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非晶硅太阳能电池


非晶硅太阳能电池
摘要:本文主要介绍了非晶硅太阳能电池的发展背景,然后阐述了其电池结构, 主要优点缺点以及相应问题解决方案, 最后对非晶硅太阳电池的应用进行简单介 绍并对非晶硅太阳能电池发展进行展望。 关键字:非晶硅 太阳光 转换效率 应用

正文: 一. 非晶硅太阳能电池的发展 1970 年代的能源危机,1973 年发生的石油危机告诉我们一个事实:

能 源问题是人类 21 世纪面临的最大的环境问题。据报道,以现在人类对石油和煤 炭等能源材料的消耗速度计算,全球的石油储量可以维持人类使用 43 年,而煤 炭储量够人类使用 200 年。能源问题早已经引起全世界的关注。发展新能源和 可再生能源是全人类的共识,也是 21 世纪世界经济发展中最具决定性的选择。 从目前的替代能源的情况看,风能、地热、核能、潮汐能、太阳能等,其中只 有太阳能才是一种取之不尽用之不竭、无污染的清洁能源,因此也只有大力发 展太阳能,并且也只能是使太阳能被人类更好地更有效地利用才能从根本上解 决人类面临的能源问题。 发展太阳能, 首先应从发展太阳能电池入手。太阳能电池是通过光电效应或 者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池的工作原理是,太阳光 照在半导体P-N 结上,形成空穴-电子对,在P-N 结电场的作用下,N 型半导体 的空穴往P 型区移动,P 型区中的电子往N 型区移动,接通电路后就形成电流。 太阳能电池是一种重要的可再生能源,既可作为独立能源,亦可实现并网发电, 而且是零污染排放。通过太阳能转换的电能再用于工厂生产、日常使用,以此让 太阳能服务于人类。早期的太阳能电池,主要原料是晶体硅,并且成本较高,因 此只用于太空探索方面。 由于晶体硅成本较高,且晶体硅太阳能电池消耗硅材料 较多,另外由于科技的发展,终于在1974年Carlson在实验室内研制出最早的非 晶硅太阳能电池。非晶硅电池(a-Si)是用沉积在导电玻璃或不锈钢衬底上的非 晶硅薄膜制成的太阳能电池。Carlson研制出最早的非晶硅太阳能电池,揭开了 非晶硅太阳能电池在光电子器件或PV 组件中应用的幄幕,但是当时的非晶硅转 换效率很低,不到1%。随后非晶硅太阳能电池开始快速发展,并且转换效率逐渐 提高:1977年,Carlson等研制成功了能量转换效率达5.5%的非晶硅肖特基势垒 电池;1978年,日本大阪大学研制出非晶硅PIN电池,转换效率达4.5%;1981年 秋,大阪大学又制备出了改进的a-SiC:H/a-Si:H PIN异质结太阳能电池, 其能量 转换效率突破了 8%, 其中, P 型宽禁带 a-SiC:H 被用来作为电池的窗口材料, 1982年, 这种a-SiC:H/a-Si:H PIN异质结太阳能电池的效率又突破了10%; 到1987 年,非晶硅电池转换效率已达12%;1990年,日本Sanyo(三阳)公司生产的非晶 硅太阳能电池,转换效率15.8%;1994年,日本出现了采用PECVD方法制备的Back Surface Field结构的非晶硅电池,转换效率达18.9%。

二. 非晶硅太阳能电池主要特点 1.非晶硅太阳能电池的结构 非晶硅太阳能电池由透明氧化物薄膜(TCO)层、非晶硅薄膜 P-I-N 层(I 层 为本征吸收层)、背电极金属薄膜层组成,基底可以是铝合金、不锈钢、特种塑 料等,其结构示意图如图 1 和图 2 所示。

