多晶硅(gui)薄(bo)膜(mo)和(he)非晶硅薄膜(mo)太(tai)陽(yang)能電池對比分析(xi)

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)晶(jing)體硅(gui)(gui)(gui)(gui)太陽能(neng)電池(chi)是在(zai)厚度350－450μm的(de)高質(zhi)量硅(gui)(gui)(gui)(gui)片上制(zhi)成的(de)，這種硅(gui)(gui)(gui)(gui)片從(cong)提拉(la)或澆鑄的(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)錠上鋸割而成。因此實際消耗的(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)材料更多。為了(le)節省材料，人們(men)從(cong)70年代(dai)中期就開始在(zai)廉價襯底(di)上沉積(ji)(ji)多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜，但由(you)于生長的(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)膜晶(jing)粒大(da)小，未(wei)能(neng)制(zhi)成有價值(zhi)的(de)太陽能(neng)電池(chi)。為了(le)獲得大(da)尺寸(cun)晶(jing)粒的(de)薄(bo)膜，人們(men)一直沒有停止過(guo)研究，并(bing)提出(chu)了(le)很(hen)多方法(fa)。目前制(zhi)備多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜電池(chi)多采用化學(xue)氣(qi)(qi)相(xiang)沉積(ji)(ji)法(fa)，包(bao)括(kuo)低壓化學(xue)氣(qi)(qi)相(xiang)沉積(ji)(ji)（LPCVD）和等離子增強(qiang)化學(xue)氣(qi)(qi)相(xiang)沉積(ji)(ji)（PECVD）工藝。此外，液相(xiang)外延法(fa)（LPPE）和濺射沉積(ji)(ji)法(fa)也(ye)可(ke)用來制(zhi)備多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜電池(chi)。

化學(xue)氣相沉(chen)積主要(yao)(yao)是(shi)(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣體(ti)，在(zai)(zai)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)保護氣氛下反應生成(cheng)(cheng)硅(gui)原(yuan)子并(bing)沉(chen)積在(zai)(zai)加(jia)熱的(de)(de)(de)(de)襯底上(shang)，襯底材料一般(ban)選用(yong)(yong)Si、SiO2、Si3N4等。但研究(jiu)發現，在(zai)(zai)非硅(gui)襯底上(shang)很難形成(cheng)(cheng)較大的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒，并(bing)且容(rong)易在(zai)(zai)晶(jing)(jing)粒間形成(cheng)(cheng)空隙。解(jie)決(jue)這(zhe)一問題辦(ban)法是(shi)(shi)先用(yong)(yong)LPCVD在(zai)(zai)襯底上(shang)沉(chen)熾一層較薄的(de)(de)(de)(de)非晶(jing)(jing)硅(gui)層，再(zai)將這(zhe)層非晶(jing)(jing)硅(gui)層退火，得到(dao)較大的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒，然后再(zai)在(zai)(zai)這(zhe)層籽晶(jing)(jing)上(shang)沉(chen)積厚的(de)(de)(de)(de)多晶(jing)(jing)硅(gui)薄膜，因(yin)此，再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)技(ji)術無疑是(shi)(shi)很重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)一個環節，目前采用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術主要(yao)(yao)有固相結(jie)晶(jing)(jing)法和中區熔再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)法。

多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)除采用(yong)了(le)(le)再結晶(jing)工藝外，另外采用(yong)了(le)(le)幾乎所(suo)有(you)(you)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)技術，這(zhe)樣制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得(de)(de)的(de)(de)(de)太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率(lv)(lv)明(ming)顯提高。德國費萊堡(bao)太陽能(neng)(neng)研究所(suo)采用(yong)區館再結晶(jing)技術在(zai)FZSi襯(chen)底(di)(di)上制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得(de)(de)的(de)(de)(de)多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率(lv)(lv)為19％，日(ri)本(ben)三菱公(gong)司(si)用(yong)該法制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，效率(lv)(lv)達(da)16.42%。半導體、芯片(pian)(pian)、集成電(dian)(dian)路(lu)、設計、版圖、芯片(pian)(pian)、制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造、工藝、制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)程、封裝、測試(shi)。液相外延(yan)（LPE）法的(de)(de)(de)原理是通(tong)過將硅(gui)(gui)(gui)熔融(rong)在(zai)母體里(li)，降低(di)溫度析(xi)出硅(gui)(gui)(gui)膜。美(mei)國Astropower公(gong)司(si)采用(yong)LPE制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)效率(lv)(lv)達(da)12．2％。中(zhong)國光電(dian)(dian)發展技術中(zhong)心的(de)(de)(de)陳哲(zhe)良(liang)采用(yong)液相外延(yan)法在(zai)冶金級硅(gui)(gui)(gui)片(pian)(pian)上生(sheng)長(chang)出硅(gui)(gui)(gui)晶(jing)粒，并設計了(le)(le)一種(zhong)類似于(yu)晶(jing)體硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)新型太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，稱之為“硅(gui)(gui)(gui)粒”太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，但有(you)(you)關性能(neng)(neng)方面的(de)(de)(de)報(bao)道還未見到。多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)由于(yu)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)少(shao)，又(you)無效率(lv)(lv)衰退問(wen)題(ti)，并且有(you)(you)可(ke)能(neng)(neng)在(zai)廉(lian)價襯(chen)底(di)(di)材料上制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備，其成本(ben)遠(yuan)低(di)于(yu)單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，而效率(lv)(lv)高于(yu)非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，因此，多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)不(bu)久(jiu)將會(hui)在(zai)太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)地(di)市場上占(zhan)據主導地(di)位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太陽能(neng)(neng)電池(chi)(chi)的(de)(de)兩個關鍵問題就是：提(ti)高(gao)轉換效(xiao)率和降低(di)成本。由(you)于非晶硅(gui)薄膜(mo)太陽能(neng)(neng)電池(chi)(chi)的(de)(de)成本低(di)，便于大規模生(sheng)產，普遍受到人們的(de)(de)重(zhong)視并(bing)得(de)到迅速發展，其實早(zao)在70年代初，Carlson等(deng)就已經開始了對非晶硅(gui)電池(chi)(chi)的(de)(de)研制工(gong)作，近(jin)幾年它的(de)(de)研制工(gong)作得(de)到了迅速發展，目前(qian)世界上己有許多家(jia)公司在生(sheng)產該(gai)種電池(chi)(chi)產品。

