多晶硅(gui)薄膜和(he)非晶硅薄膜(mo)太陽能電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅(gui)(gui)(gui)太陽(yang)能電(dian)池(chi)是在厚度(du)350－450μm的高(gao)質量硅(gui)(gui)(gui)片(pian)上(shang)制成(cheng)的，這種(zhong)硅(gui)(gui)(gui)片(pian)從(cong)提拉或澆(jiao)鑄的硅(gui)(gui)(gui)錠上(shang)鋸割而成(cheng)。因此實際消耗的硅(gui)(gui)(gui)材(cai)(cai)料(liao)更多(duo)。為了(le)(le)節省材(cai)(cai)料(liao)，人們(men)從(cong)70年代中期就(jiu)開始(shi)在廉價襯(chen)底上(shang)沉積多(duo)晶硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)，但由于生(sheng)長(chang)的硅(gui)(gui)(gui)膜(mo)晶粒(li)大(da)小(xiao)，未能制成(cheng)有價值的太陽(yang)能電(dian)池(chi)。為了(le)(le)獲得大(da)尺寸晶粒(li)的薄膜(mo)，人們(men)一直沒(mei)有停止過研(yan)究，并(bing)提出了(le)(le)很(hen)多(duo)方法(fa)。目前制備多(duo)晶硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)池(chi)多(duo)采用(yong)化學氣相沉積法(fa)，包(bao)括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工(gong)藝(yi)。此外，液相外延(yan)法(fa)（LPPE）和濺射沉積法(fa)也可用(yong)來制備多(duo)晶硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)池(chi)。

化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)主(zhu)要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反(fan)應氣(qi)體(ti)，在一(yi)定(ding)的(de)保護氣(qi)氛下反(fan)應生成(cheng)(cheng)硅(gui)(gui)原子并沉(chen)積(ji)在加(jia)熱(re)的(de)襯底上(shang)，襯底材料(liao)一(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現(xian)，在非硅(gui)(gui)襯底上(shang)很難形(xing)成(cheng)(cheng)較(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒(li)，并且容易在晶(jing)粒(li)間形(xing)成(cheng)(cheng)空隙。解決這(zhe)一(yi)問題辦法(fa)是先用LPCVD在襯底上(shang)沉(chen)熾一(yi)層(ceng)(ceng)較(jiao)薄(bo)的(de)非晶(jing)硅(gui)(gui)層(ceng)(ceng)，再將(jiang)這(zhe)層(ceng)(ceng)非晶(jing)硅(gui)(gui)層(ceng)(ceng)退火，得(de)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒(li)，然后再在這(zhe)層(ceng)(ceng)籽晶(jing)上(shang)沉(chen)積(ji)厚的(de)多晶(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜，因此，再結(jie)(jie)晶(jing)技術無(wu)疑是很重(zhong)要的(de)一(yi)個環節，目前采用的(de)技術主(zhu)要有固相結(jie)(jie)晶(jing)法(fa)和中區熔再結(jie)(jie)晶(jing)法(fa)。

多(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)除采用了(le)再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)工(gong)(gong)藝(yi)外(wai)，另外(wai)采用了(le)幾(ji)乎所(suo)有制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)技術(shu)，這(zhe)樣(yang)制(zhi)(zhi)得的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)明顯(xian)提高。德(de)國(guo)費萊(lai)堡(bao)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)研究所(suo)采用區館再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)技術(shu)在(zai)FZSi襯底(di)上制(zhi)(zhi)得的(de)(de)多(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)為(wei)19％，日本三菱(ling)公(gong)司(si)(si)用該法(fa)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，效(xiao)(xiao)率(lv)達16.42%。半(ban)導體、芯(xin)片、集成電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路、設計、版圖(tu)、芯(xin)片、制(zhi)(zhi)造、工(gong)(gong)藝(yi)、制(zhi)(zhi)程、封(feng)裝、測試。液相外(wai)延（LPE）法(fa)的(de)(de)原理是(shi)通過將(jiang)硅(gui)(gui)(gui)(gui)熔融在(zai)母體里，降低溫度析出(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)膜(mo)(mo)。美(mei)國(guo)Astropower公(gong)司(si)(si)采用LPE制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)效(xiao)(xiao)率(lv)達12．2％。中(zhong)國(guo)光電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發展(zhan)技術(shu)中(zhong)心的(de)(de)陳哲良采用液相外(wai)延法(fa)在(zai)冶(ye)金級硅(gui)(gui)(gui)(gui)片上生長出(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)晶(jing)(jing)(jing)粒，并設計了(le)一種類似于(yu)(yu)晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)新(xin)型太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，稱之為(wei)“硅(gui)(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，但有關性能(neng)(neng)(neng)方(fang)面的(de)(de)報道(dao)還未見到。多(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)由于(yu)(yu)所(suo)使(shi)用的(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)少(shao)，又(you)無效(xiao)(xiao)率(lv)衰退問(wen)題(ti)，并且有可能(neng)(neng)(neng)在(zai)廉(lian)價襯底(di)材(cai)料(liao)上制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)，其(qi)成本遠(yuan)低于(yu)(yu)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，而效(xiao)(xiao)率(lv)高于(yu)(yu)非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，因此，多(duo)(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)不久將(jiang)會(hui)在(zai)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)地(di)市場(chang)上占(zhan)據主導地(di)位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fa)太陽能電池的(de)兩(liang)個關鍵問題(ti)就(jiu)是：提高轉換效率(lv)和降低(di)成本。由(you)于非晶(jing)(jing)硅(gui)薄膜太陽能電池的(de)成本低(di)，便于大規模(mo)生產(chan)，普(pu)遍受到(dao)人們的(de)重視并得到(dao)迅速(su)發(fa)展，其實早在70年(nian)代(dai)初，Carlson等就(jiu)已經(jing)開始了(le)對非晶(jing)(jing)硅(gui)電池的(de)研(yan)制工作，近幾年(nian)它的(de)研(yan)制工作得到(dao)了(le)迅速(su)發(fa)展，目前世(shi)界上(shang)己有許多家公司在生產(chan)該種電池產(chan)品(pin)。

