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非晶硅薄膜太阳能电池稳定性技术研究


第 29 卷第 3 期 2011 年 9 月

湖北民族学院学报( 自然科学版) Journal of Hubei University for Nationalities( Natural Science Edition)

Vol. 29 No. 3 Sep. 2011

非晶硅薄膜太阳能电池稳定性技术研究

>郑 奇

( 湖北民族学院 理学院, 湖北 恩施 445000)
摘要:介绍了非晶硅薄膜的制备原理以及硅膜制备过程中的重要改进方法, 在制备非晶硅薄膜过程中从非晶 硅膜结构的参数设计、 生产中的工艺技术方法以及电池稳定性实验数据分析, 提出采用该系列措施可在一定程度 上改善硅薄膜太阳能电池不够稳定的缺陷. 关键词:太阳能; 非晶硅薄膜; 稳定性
+ 中图分类号:TM914. 4 2

文献标识码:A

文章编号:1008 - 8423(2011)03 - 0335 - 03

Research on Stability Technology of Amorphous Silicon Thin Film Solar Cells
ZHENG Qi
( School of Science, Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China)

Abstract: This paper introduced the preparation principle of the amorphous silicon thin film and improvement methods for preparation of silicon membrane. In the process of preparing the amorphous silicon thin by the film, discussing the parameter design of amorphous silicon membrane structure, technology method and battery stability data analysis,the article proposes that taking these measures can improve the stability of the silicon thin film solar cells. Key words: solar energy; amorphous silicon film; stability 太阳能作为最清洁、 最绿色环保和用之不竭的能源受到人们的特别关注 , 世界各国均高度关注太阳能利 用及转换技术的研究和发展. 我国政府对于太阳能电池研究及应用高度重视 , 政府相关投入居世界第一. 半导体材料是最主要的太阳能电池材料, 硅太阳能电池利用特殊掺杂技术获得 PN 结实现光 - 电转 换 . 目前, 太阳能电池研究进展很迅速, 高转换效率的单晶硅、 多晶硅、 非晶硅薄膜以及化合物太阳能电池 均已被研制开发, 众多研究机构的高转换效率太阳能电池的相关报道经常出现 .
[1 ]

在各种太阳能电池中, 综合考虑转换效率成本、 长期经济效益以及技术因素等, 非晶硅薄膜太阳能电池 优势凸显, 其材料丰富、 电池成本低、 有利于大规模生产, 目前已有众多非晶硅薄膜太阳能电池生产线在我国 投入使用 , 如无锡尚德、 江西赛维、 新奥, 以及近期在北京、 洛阳、 重庆和杭州等地投入的大型非晶薄膜太 阳能电池生产线. 目前, 国内硅薄膜电池的研究工作虽然并不落后 , 但科研工作研究的重点过于集中于研究提高其转换效 率以缩短其与其他材料电池之间的差距 . 工艺落后、 设备技术国产程度很低而依赖于国外, 主要是从美国应 [3 ] 用材料公司、 瑞士欧瑞康太阳能公司等引进 . 而硅薄膜太阳能电池稳定性差、 使用寿命较短, 普及速度因 此受到影响的问题未能解决. 因此, 对于非晶硅薄膜太阳能电池首先应从提高其稳定性着手 , 其次加大工艺 技术的研制, 提高国产化程度.
[2 ]

1

SI 薄膜太阳能电池结构
非晶硅是很好的太阳能材料, 其材料很丰富光吸收系数高
[4 ]

, 实际中基本采用等离子体增强化学气相

收稿日期:2011 - 07 - 05. 作者简介:郑奇( 1975 - ) , 硕士, 男, 主要从事光电子学及物理学的研究.

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湖北民族学院学报( 自然科学版)

第 29 卷

沉积( PECVD) 法制备了非晶硅薄膜. 薄膜的 a - Si 太阳能电池可简单实现集成化, 且形成的器件电学参量如电压电流 、 器件功率都可实现自 由设计制造. 但其光学间隙为 1. 7 ev, 材料本身对太阳光辐射光谱的 长波区域不敏感, 这样光电转换效率将受到很大影响 , 另外硅薄膜材 [5 ] 为了解决这一影响硅薄膜转换效率 料转换效率存在 S - W 效应 , [6 ] 的问题, 解决方法是制备叠层太阳能电池 , 即制备多个 P - i - N 子电池. 根据此原理思想, 在研究过程中采取了如下叠层的太阳能电 , 池 其基本结构以及膜内部形成的电路关系如图 1 和图 2 所示. 其过 程的关键技术如下所述. 图 1 非晶硅太阳能电池结构图 1. 1 层结构的设计 Fig. 1 Amorphous silicon solar cell structure 这里面最重要的地方是对复杂层 结构的厚度控制, 这是在膜内部形成 [6 ] 稳定电路的关键 所在, 制作过程中 ( 出于数据保密的 发现采用下列数据 考虑, 这里只列出某些关键数据的范 围) 所制备的硅薄膜电池比市场上同 等电池 S - W 效应显著降 低, 甚至可以和多晶硅电池 的稳定性相媲美, 见表 1. 1. 2 激光刻线技术 由于非晶硅薄膜电池 且关键层 各层厚度的差别, 厚度极为微小, 因此对光刻 技术要求极高, 这就要求实 现光刻的激光器性能及刻 线准确度卓越, 在实验中使 用了超短脉冲激光器完成 TCO 刻 槽、 晶 硅 薄 膜 系 非 刻槽及背电极刻槽, 这比一 般生产线上所使用的红外 和绿光激光器刻槽精度高 出许多, 刻线结果示意如 图 1. 1. 3 基材清洗技术 在真空情况下在基材 上使用 PECVD 法进行非 晶硅膜系沉积, 有关研究 结果 表 明 基 材 ( 如 玻 璃、 金属等 ) 的表面清洁对硅 膜的 品 质 影 响 非 常 巨 [7 ] 大 , 在实际过程中使用 了如图 3 所示具体的清洁 措施, 虽然可能会对以后 制造成本产生增加影响, 但相信这一措施带来的有
Fig. 3 图 3 基材清洗流程图 Base material cleaning flow chart

