多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)比分析

一,、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350－450μm的高質(zhì)量硅片上制成的,，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多,。為了節(jié)省材料,，人們從70年代中期就開(kāi)始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小,，未能制成有價(jià)值的太陽(yáng)能電池,。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒(méi)有停止過(guò)研究,，并提出了很多方法,。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝,。此外,，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2,、SiHCl3,、Sicl4或SiH4為反應(yīng)氣體，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上,，襯底材料一般選用Si,、SiO2,、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn),，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒,，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問(wèn)題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層,，再將這層非晶硅層退火,，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜,，因此,，再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法,。

多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù),，這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高,。德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池,，效率達(dá)16.42%,。半導(dǎo)體、芯片,、集成電路,、設(shè)計(jì)、版圖,、芯片,、制造、工藝,、制程,、封裝、測(cè)試,。液相外延（LPE）法的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里,，降低溫度析出硅膜。美國(guó)Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12．2％,。中國(guó)光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級(jí)硅片上生長(zhǎng)出硅晶粒,，并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池，稱之為“硅?！碧?yáng)能電池,，但有關(guān)性能方面的報(bào)道還未見(jiàn)到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰退問(wèn)題,，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備,，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池,，因此,，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

二,、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池

開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本,。由于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn),，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展,，其實(shí)早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)非晶硅電池的研制工作,，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品,。

非晶硅作為太陽(yáng)能材料盡管是一種很好的電池材料,，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對(duì)太陽(yáng)輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感,，這樣一來(lái)就限制了非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率,。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減,，即所謂的光致衰退S一W效應(yīng),，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問(wèn)題的這徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池,，疊層太陽(yáng)能電池是由在制備的p,、i、n層單結(jié)太陽(yáng)能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的,。

疊層太陽(yáng)能電池提高轉(zhuǎn)換效率,、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍,；②頂電池的i層較薄,，光照產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出,；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半,，光致衰退效應(yīng)減小,；④疊層太陽(yáng)能電池各子電池是串聯(lián)在一起的,。

非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法,、LPCVD法等,，反應(yīng)原料氣體為H2稀釋的SiH4,，襯底主要為玻璃及不銹鋼片,，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過(guò)不同的電池工藝過(guò)程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽(yáng)能電池。

目前非晶硅太陽(yáng)能電池的研究取得兩大進(jìn)展：第一,、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13％,，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽(yáng)能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW,。美國(guó)聯(lián)合太陽(yáng)能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9．3%,，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積（0．25cm2）電池上取得的。

曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)12．5％,，日本中央研究院采用一系列新措施,，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13．2％。國(guó)內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽(yáng)能電池的研究并不多,，南開(kāi)大學(xué)的耿新華等采用工業(yè)用材料,，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽(yáng)能電池,。

非晶硅太陽(yáng)能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn),，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高,，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用,。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么,，非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一,。

注：太陽(yáng)能光伏電池（簡(jiǎn)稱光伏電池）用于把太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽(yáng)能電池,，可分為單晶硅,、多晶硅、非晶硅太陽(yáng)能電池,。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面,，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低,，但價(jià)格更便宜,。

三、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)

非晶硅太陽(yáng)能電池之所以受到人們的關(guān)注和重視,，是因?yàn)樗哂腥缦轮T多的優(yōu)點(diǎn)：

1.非晶硅具有較高的光吸收系數(shù),，特別是在0.3-0.75um 的可見(jiàn)光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而它比單晶硅對(duì)太陽(yáng)能輻射的吸收率要高40倍左右,，用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收90%有用的太陽(yáng)能,，這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)格太陽(yáng)能電池的最主要因素,。

2. 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大,，隨制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓高,。

3.制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單,，淀積溫度低，時(shí)間短,，適于大批生產(chǎn),，制作單晶硅電池一般需要1000度以上的高溫，而非晶硅電池的制作僅需200度左右,。

4.由于非晶硅沒(méi)有晶體硅所需要的周期性原子排列,，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問(wèn)題，因而它幾乎可以淀積在任何襯底上,，包括廉價(jià)的玻璃襯底,，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。

5.制備非晶硅太陽(yáng)能電池能耗少,，約100千瓦小時(shí)，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短很多,。

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