非晶(jing)硅作為太陽(yang)能(neng)(neng)材料(liao)盡管是一種很(hen)好的(de)電(dian)池(chi)材料(liao)，但由于其光(guang)學帶(dai)隙為1.7eV，使(shi)得材料(liao)本(ben)身(shen)對(dui)太陽(yang)輻(fu)射光(guang)譜的(de)長波區(qu)域不敏感，這(zhe)樣一來就限制(zhi)了非晶(jing)硅太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)的(de)轉換效率。此(ci)外，其光(guang)電(dian)效率會(hui)隨著光(guang)照(zhao)時間的(de)延續而衰減(jian)，即所謂的(de)光(guang)致衰退S一W效應，使(shi)得電(dian)池(chi)性能(neng)(neng)不穩定。解決這(zhe)些(xie)問題的(de)這(zhe)徑就是制(zhi)備疊層(ceng)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)，疊層(ceng)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)是由在制(zhi)備的(de)p、i、n層(ceng)單結太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)上(shang)再沉(chen)積(ji)一個或多個P-i-n子電(dian)池(chi)制(zhi)得的(de)。

疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)提(ti)高轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率、解決(jue)單結電(dian)池(chi)(chi)(chi)不穩定性的(de)關鍵問題在于(yu)：①它把不同禁帶寬(kuan)度的(de)材科組臺在一起，提(ti)高了(le)光譜的(de)響(xiang)應范圍；②頂電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)i層(ceng)較(jiao)薄，光照產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)電(dian)場強度變化不大，保證i層(ceng)中的(de)光生(sheng)(sheng)載流子(zi)抽出；③底(di)電(dian)池(chi)(chi)(chi)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)載流子(zi)約為單電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)一半，光致衰退效(xiao)(xiao)應減小(xiao)；④疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)各子(zi)電(dian)池(chi)(chi)(chi)是串聯(lian)在一起的(de)。

非晶硅薄膜太陽能電(dian)(dian)池(chi)的制(zhi)備方法有很多(duo)，其(qi)中包括反應(ying)濺射(she)法、PECVD法、LPCVD法等，反應(ying)原料氣(qi)體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及(ji)不銹(xiu)鋼(gang)片，制(zhi)成的非晶硅薄膜經(jing)過不同的電(dian)(dian)池(chi)工藝過程可(ke)分別制(zhi)得單(dan)結電(dian)(dian)池(chi)和疊層太陽能電(dian)(dian)池(chi)。

目前非(fei)晶硅太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池的(de)(de)研(yan)究取得兩大進(jin)展(zhan)：第一、三(san)疊層(ceng)(ceng)結構非(fei)晶硅太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池轉(zhuan)換效率(lv)(lv)達到13％，創下(xia)新的(de)(de)記錄；第二.三(san)疊層(ceng)(ceng)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池年生產能(neng)力達5MW。美國(guo)聯合太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)公司(si)（VSSC）制得的(de)(de)單結太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池最高(gao)轉(zhuan)換效率(lv)(lv)為(wei)9．3%，三(san)帶隙三(san)疊層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)池最高(gao)轉(zhuan)換效率(lv)(lv)為(wei)上述最高(gao)轉(zhuan)換效率(lv)(lv)是(shi)在(zai)小面積（0．25cm2）電(dian)(dian)池上取得的(de)(de)。