图 1 非晶硅太阳能电池的结构

图 2 非晶硅天阳能电池示意图

第一层为普通玻璃,是电池的基底。第二层为TCO,即透明氧化物导电膜,一 方面光从它穿过被电池吸收, 所以要求它的光透过率高;另一方面作为电池的一 个电极,所以要求它能够导电。TCO 一般制备成绒面,主要起到减少反射光从而 增加光的吸收率的作用。 太阳能电池就是以这两层为衬底沉积形成的。太阳能电 池的第一层为P层,即窗口层;其次是i 层,即太阳能电池的本征层,光生载流 子主要在这一层产生;然后是n层,起到连接i极和背电极的作用。最后是背电极 和Al/Ag 电极。 由于 a-Si(非晶硅)多缺陷的特点,a-Si 的 p-n 结是不稳定的,而且光照时 光电导不明显,几乎没有有效的电荷收集。所以,a-Si 太阳能电池基本结构不 是 p-n 结而是 p-i-n 结。掺硼形成 P 区,掺磷形成 n 区,i 为非杂质或轻掺杂 的本征层(因为非掺杂的 a-Si 是弱 n 型)。重掺杂的 p、n 区在电池内部形成内 建势,以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触,为外部提供电功率。 i 区是光敏区,此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。入射光尽可能多地进 入 i 区,最大限度地被吸收,并有效地转换为电能,因此对 i 区要求是既保证最 大限度地吸收入射光,又要保证光生载流子最大限度地输运到外电路。 非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则, 相当 于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。 它对光子的吸收系数很高, 通常0.5 μ m 左右厚度的a-Si 就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。 所以, p-i-n 结构的a-Si 电池的厚度取0.5μ m 左右,而作为死光吸收区的p、n 层的厚度在10nm 量级。

2.非晶硅太阳能电池制作工艺流程 非晶硅光伏组件的生产工艺流程是: 首先利用红外光激光对 TCO 导电玻璃基 片进行激光刻线;激光刻线后进行超声清洗;基片清洗后装入专用沉积夹具,推 入烘箱进行预热; 预热后沉积夹具推入 PECVD 沉积真空室, 利用 PECVD 沉积工艺, 进行非晶硅沉积;而后利用绿激光对沉积好非晶硅的基片进行第二次激光刻线, 刻线后进行清洗;然后对清洗好的基片利用 PVD 技术,镀金属背电极复合膜,作 为金属背电极复合膜之一的氧化锌层沉积在非晶硅层表面, 其他金属背电极层沉 积在氧化锌层之上; 然后利用绿激光对沉积好金属背电极的基片进行第三次激光 刻线,刻线后进行清洗,至此,电池芯片结构已经形成;之后对电池芯片进行层 压封装,并安装接线盒及引出导线;最后,对组件进行性能检测,合格品装箱。 根据生产的光伏组件的大小规格,生产周期一般需要三至四小时。

图 3 非晶硅太阳能电池制作工艺流程图

图 4 非晶硅太阳能电池制造示意图

3.非晶硅太阳能电池优点 (1)材料和制造工艺成本低 首先, 非晶硅太阳能电池可以节省很多的硅材料。非晶硅具有较高的光吸收 系数, 特别是在 0.3-0.75μ m的可见光波段, 它的吸收系数比单晶硅要高出一个 数量级,因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高 40 倍左右,用很薄的非晶 硅膜就能吸收 90%有用的太阳光能。一般情况下非晶硅电池的厚度小于 0.5um , 而晶体硅太阳电池的基本厚度为 240-270um,相差 200 多倍,因此非晶硅太阳能 电池要节省很多的硅材料。 其次,衬底成本较低。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列,可以 不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底之间晶格匹配问题。 因而它几乎可以沉 积在任何衬底上,包括廉价的玻璃、金属、陶瓷、塑料等,它们都可以用来作为 非晶硅太阳能电池的衬底,从而降低生产成本。 另外,生产非晶硅太阳能的原材料廉价,易得。生产非晶硅太阳能电池的原