Fig. 2 Tab. 1

图 2 非晶硅薄膜内部等效电路图 Amorphous silicon thin film internal equivalent circuit diagram

表 1 非晶硅薄膜电池结构参数表 Amorphous silicon thin film cells structure parameter 材料( material) 厚度( thickness)

层( layer)

Front glass TCO a - Si

low Fe glass Conductive transparent material —

uc - Si

Back contact

Buss wire PVB Back glass

3. 2mm 980 ~ 1100 nm p - doped layer: 10 ~ 15 nm Intrinsic layer: 200 ~ 300 nm n - doped layer: 10 ~ 20 nm — p - doped layer: 20 ~ 30 nm Intrinsic layer: 1880 nm n - doped layer: 30 nm — AZO: 100 nm Ag: 200 nm NiV: 50 nm — 0. 10 ~ 0. 20 mm — 1. 10 ~ 1. 20 mm Tempered or Heat Strengthened Soda Lime Glass 3. 0 ~ 4. 0 mm

第3 期



奇: 非晶硅薄膜太阳能电池稳定性技术研究

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利因素远大于成本因素.

2

测试结果分析

[8 ] 由于太阳能电池输出电压、 电流及功率特性受光照强度以及环境条件影响极其明显 , 因此, 在测试过 , , 5. 0MW 及环境条件相对不变情况下对非 程中选择了在实验室环境下 选择人工太阳能环境 在光照强度为

晶硅硅薄膜太阳能电池组件进行了 30 × 10 h( 每次持续 30 h, 进行了 10 次测试实验 ) 不间断照射测试, 比较 市场主流产品的性能, 根据预期目的并且依据光照强度和电池板所产生的输出功率数据关系来体现本电池 组件的基本性能光电转换稳定程度 . 如图 4 及表 2 所示.

Fig. 4

图 4 非晶硅薄膜电池电学测试结果关系图 Amorphous silicon thin film solar electrical test results relationship chart

3

结语

提高稳定性和转换效率是增强非晶硅薄膜太阳能电池竞争性所必须的因素 , 采用上述设计非晶硅薄膜 2 非晶硅薄膜电池初态效率与稳定效率值列表 表 结构方法, 配合高精度的光刻技术以及细致的基 材清洗工作所制备的非晶硅薄膜太阳能电池 , 从 测试数据曲线结果可以清晰看出, 该措施对于非
Tab. 2 Amorphous silicon thin film cells initial state efficiency and stability efficiency value list CEL Goal Achieved 9. 5 22% 7. 5 — 9. 4 23. 3% 7. 2 — Module Goal 8. 3% 22% 6. 6% 6. 25% Achieved 8. 4% — — 6. 25%

晶硅薄膜太阳能电池的转换效率保持得很好 , 在 长时间光照下电池组件电压输出变化很小 , 证明 Initial Efficiency 文中所使用的技术措施很好的降低了 S - W 效 LID S 应, - W 效应值被控制在 25% 左右, 显然这提高 Stable Efficiency 了非晶硅薄膜太阳能电池的稳定性 . 参考文献:
[ 1] 杨金焕. 太阳能光伏发电应用技术[ . 北京: 电子工业出版社, M] 2009: 365 - 428. [ 2] 金韦利, . 2010( 03) : 21 - 24. 姜礼华. 非晶硅薄膜太阳能电池应用分析[J] 节能,

Stable Total Area Efficiency

[ 3] 赵志明. 非晶硅薄膜太阳能电池及生产设备技术发展现状与趋势[J]. 科技情报开发与经济, 2009( 34) : 136 - 140. [ 4] 山东大学物理系半导体研究室. 非晶硅及其应用译文集 < Ⅱ >[ M]. 济南, 2008: 42 - 80. [ 5] 邹红叶. 硅薄膜太阳电池的原理及应用[J]. 物理通报, 2009( 5) : 56 - 57. [ 6] 郑春满, . 2010( 4) : 10 - 15. 郭宇杰, 谢凯, 薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展[J] 宇航材料工艺, 等. [ 7] 王敬义, J]. 1993( 4) : 242 - 246. 何笑明, 王宇, APCVD 制备非晶硅的关键工艺参数分析[ 半导体学报, 等. [ 8] 田明明, J] 2010( 22) : 316 - 319. 毛龙满, 张志杰, 非晶硅薄膜太阳能电池生产的环境影响分析[ . 科技信息, 等.


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