非晶硅太阳电他的初期发展.wps

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1、非晶硅太阳电他的初期发展非晶硅太阳电他的初期发展2 21 1初期的技术进步和繁荣初期的技术进步和繁荣半导体巨型电子器件太阳电池可用廉价的非晶硅材料和工艺制作，这就激发了科研人员、 研究单位纷纷投入到这个领域的研究中，也引起了企业界的重视和许多国家政府的关注，从而推动了非晶硅太阳电他的大发展。 非晶硅太阳电池很快走出了实验室，走进了中试线和较大规模的生产线。 从技术上看，非晶硅太阳电池这一阶段的进步主要表现在：（1）从简单的ITOp/i/n（a 一Si）Al发展成为SnO2（F）p-a 一 SiCi-a-Sin-a一 SiA1这样比较复杂实用的结构。Sno2透明导电膜比 ITO更稳定，成本更低，

2、易于实现织构，从而增加太阳电池对光的吸收。采用 aSiC：H作为 p型的窗口层，带隙更宽，减少了P 层的光吸收损失，更好地利用入射的太阳光能。 （2）对 a-Si层和两个电极薄层分别实现了激光划线分割，实现了集成化组件的生产。（3）出现了单室成批生产和多室的流水生产非晶硅薄膜的两种方式。 在生产上还出现了以透明导电玻璃为衬底的组件生产和以柔性材料（如不锈钢）为衬底的两种电池组件的生产方式。世界上出现了许多以a-Si 太阳电池为主要产品的企业或企业分支。 例如，美国的 CHRONAR、 SOLAREX、 ECD等，日本有三洋、 富士、夏普等。 CHRONAR 公司是 a-Si太阳电池产业开发的急

3、先锋，不仅自己有生产线，还向其它国家输出了6 条MW级生产线。 美、 日各公司还用自己的产品分别安装了室外发电的试验电站，最大的有100kW 容量。在 80年代中期，世界上太阳电他的总销售量中非晶硅占有40，出现非晶硅、多晶硅和单晶硅三足鼎立之势。2 22 2aSIaSI 太阳电池的优势太阳电池的优势技术向生产力如此高速的转化，说明非晶硅太阳电池具有独特的优势。这些优势主要表现在以下方面：（1）材料和制造工艺成本低。 这是因为衬底材料，如玻璃、 不锈钢、塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不到1m，昂贵的纯硅材料用量很少。制作工艺为低温工艺（100一 300C），生产的耗电量小，能量回收时间短）（2）

4、易于形成大规模生产能力。这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a 一Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现n结以及相应的迭层结构；生产可全流程自动化。 （3）品种多，用途广。 薄膜的aSi太阳电池易于实现集成化，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。 由于光吸收系数高，晴电导很低，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aSi 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电池。 灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合户用屋顶电站的安装。2 23 3 发展势头受挫发展势头受挫非晶硅太

5、阳电池尽管有如上诸多的优点，但缺点也是很明显的。主要是初始光电转换效率较低，稳定性较差。 初期的太阳电池产品初始效率为5-6，标准太阳光强照射一年后，稳定化效率为 3-4，在弱光下应用当然不成问题，但在室外强光下，作为功率发电使用时，稳定性成了比较严重的问题。 功率发电的试验电站性能衰退严重，寿命较短，严重影响消费者的信心，造成市场开拓的困难，有些生产线倒闭，比如CHRONAR 公司。2 24 4 封装的不稳定问题封装的不稳定问题第一阶段a-Si 太阳电池产品性能衰退问题实际上有两个方面，即封装问题和构成电池的aSi 材料不稳定性问题。 封装问题主要是：封装材料老化和封装存在缺陷，环境中的有害

6、气氛对电他的电极材料和电极接触造成损害，使电池性能大幅度下降甚至于失效。 解决这一问题主要靠改进封装技术，在采取了玻璃层压封装（这是指对玻璃衬底的电池）和多保护层的热压封装（对不锈钢衬底电池），基本上解决了封装问题。目前太阳电池使用寿命已达到10 年以上。2 25 5a-Sia-Si 材料和太阳电池的光致衰退机制材料和太阳电池的光致衰退机制a-Si薄膜在强光（通常是一个标准太阳的光强，100mWcm2）下照射数小时，光电导逐渐下降，光照后暗电导可下降几个数量级并保持相对稳定；光照的样品在160下退火，电导可恢复原值，这就是有名的斯太不拉一路昂斯基效应，简称SWF。暗电导的阿兰纽斯特性测量表明，