非晶硅(gui)作為(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)材料(liao)盡管是(shi)一(yi)種很好的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)材料(liao)，但(dan)由于(yu)其光學帶(dai)隙為(wei)1.7eV，使得材料(liao)本身對(dui)太(tai)陽(yang)輻射(she)光譜的(de)長波區域不敏感(gan)，這(zhe)樣(yang)一(yi)來就限制(zhi)了非晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)轉換效率。此(ci)外，其光電(dian)(dian)(dian)效率會(hui)隨著光照(zhao)時間的(de)延續而衰減，即所謂的(de)光致(zhi)衰退(tui)S一(yi)W效應，使得電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)性能(neng)不穩定。解決(jue)這(zhe)些問(wen)題的(de)這(zhe)徑就是(shi)制(zhi)備疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)，疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)是(shi)由在制(zhi)備的(de)p、i、n層(ceng)單(dan)結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)上再沉積一(yi)個或多個P-i-n子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)制(zhi)得的(de)。

疊層太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)(chi)(chi)提高(gao)轉換(huan)效率(lv)、解決單(dan)結電(dian)池(chi)(chi)(chi)不(bu)穩定性的(de)關鍵問題在于：①它把不(bu)同禁帶寬度的(de)材科組臺在一(yi)起(qi)，提高(gao)了(le)光(guang)譜的(de)響(xiang)應范圍；②頂電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)i層較薄(bo)，光(guang)照產生的(de)電(dian)場(chang)強度變(bian)化不(bu)大，保(bao)證i層中的(de)光(guang)生載流子(zi)(zi)抽出；③底(di)電(dian)池(chi)(chi)(chi)產生的(de)載流子(zi)(zi)約為單(dan)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)一(yi)半(ban)，光(guang)致衰退效應減(jian)小；④疊層太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)(chi)(chi)各子(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)(chi)是串聯在一(yi)起(qi)的(de)。

非晶硅薄膜(mo)(mo)太陽能電(dian)池(chi)的(de)制備(bei)方法(fa)(fa)(fa)有很多，其中包括反應濺射法(fa)(fa)(fa)、PECVD法(fa)(fa)(fa)、LPCVD法(fa)(fa)(fa)等，反應原料(liao)氣(qi)體(ti)為H2稀(xi)釋的(de)SiH4，襯底主要為玻(bo)璃(li)及不銹鋼片，制成的(de)非晶硅薄膜(mo)(mo)經(jing)過(guo)不同的(de)電(dian)池(chi)工藝過(guo)程可分別(bie)制得(de)單結電(dian)池(chi)和疊層太陽能電(dian)池(chi)。

目前非晶硅(gui)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)的研究取(qu)得(de)(de)兩大進展：第一、三(san)(san)(san)疊層(ceng)結(jie)構非晶硅(gui)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率達到13％，創下新(xin)的記錄；第二.三(san)(san)(san)疊層(ceng)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)年(nian)生產能力(li)達5MW。美(mei)國聯合(he)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能公(gong)司（VSSC）制得(de)(de)的單結(jie)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為9．3%，三(san)(san)(san)帶隙三(san)(san)(san)疊層(ceng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為上述最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率是(shi)在(zai)小面積（0．25cm2）電(dian)(dian)池(chi)(chi)上取(qu)得(de)(de)的。