材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷,这种气体,化学工业可大量供应,且 价格十分便宜。 最后,非晶硅制作工艺耗能少。制作工艺为低温工艺(100-3000C),因此生 产过程中消耗电量较少。 综上,从原材料及生产工艺上来考虑,非晶硅的生产相对来说成本很低,并 且这也成为非晶硅太阳能电池最大的优势。 (2)易于大规模生产 由于非晶硅对衬底要求很低,因此衬底的生产很容易实现大面积化;另外, 由于非晶硅材料是由气相淀积形成的, 目前已被普遍采用的方法是等离子增强型 化学气相淀积(PECVD)法,此种制作工艺可以连续在多个真空淀积室完成,因而 适合制作特大面积无结构缺陷的 a-Si 合金薄膜,从而实现大批量生产;生产过 程中只需改变气相成分或者气体流量便可实现 pn 结以及相应的叠层结构,生产 可全程自动化。 (3)能量返回期短 由于制造非晶硅电池原材料及较低温生产能源消耗少,在每一阶段,制造非 晶硅太阳能电池所需消耗的电能比生产单晶硅太阳能电池少,因此它的能量返回 期较短。以转换效率为6%的非晶硅太阳电池,其生产用电约1.9度电/瓦,由它发 电后返回的时间约为1.5-2年,能量返回期短。而其他多晶硅、单晶硅电池的发 电返回时间一般6年以上。 (4)品种多,用途广 晶硅可以在任何形状的基底上制作, 并且可以可以在柔性基底或者很薄的不 锈钢和塑料基底上制备超轻量级的太阳能电池;非晶硅太阳电池可做成集成型, 器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造,可以较方便地制作出适合不 同需求的多品种产品。可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光 吸收系数高,暗电导很低,适合制作室内用的微低功耗电源,如手表电池、计算 器电池等;由于 a-Si 膜的硅网结构力学性能结实,适合在柔性的衬底上制作轻 型的太阳能电池;灵活多样的制造方法,可以制造建筑集成的电池,适合用户屋 顶电站的安装。 4.非晶硅太阳能电池存在的问题 非晶硅太阳能电池由于其成本低, 重量轻等特性在今后的民用乃至工业应用 上有着极大的发展前景, 因此大力发展非晶硅太阳能电池是个可持续发展的选择, 但有两个主要问题一直制约着非晶硅太阳能电池的发展: 转换效率低和稳定性问 题。 (1)转换效率较低 非晶硅的光学带隙为1.7eV左右,因此导致光电子能量低于1.7 eV 的光子直 接透过非晶硅层,不能被本征层所吸收,对光生电流基本上无贡献,这样一来就 限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。 (2)稳定性问题 非晶硅太阳能电池的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减, 即所谓的

