多晶(jing)硅薄(bo)膜和非(fei)晶硅薄膜太(tai)陽(yang)能電(dian)池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)(de)晶(jing)體硅(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)是在(zai)厚度350－450μm的(de)(de)高(gao)質量(liang)硅(gui)片上(shang)制(zhi)成(cheng)的(de)(de)，這種(zhong)硅(gui)片從(cong)提拉或澆(jiao)鑄的(de)(de)硅(gui)錠(ding)上(shang)鋸割而成(cheng)。因(yin)此實際消耗的(de)(de)硅(gui)材料更多(duo)(duo)。為(wei)了(le)節(jie)省材料，人們從(cong)70年代中期就開始在(zai)廉(lian)價襯底上(shang)沉積多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜(mo)，但(dan)由于生長的(de)(de)硅(gui)膜(mo)晶(jing)粒大小，未能制(zhi)成(cheng)有價值的(de)(de)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)。為(wei)了(le)獲得大尺寸晶(jing)粒的(de)(de)薄膜(mo)，人們一直沒有停止(zhi)過研究，并提出了(le)很(hen)多(duo)(duo)方法。目(mu)前制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜(mo)電(dian)池(chi)多(duo)(duo)采用(yong)(yong)化學氣(qi)相沉積法，包(bao)括低壓(ya)化學氣(qi)相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiang)化學氣(qi)相沉積（PECVD）工藝(yi)。此外，液相外延(yan)法（LPPE）和濺射(she)沉積法也可用(yong)(yong)來制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜(mo)電(dian)池(chi)。

化學(xue)氣(qi)相(xiang)沉積主(zhu)要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣(qi)體，在一(yi)定的(de)(de)保護氣(qi)氛下(xia)反應生成硅原子并(bing)沉積在加(jia)熱的(de)(de)襯底上，襯底材料(liao)一(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研(yan)究(jiu)發現，在非(fei)(fei)硅襯底上很(hen)難形(xing)成較(jiao)大的(de)(de)晶(jing)(jing)粒，并(bing)且容易在晶(jing)(jing)粒間形(xing)成空隙。解決這(zhe)一(yi)問(wen)題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一(yi)層(ceng)較(jiao)薄的(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)(jing)硅層(ceng)，再(zai)將(jiang)這(zhe)層(ceng)非(fei)(fei)晶(jing)(jing)硅層(ceng)退火，得到較(jiao)大的(de)(de)晶(jing)(jing)粒，然后再(zai)在這(zhe)層(ceng)籽晶(jing)(jing)上沉積厚的(de)(de)多晶(jing)(jing)硅薄膜，因此，再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)技術(shu)無疑是很(hen)重要的(de)(de)一(yi)個環(huan)節，目前采用的(de)(de)技術(shu)主(zhu)要有固相(xiang)結(jie)晶(jing)(jing)法和中(zhong)區熔再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)法。

多晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)除采用(yong)了再結晶(jing)工藝外(wai)，另外(wai)采用(yong)了幾乎所(suo)有制(zhi)備(bei)單晶(jing)硅(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)技術(shu)(shu)，這樣制(zhi)得的(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換(huan)效(xiao)率(lv)明顯提高。德國(guo)(guo)費萊堡太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)研(yan)究所(suo)采用(yong)區館再結晶(jing)技術(shu)(shu)在(zai)FZSi襯底上制(zhi)得的(de)(de)(de)多晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換(huan)效(xiao)率(lv)為19％，日(ri)本三菱公司用(yong)該法制(zhi)備(bei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，效(xiao)率(lv)達16.42%。半(ban)導體、芯片、集成電(dian)(dian)(dian)路(lu)、設(she)計(ji)、版圖、芯片、制(zhi)造(zao)、工藝、制(zhi)程、封裝、測試。液(ye)相外(wai)延（LPE）法的(de)(de)(de)原理是(shi)通(tong)過將(jiang)硅(gui)熔融(rong)在(zai)母體里，降低溫度析出(chu)硅(gui)膜(mo)。美(mei)國(guo)(guo)Astropower公司采用(yong)LPE制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效(xiao)率(lv)達12．2％。中國(guo)(guo)光電(dian)(dian)(dian)發展(zhan)技術(shu)(shu)中心的(de)(de)(de)陳哲(zhe)良采用(yong)液(ye)相外(wai)延法在(zai)冶金級硅(gui)片上生長(chang)出(chu)硅(gui)晶(jing)粒，并(bing)設(she)計(ji)了一種類似于(yu)(yu)晶(jing)體硅(gui)薄(bo)膜(mo)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)新(xin)型(xing)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，稱之為“硅(gui)粒”太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，但有關性能(neng)(neng)(neng)方面的(de)(de)(de)報道還未見到。多晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由(you)于(yu)(yu)所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)硅(gui)遠較單晶(jing)硅(gui)少(shao)，又(you)無效(xiao)率(lv)衰(shuai)退問(wen)題(ti)，并(bing)且有可(ke)能(neng)(neng)(neng)在(zai)廉價襯底材料(liao)上制(zhi)備(bei)，其成本遠低于(yu)(yu)單晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，而效(xiao)率(lv)高于(yu)(yu)非晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，因此，多晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不久將(jiang)會在(zai)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)地市場(chang)上占據主(zhu)導地位(wei)。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太陽能電池(chi)的(de)兩(liang)個關鍵問題就是：提高轉換(huan)效率和降低(di)成本。由于(yu)非晶硅(gui)薄膜太陽能電池(chi)的(de)成本低(di)，便于(yu)大規(gui)模生產(chan)，普遍受(shou)到(dao)人(ren)們的(de)重(zhong)視并得(de)(de)到(dao)迅(xun)速發展，其實(shi)早(zao)在70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅(gui)電池(chi)的(de)研(yan)制(zhi)工作(zuo)，近幾年它的(de)研(yan)制(zhi)工作(zuo)得(de)(de)到(dao)了迅(xun)速發展，目(mu)前世界上(shang)己有(you)許(xu)多家(jia)公司在生產(chan)該種電池(chi)產(chan)品。

