峰瓦：美元，壽命20年以上，發(fā)電系統(tǒng)成本低于每峰瓦2美元，則光伏發(fā)電電力將可與常規(guī)電力競爭。與其它品種太陽電池相比，非晶硅太陽電池更接近這一目標。非晶硅太陽電池目前雖不能與常規(guī)電力競爭，但在許多特定的條件下，它不僅可以作為功率發(fā)電使用，而且具有比較明顯的優(yōu)勢。如依托于建筑物的屋頂電站，它不占地面，免除占地的開支，發(fā)電成本較低；作為聯(lián)網(wǎng)電站，不需要儲能設備，太陽電池在發(fā)電成本中占主要部分，太陽電池低成本就會帶來電力低成本。
???? 目前世界上非晶硅太陽電池總銷售量不到其生產(chǎn)能力的一半，應用上除了少數(shù)較大規(guī)模的試驗電站外仍然以小型電源和室內(nèi)弱光電源為主。盡管晶體硅太陽電池生產(chǎn)成本是aSi電池的兩倍，但功率發(fā)電市場、仍以晶體硅電池為主。這說明光伏發(fā)電市場尚未真正成熟。另一方面，非晶硅太陽電池必須跨過一個“門檻”才能進入大光伏市場。一旦跨過“門檻”，市場需求將帶動產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大，而規(guī)模越大生產(chǎn)成本越低。要突破“門檻”，一方面須加強市場開拓力度，加強營銷措施；另一方面政府應給予用戶以適當補貼鼓勵，刺激市場的擴大。許多發(fā)達國家正在推行的諸如“百萬屋頂計劃”這類光伏應用項目，就是這種努力的具體體現(xiàn)，。
4．2技求進一步發(fā)展的方向
???? 非晶硅太陽電池一方面面臨高性能的晶體硅電池降低成本努力的挑戰(zhàn)：一方面又面臨廉價的其它薄膜太陽電池日益成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的挑戰(zhàn)。如欲獲得更大的發(fā)展，以便在未來的光伏能源中占據(jù)突出的位置，除了應努力開拓市場，將現(xiàn)有技術(shù)檔次的產(chǎn)品推向大規(guī)模功率發(fā)電應用外，還應進一步發(fā)揚它對晶體硅電池在成本價格上的優(yōu)勢和對其它薄膜太陽電池技術(shù)更成熟的優(yōu)勢，在克服自身弱點上下功夫。進一步提高組件產(chǎn)品的穩(wěn)定效率，延長產(chǎn)品使用壽命，比較具體的努力方向如下：
??? （1）加強a-Si基礎(chǔ)材料亞穩(wěn)特性及其克服辦法的研究，達到基本上消除薄膜硅太陽電池性能的光致衰退。
??? （2）加強晶化薄膜硅材料制備技術(shù)探索和研究，使未來的薄膜硅太陽電池產(chǎn)品既具備a一Si薄膜太陽電池低成本的優(yōu)勢，又具備晶體硅太陽電池長壽、高效和高穩(wěn)定的優(yōu)勢。
??? （3）加強帶有a-Si合金薄膜成分或者具有a-Si廉價特色的混合疊層電他的研究，把aSi太陽電池的優(yōu)點與其它太陽電池的優(yōu)點嫁接起來。
（4）選擇最佳的新技術(shù)途徑，不失時機地進行產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，在更高的技術(shù)水平上實現(xiàn)更大規(guī)模的太陽電池產(chǎn)業(yè)化和市場商品化。
工商網(wǎng)監(jiān)
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