光致衰退效应,使得电池性能不稳定。 光致衰退效应也称 S-W 效应,a-Si:H 薄膜经较长时间的强光照射或电流通 过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为 Steabler-Wronski 效 应。对 S-W 效应的起因以及造成衰退的微观机制,目前没有形成统一的观点。总 的看法如下: 没有掺杂的非晶硅薄膜由于其结构缺陷,存在悬挂键、断键、空穴等,导致其 电学性能差而很难做成有用的光电器件。所以,必须对其进行氢掺杂以饱和它的 部分悬挂键,降低其缺陷态密度,即形成所谓的 a-Si:H 薄膜。在这种a-Si:H 薄膜 材料中,能够稳定存在的是 Si-H 键和与晶体硅类似的 Si-Si 键,这些键的键能较 大,不容易被打断。 然而由于a-Si:H 材料结构上的无序,使得一些 Si-Si 键的键长和 键角发生变化而使 Si-Si键处于应变状态。高应变的Si-Si 键的化学势与 H 相当, 可以被外界能量打断,形成 Si-H 键或重新组成更强的 Si-Si 键。如果断裂的应变 Si-Si 键没有重构,则 a-Si:H 薄膜的悬挂键密度增加。而 S-W 效应就是由于光照 导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响 a-Si:H 薄膜 材料的费米能级EF的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学 性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴 的额外复合中心,使得电子的俘获截面增大,寿命下降。 三.非晶硅太阳能电池研究进展 针对非晶硅太阳能电池存在的问题, 可以采取以下措施提高非晶硅太阳能电 池效率: (1)提高非晶硅太阳能电池对光的吸收; (2)中间层技术的研究; (3)非晶硅电池叠层技术。 提高电池对光的吸收, 可以考虑将氧化物薄膜制成绒面形状,以减少反射进 而增加电池对光的吸收; 中间层技术, 可以考虑通过窗口层的设计增加光的吸收, 或者是通过改变电池 i 层的结构增加光电转换效率;通过非晶硅电池叠层技术, 提高电池转换效率并提高单结太阳能电池的稳定性的原理将在下面进行详细地 阐述: 1.叠层太阳能电池原理 由于太阳光光谱中的能量分布较宽, 现有的任何一种半导体材料都只能吸收 其中能量比其能隙值高的光子,而太阳光中其他的能量较小的光子将透过电池, 被背面金属吸收变为热能或者是将能量传递给电池材料本身的原子, 使材料发热, 使大量太阳光不能被有效地吸收并转换成电能,从而造成大量能量浪费,因此单 节太阳能电池的转化效率一般较低, 其理论转换效率的极限一般也只有 25%左右。 而叠层太阳能电池是将不同能隙的电池采用特殊的手段依次叠合而形成的太阳 能电池。叠层太阳能电池中的每一层电池,由于其能隙不同,因此只能吸收并转 换能量大于其能隙的特定的光子。通过对每一层电池的成分及结构的合理设计, 可以使最外边的能隙较宽的材料电池吸收波长最短的光, 而未被最外层电池吸收 的能量较小的光子则透过最外层电池, 其中部分能量较大的光子继续被叠层电池 中第二层能隙较窄的材料电池所吸收并转换为电能, 未被第二层电池吸收的光子 将会继续透过第二层电池,之后进一步被第三层能隙更窄的材料电池吸收、转 换……通过这种方式, 太阳光谱中,不同波长的光子都可以被叠层太阳能电池有

效地吸收并转换为电能,从而对太阳光有了更合理地利用,同时可以很大程度地 提高太阳能电池的转换效率。叠层太阳能电池的原理示意图如图 5 。

图 5 叠层太阳能电池的原理示意图

另外, 由于顶电池的i层较薄, 光照后产生的空间电荷对i层电场调制己不明 显, i 层中电场强度分布变化不大, 仍是高场区, 足以把i层中的光生载流子有 效抽出, 从而阻止光致衰退的发生。另一方面, 底电池产生的光生载流子约为单 结电池的一半, 底电池的光致衰退效应减小。 非晶硅叠层太阳能电池中, 要求每个子电池的能隙宽度不同,其前提是能制 备出能隙不同的 a-Si 材料。实验证明,通过改变 a-Si 中的成分(比如改变其 中 F 含量)则可以有效地改变其能隙大小。 (如图 6 所示)因此,可以通过改变 各子电池层中的成分的含量,从而制备出特定的能隙宽度的 a-Si 材料,为非晶 硅叠层太阳能电池的制备创造前提。

图 6. a-Si 吸收率与禁带宽度随其成分的变化关系

图中,吸收系数α

i

在基本吸收区内由下式确定: (α i hν )
1/2

= C( hν ? Egi )

2.非晶硅叠层太阳能电池的结构及设计 非晶硅叠层太阳能电池的结构如图 7 所示。

图7

非晶硅叠层太阳能电池的结构示意图

显然,非晶硅叠层太阳能电池中各子电池为串联关系,因此满足如下关系: V = V1 + V2 + V3 + V4 + ? 即叠层电池的回路电压等于各子电池电压之和, 因而可以大幅度提高转换效率; I1=I2=I3=I4… 即流经各电池的电流应相同(若不相同,回路中的电流取决于 电流值最小的电池层) ; 叠层太阳能电池的总效率等于各层子电池效率的叠加, 因此叠层太阳能电池 可以提高对太阳光的利用率进而提高电池的光电转换效率。 叠层太阳能电池的转换效率主要受到光生电流的限制,因此,叠层太阳能电 池设计和实现的关键问题是合理选择各子电池i层的能隙宽度分布和厚度参数, 以获得最佳电流匹配,使通过各子电池的电流相等,进而使电池的转换效率达到 最大。此外子电池之间 n / p 结的接触性能对电池性能影响很大,因此也要控 制各个掺杂层的厚度, 以减少其对入射光子的吸收,同时也减少光生载流子在这 些缺陷密度较高的薄层中的复合损失。因此叠层太阳能电池的设计原则是: Eg i?1 λ α
i?1