7、光照时电导激活能增加，这意味着费米能级从带边移向带隙中央，说明了光照在带隙中部产生了亚稳的能态或者说产生了亚稳缺陷中心。这种亚稳缺陷可用退火消除。根据半导体载流子产生复合理论，禁带中央的亚稳中心的复合几率最大，具有减少光生载流子寿命的作用；同时它又作为载流子的陷饼，引起突间电荷量的增加，降低i 层内的电场强度，使光生载流子的自由漂移距离缩短，减少载流子收集效率。这就使太阳电他的性能下降。研究光致亚稳态的机理，寻找克服光致衰退的办法，不仅对完善发展非晶硅材料的基础理论是重要的，而且对改善太阳电他的性能也很紧迫。从对太阳电池产品的使用来说，还要解决加速光衰、标定产品稳定性能的问题。世界上凡从事a-

8、Si 研究和开发应用的实验室，都在研究光致衰退的问题，开展了各种实验观察，提出了种种的理论模型。 但是，至今还没有一个令人信服的统一的模型可以解释各种主要的实验事实。 比较一致的看法是，光致衰退与a-Si 材料中氢运动有关。 比较重要的模型有：（1）光生载流子无辐射复合引起弱的Si-Si 键的断裂，产生悬挂键，附近的氢通过扩散补偿其中的一个悬键，同时增加一个亚稳的悬键。（2）悬键的荷电对T 了和T茅与光生载流子相互作用，变成两个乃态，乃态是一个单电子占据的悬键态，它的出现使费米能级向下面的带隙中央移动（通常非掺杂的i 层呈弱的n型，费米能级在带隙中距导带边稍近）。 这个模型假定，悬键为双电子占

9、据时，相关能为负值。 负相关能最可能存在于氢富集的微空洞的表面。（3）布朗兹最近提出的新模型认为，光生电子相互碰撞产生两个可动的氢原子，氢原子的扩散形成两个不可动的Si-H 键复合体，亚稳悬键出现在氢被激发的位置处，此模型可定量他说明光生缺陷的产生机理，并可解释一些主要的实验现象。 以上例举的较为可信的模型都说明，光致衰退效应与aSi 材料中的氢的移动有关a-Si材料是在较低的温度下，通过硅烷类气体等离子体增强化学分解，在衬底上淀积获得的。它的硅网络结构不可避免地存在硅的悬键。这些悬键如果没有氢补偿，隙态密度将非常高，不可能用来制作电子器件。 广泛采用的PECVD 法沉积的 a-Si膜含有 1

10、0-15的氢含量，一方面使硅悬键得到了较好的补偿；另一方面，这样高的氢含量远远超过硅悬键的密度。 可以肯定他说，氢在 aSi材料中占有激活能不同的多种位置，其中一种是补偿悬键的位置，其它则处于激活能更低的位置。理想的a 一 Si 材料应该既没有微空洞等缺陷，也没有 SiH2、（SiH2）n、SiH3等的键合体。材料密度应该尽量地接近理想的晶体硅的密度，硅悬挂键得到适量氢的完全补偿，使得隙态密度低，结构保持最高的稳定性。 寻找理想廉价的工艺技术来实现这种理想的结构，应能从根本上消除光致衰退，这是一项非常困难的任务。2 26 a-Si6 a-Si 太阻电池效率低的原因太阻电池效率低的原因非晶硅太阳

11、电池属于半导体结型太阳电池，可以依据结型太阳电他的模型对其理想的光伏性能作出估算。有17eV 带隙的非晶硅太阳电他的理论效率在25左右。实际上，第一阶段制作的小面积电池初始效率约为理论效率的一半，其它品种的太阳电池实际达到的光伏性能与理论值相比，差距都小于非晶硅的差距。a-Si太阳电池效率低的主要原因如下：1）a-Si材料的带隙较宽，实际可利用的主要光谱域是 0.35-0.7m波长，相对地较窄。2）a-Si太阳电池开路电压与预期值相差较大，其原因是：（1）迁移边存在高密度的尾态，掺杂杂质离化形成的电子或空穴仅有一定比例的部分成为自由载流子，电导激活能即费米能级与带边的差不可能很小；（2）材料多

12、缺陷，载流子扩散长度很短，电荷收集主要靠内建电场驱动下的漂移运动，靠扩散收集的分量可以忽略，这与晶体硅电池正好相反，为了维持足够强的内建电场，pin结的能带弯曲量必须保持较大才能保证有足够的电场维持最低限度的电荷收集，能带弯曲量与电池输出电压对应的电子能量之和为卜n 两种材料费米能级之差。 既然剩余能带弯曲量较大，输出电压必然较低。而晶体电池电荷收集主要靠载流子扩散，剩余能带弯曲量可以较小，加之 p、n 两种材料的激活能较低，所以开路电压与其带隙宽度相对接近。3）a-Si材料隙态密度较高，载流子复合几率较大，二极管理想因子刀通常大于2，与 n=1的理想情况相差较大。4）a-Si太阳电他的一区和 n区的电阻率较高，TCOp-a-si（或 n-a-si）接触电阻较高，甚至存在界面壁垒，这就带来附加的能量损失。以上这些问题必须由新的措施来解决，这就构成了非晶硅太阳电池下一阶段发展的主要任务。