曾有文(wen)獻(xian)報道(dao)單結非(fei)晶(jing)(jing)硅太陽(yang)(yang)能(neng)電池(chi)(chi)轉換(huan)效(xiao)率超過(guo)12．5％，日(ri)本中央研究院采(cai)用(yong)一系列新(xin)措施，制(zhi)得的非(fei)晶(jing)(jing)硅電池(chi)(chi)的轉換(huan)效(xiao)率為(wei)13．2％。國內關于非(fei)晶(jing)(jing)硅薄膜電池(chi)(chi)特(te)別(bie)是疊(die)層(ceng)太陽(yang)(yang)能(neng)電池(chi)(chi)的研究并不多，南開大學(xue)的耿(geng)新(xin)華等(deng)采(cai)用(yong)工業用(yong)材料，以鋁背電極制(zhi)備出面積為(wei)20X20cm2、轉換(huan)效(xiao)率為(wei)8．28％的a－Si/a－Si疊(die)層(ceng)太陽(yang)(yang)能(neng)電池(chi)(chi)。

非晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)由(you)于具有較高(gao)的轉(zhuan)換效率和較低的成本及(ji)重量輕等特點(dian)，有著(zhu)極大(da)的潛力。但同時由(you)于它(ta)的穩定性不高(gao)，直接影響了它(ta)的實際(ji)應用。如果能進一(yi)步解(jie)決穩定性問題(ti)及(ji)提高(gao)轉(zhuan)換率問題(ti)，那么，非晶硅(gui)大(da)陽(yang)能電池(chi)(chi)無疑是太(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)的主要發(fa)展產(chan)品(pin)之一(yi)。

注(zhu)：太(tai)陽能光伏(fu)電(dian)(dian)池(chi)（簡稱光伏(fu)電(dian)(dian)池(chi)）用(yong)于把太(tai)陽的(de)光能直接轉(zhuan)(zhuan)化為(wei)電(dian)(dian)能。目前地面光伏(fu)系(xi)統大量使用(yong)的(de)是(shi)以硅(gui)(gui)(gui)為(wei)基底的(de)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)池(chi)，可(ke)分為(wei)單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)、多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)、非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)池(chi)。在能量轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率和使用(yong)壽命等綜合性能方面，單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)和多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)優于非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)。多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)比單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率略(lve)低，但價(jia)格更便宜(yi)。

三、非晶硅薄膜太陽能(neng)電(dian)池(chi)的優點(dian)

非晶硅太陽能電池(chi)之所以受到(dao)人(ren)們的關注和重視，是因(yin)為(wei)它具(ju)有如下諸多的優點：

1.非晶(jing)(jing)硅(gui)具(ju)有較高的(de)光(guang)吸(xi)(xi)收(shou)系(xi)數(shu)(shu)，特別是在0.3-0.75um 的(de)可見光(guang)波段(duan)，它的(de)吸(xi)(xi)收(shou)系(xi)數(shu)(shu)比單晶(jing)(jing)硅(gui)要高出一個數(shu)(shu)量級。因(yin)而(er)它比單晶(jing)(jing)硅(gui)對太(tai)陽能(neng)輻射的(de)吸(xi)(xi)收(shou)率要高40倍左右(you)，用很薄的(de)非晶(jing)(jing)硅(gui)膜(mo)(約1um厚)就(jiu)能(neng)吸(xi)(xi)收(shou)90%有用的(de)太(tai)陽能(neng)，這是非晶(jing)(jing)硅(gui)材料最重要的(de)特點，也是它能(neng)夠成為低價格太(tai)陽能(neng)電池的(de)最主要因(yin)素。

2. 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制(zhi)備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內(nei)變化，這(zhe)樣制(zhi)成的非晶硅太陽能(neng)電池的開(kai)路電壓高(gao)。

3.制備非晶硅的工藝和設備簡單，淀積溫度低，時(shi)間短，適(shi)于大批(pi)生產，制作單晶硅電池(chi)一般需要1000度以(yi)上的高溫，而非晶硅電池(chi)的制作僅需200度左右。

4.由于(yu)非(fei)晶(jing)硅沒(mei)有晶(jing)體(ti)硅所需要(yao)的周期性原(yuan)子排(pai)列，可以(yi)(yi)不考慮(lv)制備晶(jing)體(ti)所必(bi)須考慮(lv)的材(cai)料與襯(chen)底間(jian)的晶(jing)格失配(pei)問(wen)題，因而它(ta)幾乎可以(yi)(yi)淀積在任何(he)襯(chen)底上，包括廉(lian)價的玻璃襯(chen)底，并且易于(yu)實現大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗少，約(yue)100千瓦(wa)小時，能(neng)耗的回(hui)收(shou)年數比單(dan)晶硅電池短很多。