> Eg i λ <α
i

> Eg i+1 λ <α
i+1

λ

λ

λ

这样才能更容易满足通过各子电池电流相同的要求, 从而使叠层太阳能电池的转 换效率达到最高。 理论计算结果表明,在 AM1.5,1000 个太阳(采用太阳光聚焦系统即可达到 此目的)照射情况下,两结叠层电池的效率最大可达 50%,最佳匹配禁带宽度为 Eg1=1.56eV,Eg2=0.94eV;三结叠层电池的效率最高可达 56%,最佳匹配禁带宽度 为 Eg1=1.75eV,Eg2=1.18eV,Eg2=0.75eV;36 结叠层太阳能电池的效率最高可达 72%。 3.非晶硅叠层太阳能电池研究成果

1994 年, Neuchate 小组首次提出 uc-Si: H/a-Si: H 叠层太阳能电池。 IMT 在 1997 年报道了稳定效率超过 10.0% 的该系列电池。2001 年该研发小组报道 了 uc-Si: H/a-Si: H 叠层太阳能实验室稳定转化效率在 10% ~ 12%。2004 年 日本 Kaneka 公司成功制备出一个面积 0.5 m2 , 稳定效率超过 9.0% 的模块。 Shah 通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到 30% 以上。 日本质量保证组织(JQA) 对多结非晶硅叠层太阳能电池进行了户外和室内 光吸收试验,以检验其转换效率及其稳定性是否得到较好的改善。受控试验在一 个环境试验室内进行,其中电池的固定温度为48℃,光照强度为1125 kW/ m2 ,光 照周期为310 h。在加速光照试验中,典型的a-Si/ a-Si 叠层模块有15 %的衰减。 在初始几个月的阳光辐照下,电池经历了约10 %的初始光致衰减。从那时起,电池 的输出似乎已经稳定下来,其性能仅随季节有些变化。 阳光照射两年后,电池完全 稳定下来。 可以得出结论: 非晶硅叠层太阳能电池的稳定性比单结电池要好得多。 四.非晶硅太阳能电池应用展望 1.非晶硅太阳电池的市场 (1) 大规模地成本发电站 1996 年美国 APS 公司在美国加州建了一个 400 千瓦的非晶硅电站,引起光伏 产业振动。 Mass 公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约 5MWp 的非晶硅太 阳能电池。 日本 CANECA 公司年产 25MWp 的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发 电站(约每座 500KWp-1000KWp)。 德国 RWESCHOOTT 公司也具有 30MWp 年产量,全部用于建大规模太阳能电站。 我国的安徽省蚌埠市在光伏发电产业取得重大突破,2 兆瓦非晶硅太阳能示 范电站项目建设条件已落实,年内将竣工运营。 (2) 与建筑相配合,建造太阳能房 非晶硅太阳能电池可以制成半透明的,如作为建筑的一部分,白天既能发电 又能使部分光线透过玻璃进入室内, 为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉) 能挡风雨, 又能发电; 美国, 欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。 同时应该在建筑设计时考虑建筑与太阳能相结合, 即从建筑的设计阶段就应 该开始考虑安装太阳能电池的需要,使太阳能电池和建筑有机地结合在一起,使 建筑物上的半透明的非晶硅太阳能电池一方面可以做普通玻璃使用, 保证室内光 照及隔离外界的作用, 另一方面可以做太阳能电池使用,将照射在其表面的太阳 光吸收并转换为电能, 再电能储存在特定的电能存储装置中,以保证室内的照明 及其他的生活需求。 (3) 太阳能照明光源 太阳能照明是以太阳能为能源,通过太阳能电池实现光电转换,白天 用蓄电池积蓄、贮存电能,晚上通过控制器对电光源供电,实现所需要的 功能性照明。对太阳能照明光源的要求:由于雨、雪、雷电冰雹的浸蚀和 干扰,必须具有合理的安全防护等级和防雷接地;连续阴雨天需要太阳能 电池板、蓄电池具有足够的容量等。由于非晶硅太阳能电池的技术优势,因