非(fei)晶硅作為太(tai)(tai)陽能材(cai)料盡管(guan)是一(yi)(yi)種(zhong)很好的(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)材(cai)料，但由于其光(guang)學帶隙為1.7eV，使得材(cai)料本身(shen)對太(tai)(tai)陽輻射光(guang)譜(pu)的(de)(de)(de)(de)長波(bo)區域不敏感，這(zhe)(zhe)樣一(yi)(yi)來就限制了非(fei)晶硅太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)轉換效率(lv)。此外，其光(guang)電(dian)效率(lv)會隨著光(guang)照時間的(de)(de)(de)(de)延續而衰減，即所謂(wei)的(de)(de)(de)(de)光(guang)致衰退(tui)S一(yi)(yi)W效應，使得電(dian)池(chi)(chi)性能不穩(wen)定。解決這(zhe)(zhe)些(xie)問題的(de)(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)徑就是制備(bei)疊(die)層(ceng)太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)，疊(die)層(ceng)太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)是由在(zai)制備(bei)的(de)(de)(de)(de)p、i、n層(ceng)單結太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)上再沉積一(yi)(yi)個(ge)或多個(ge)P-i-n子電(dian)池(chi)(chi)制得的(de)(de)(de)(de)。

疊層太(tai)陽能電(dian)池提高(gao)轉換效率(lv)、解(jie)決單(dan)結電(dian)池不(bu)穩定性的(de)(de)關鍵問題在于：①它把(ba)不(bu)同禁帶寬度的(de)(de)材(cai)科組臺在一起，提高(gao)了(le)光(guang)譜的(de)(de)響應范圍；②頂電(dian)池的(de)(de)i層較薄，光(guang)照產生的(de)(de)電(dian)場強度變化不(bu)大，保證i層中的(de)(de)光(guang)生載流子抽出；③底電(dian)池產生的(de)(de)載流子約為單(dan)電(dian)池的(de)(de)一半，光(guang)致衰退效應減小(xiao)；④疊層太(tai)陽能電(dian)池各子電(dian)池是串聯在一起的(de)(de)。

非晶(jing)硅薄膜太陽(yang)能電(dian)池(chi)的制備方法(fa)有很多，其中包括反應(ying)濺射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反應(ying)原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不(bu)銹(xiu)鋼片，制成的非晶(jing)硅薄膜經過(guo)不(bu)同的電(dian)池(chi)工藝過(guo)程可分(fen)別制得單結電(dian)池(chi)和疊(die)層(ceng)太陽(yang)能電(dian)池(chi)。

目前非(fei)(fei)晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池的(de)研(yan)究取得(de)(de)兩大(da)進展：第一、三疊層(ceng)結構(gou)非(fei)(fei)晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池轉換(huan)(huan)效率達(da)到13％，創下新的(de)記錄(lu)；第二.三疊層(ceng)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池年(nian)生產能(neng)(neng)力達(da)5MW。美國聯(lian)合太(tai)陽能(neng)(neng)公司(si)（VSSC）制得(de)(de)的(de)單結太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池最(zui)(zui)高(gao)轉換(huan)(huan)效率為9．3%，三帶(dai)隙三疊層(ceng)電(dian)池最(zui)(zui)高(gao)轉換(huan)(huan)效率為上述最(zui)(zui)高(gao)轉換(huan)(huan)效率是在小(xiao)面積（0．25cm2）電(dian)池上取得(de)(de)的(de)。