曾(ceng)有文(wen)獻報道(dao)單(dan)結非晶(jing)硅(gui)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率超過12．5％，日本中央研究院采(cai)用(yong)一系(xi)列新措施，制(zhi)(zhi)得的非晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)池(chi)的轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率為(wei)(wei)13．2％。國內(nei)關(guan)于非晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)池(chi)特別是疊(die)層(ceng)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的研究并不(bu)多，南開大學的耿新華(hua)等采(cai)用(yong)工業用(yong)材(cai)料，以(yi)鋁(lv)背(bei)電(dian)(dian)極制(zhi)(zhi)備出面積為(wei)(wei)20X20cm2、轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率為(wei)(wei)8．28％的a－Si/a－Si疊(die)層(ceng)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)。

非晶硅(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)池由(you)于(yu)具(ju)有較高的(de)轉(zhuan)換效率(lv)和較低的(de)成本(ben)及重量輕等(deng)特點，有著(zhu)極大(da)的(de)潛力。但同(tong)時由(you)于(yu)它的(de)穩定性(xing)不高，直接(jie)影響了它的(de)實際應用。如果能進一步解(jie)決穩定性(xing)問題(ti)及提高轉(zhuan)換率(lv)問題(ti)，那么，非晶硅(gui)大(da)陽能電(dian)(dian)池無疑是太(tai)陽能電(dian)(dian)池的(de)主要發展產品之(zhi)一。

注：太(tai)陽(yang)能光(guang)伏(fu)電池（簡(jian)稱光(guang)伏(fu)電池）用于把太(tai)陽(yang)的光(guang)能直接(jie)轉(zhuan)化為電能。目前地面(mian)光(guang)伏(fu)系統大量使用的是以(yi)硅為基底的硅太(tai)陽(yang)能電池，可分為單(dan)(dan)晶(jing)硅、多晶(jing)硅、非(fei)晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能電池。在能量轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率和使用壽命等綜合性(xing)能方面(mian)，單(dan)(dan)晶(jing)硅和多晶(jing)硅電池優于非(fei)晶(jing)硅電池。多晶(jing)硅比(bi)單(dan)(dan)晶(jing)硅轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率略低，但價格更便宜。

三(san)、非(fei)晶(jing)硅薄膜太(tai)陽能電(dian)池的(de)優點

非晶硅太陽能電池之所(suo)以受到人(ren)們的關(guan)注和重視(shi)，是因(yin)為它具有如下諸多的優點：

1.非(fei)晶硅(gui)具有較高的(de)光吸收系數(shu)(shu)，特別(bie)是(shi)在0.3-0.75um 的(de)可見光波(bo)段(duan)，它的(de)吸收系數(shu)(shu)比單晶硅(gui)要(yao)(yao)高出一個數(shu)(shu)量(liang)級(ji)。因而它比單晶硅(gui)對(dui)太陽(yang)能(neng)(neng)輻射的(de)吸收率要(yao)(yao)高40倍左右(you)，用很薄的(de)非(fei)晶硅(gui)膜(約1um厚)就能(neng)(neng)吸收90%有用的(de)太陽(yang)能(neng)(neng)，這是(shi)非(fei)晶硅(gui)材(cai)料最(zui)(zui)重要(yao)(yao)的(de)特點(dian)，也是(shi)它能(neng)(neng)夠成為(wei)低價格太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池的(de)最(zui)(zui)主要(yao)(yao)因素。

2. 非(fei)晶硅(gui)(gui)的(de)禁(jin)帶寬度比單晶硅(gui)(gui)大(da)，隨制備條件的(de)不同約在1.5-2.0 eV的(de)范圍內變(bian)化，這(zhe)樣(yang)制成(cheng)的(de)非(fei)晶硅(gui)(gui)太陽能電池的(de)開路電壓(ya)高。

3.制備非晶硅(gui)的工藝和設備簡單，淀積溫度低，時(shi)間短，適(shi)于大批(pi)生(sheng)產(chan)，制作(zuo)單晶硅(gui)電池(chi)一般(ban)需要(yao)1000度以(yi)上(shang)的高(gao)溫，而(er)非晶硅(gui)電池(chi)的制作(zuo)僅需200度左(zuo)右。

4.由于非晶硅沒有晶體(ti)(ti)硅所(suo)需要(yao)的(de)周(zhou)期(qi)性原子排列，可(ke)以不考慮制(zhi)備晶體(ti)(ti)所(suo)必須考慮的(de)材(cai)料與襯(chen)底(di)間的(de)晶格失配問題，因而它幾乎(hu)可(ke)以淀積在(zai)任何襯(chen)底(di)上，包括廉價的(de)玻璃襯(chen)底(di)，并且易于實(shi)現大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能耗少，約(yue)100千瓦小時，能耗的(de)回收年(nian)數比單晶硅電池短很多。