此,同样功率的非晶硅太阳能灯具,其照明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明 时间长 20%,而其成本每瓦要低约 10 元人民币。另外,由于非晶硅太阳能电池 的弱光效应优于晶体硅太阳能电池,所以在较弱的光照条件下,比如清晨和傍 晚或者是阴雨天气,非晶硅太阳能电池也能吸收并转换光能,从而保证太阳能 照明光源正常工作。以上原因使得非晶硅太阳能电池的在太阳能照明光源中的 优势更加突显。 上海尤利卡公司于 2003 年-2005 年已为松江区的太阳能路灯提供了 400 多 个非晶硅太阳能路灯电源,其冬天的发电效果明显优于晶体硅。 (4) 弱光下使用 晶硅电池组件对于波长在 780nm 以上的光源有一定光电转化能力,弱光发 电特性突出,且制备成本相对晶硅电池低,然而在这个波长范围内晶硅电池组 件是无法发生伏打效应的,就是说晶硅电池在这个波长范围内很难发电。由于 非晶硅太阳能电池在的弱光效应好,已被广泛用于光伏玩具、草坪灯、太阳能 钥匙扣、太阳能钟、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能显示牌等不直接受光 照等场合下。 (5)其他场合的应用 太阳能信号灯 航海、 航空和陆上交通信号灯的作用至关重要, 许多地方电网不能供电, 而太阳能信号灯可解决供电问题,光源以小颗粒定向发光的 LED 为主。取得 了良好的经济效益和社会效益。 太阳能景观灯 应用于广场、公园、绿地等场所,采用各种造型的小功率 LED 点光源、 线光源,也有冷阴极造型灯来美化环境。太阳能景观灯可以不破坏绿地而得 到较好的景观照明效果。 太阳能手电筒 采用 LED 作为光源,可以在野外活动或紧急情况时使用。 2. 非晶硅太阳能电池发展展望 在八十年代, 非晶硅是当时唯一的薄膜型太阳电池材料,但由于它的光电转 换效率较低且具有光致衰退效应,因此早期始终无法打入主流的发电市场,而多 应用于小功率的消费性电子产品市场。但近年随着叠层太阳电池技术的发展,使 得单层厚度可以降低, 一方面因为可吸收不同波段的太阳光谱,可以提高非晶硅 太阳能电池的转换效率, 另一方面可以在一定程度上减缓照光致衰退的现象。如 今市面上的非晶硅太阳电池转换效率约为 6~8%,并很快就可见到装置容量达数 百万瓦级的非晶硅太阳光电板设施。 现在, 转换效率低及稳定性问题依然是阻碍非晶硅大量应用的主要问题,因 此在今后, 对非晶硅太阳能电池的研究依然会集中在这些问题上:首先要提高转 换效率,改进并探索窗口及各层材料, 如纳米硅及纳米硅系复合薄膜,有着优异 的光电性能,极有可能成为优异的太阳能电池材料并引起转换效率的大幅提高。 此外还可以采取有效方法减少i层中的缺陷, 改善各层间的能隙匹配, 改善各种

界面接触, 都有可能提高转换效率;其次要提高非晶硅电池的稳定性,稳定性是 非晶硅电池实用化过程中亟需解决的问题, 稳定性不好会导致产品无法使用, 解 决的方法主要集中在i 层材料性能的改善; 最后也是最重要的是必须大力发展非 晶硅集成电池,使集成电池进一步民用化、工业化,从而使非晶硅太阳能电池更 好地服务于人类生产、生活。

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