曾有文(wen)獻報道(dao)單(dan)結非晶(jing)硅(gui)太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率超過12．5％，日本(ben)中(zhong)央研(yan)究院采(cai)用一(yi)系列新措施，制(zhi)得的(de)(de)非晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為13．2％。國(guo)內(nei)關于非晶(jing)硅(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)特別是疊(die)層太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)研(yan)究并(bing)不多，南開大學的(de)(de)耿新華等采(cai)用工業用材料，以鋁背電(dian)(dian)(dian)極制(zhi)備出面(mian)積為20X20cm2、轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為8．28％的(de)(de)a－Si/a－Si疊(die)層太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。

非晶(jing)硅(gui)太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)由于具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)轉換(huan)效率和較(jiao)低的(de)成本及重量輕(qing)等(deng)特點，有(you)著極大的(de)潛(qian)力(li)。但同時由于它的(de)穩定性(xing)不高(gao)，直接影響了它的(de)實(shi)際應用。如果能(neng)進一(yi)步解決穩定性(xing)問(wen)題及提高(gao)轉換(huan)率問(wen)題，那么，非晶(jing)硅(gui)大陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)無疑是太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)主要發展產品之一(yi)。

注：太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)光伏電池（簡稱光伏電池）用(yong)(yong)于把太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)的光能(neng)直接轉化為(wei)(wei)電能(neng)。目前(qian)地面(mian)光伏系(xi)統大量(liang)使用(yong)(yong)的是以硅(gui)為(wei)(wei)基(ji)底(di)的硅(gui)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電池，可(ke)分(fen)為(wei)(wei)單晶(jing)(jing)硅(gui)、多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)、非晶(jing)(jing)硅(gui)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電池。在(zai)能(neng)量(liang)轉換效率和(he)使用(yong)(yong)壽命等綜(zong)合性能(neng)方面(mian)，單晶(jing)(jing)硅(gui)和(he)多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)電池優于非晶(jing)(jing)硅(gui)電池。多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)比單晶(jing)(jing)硅(gui)轉換效率略低，但價格更便宜。

三、非(fei)晶(jing)硅薄膜太陽(yang)能電(dian)池的優(you)點

非晶硅太陽能電池(chi)之所以(yi)受到人們的(de)關注和重視(shi)，是因為它具有如下諸多的(de)優點：

1.非晶(jing)硅(gui)具(ju)有較高的(de)(de)光(guang)(guang)吸收(shou)系數(shu)，特(te)別是在0.3-0.75um 的(de)(de)可見光(guang)(guang)波段，它(ta)的(de)(de)吸收(shou)系數(shu)比單(dan)晶(jing)硅(gui)要高出一個數(shu)量級。因(yin)而它(ta)比單(dan)晶(jing)硅(gui)對太陽(yang)能(neng)輻射的(de)(de)吸收(shou)率要高40倍左右，用很薄的(de)(de)非晶(jing)硅(gui)膜(約(yue)1um厚(hou))就能(neng)吸收(shou)90%有用的(de)(de)太陽(yang)能(neng)，這是非晶(jing)硅(gui)材料最(zui)重要的(de)(de)特(te)點，也(ye)是它(ta)能(neng)夠成(cheng)為低(di)價(jia)格(ge)太陽(yang)能(neng)電池的(de)(de)最(zui)主要因(yin)素(su)。

2. 非(fei)(fei)晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨(sui)制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍(wei)內變化，這樣制成的非(fei)(fei)晶硅太陽(yang)能電(dian)池的開路電(dian)壓高。

3.制(zhi)備(bei)非晶硅(gui)的工藝和(he)設備(bei)簡(jian)單，淀積溫度低，時間(jian)短(duan)，適于(yu)大批(pi)生產，制(zhi)作單晶硅(gui)電(dian)池一般需(xu)要1000度以上的高溫，而非晶硅(gui)電(dian)池的制(zhi)作僅需(xu)200度左右(you)。

4.由于非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)沒有晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)所(suo)需要的周期性原子(zi)排列，可(ke)(ke)以不考(kao)(kao)慮(lv)制備晶(jing)(jing)(jing)體所(suo)必(bi)須考(kao)(kao)慮(lv)的材料(liao)與襯(chen)底(di)間的晶(jing)(jing)(jing)格(ge)失配問題，因(yin)而它幾乎可(ke)(ke)以淀積(ji)在任何襯(chen)底(di)上，包括廉價的玻璃(li)襯(chen)底(di)，并且易于實現大面積(ji)化。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗(hao)少(shao)，約100千(qian)瓦小時，能(neng)耗(hao)的回收年數比單晶硅電池短很(hen)多。