多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽能電池對比分析

一,、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度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年代中期就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜,，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價值的太陽能電池,。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜,，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法,。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學氣相沉積法,，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝。此外,，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池,。

化學氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3,、Sicl4或SiH4為反應氣體,，在一定的保護氣氛下反應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)無疑是很重要的一個環(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能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高,。德國費萊堡太陽能研究所采用區(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16.42%,。半導體,、芯片、集成電路,、設計,、版圖,、芯片、制造,、工藝,、制程、封裝,、測試,。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜,。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達12．2％,。中國光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設計了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池,，稱之為“硅?！碧柲茈姵兀嘘P性能方面的報道還未見到,。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少,，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備,，其成本遠低于單晶硅電池,，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在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位,。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fā)太陽能電池的兩個關鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本,。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低,，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,，其實早在70年代初,，Carlson等就已經(jīng)開始了對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,。

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

疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起,，提高了光譜的響應范圍,；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強度變化不大,，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，光致衰退效應減??；④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多,，其中包括反應濺射法,、PECVD法、LPCVD法等,，反應原料氣體為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)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池,。

目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進展：第一,、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達到13％，創(chuàng)下新的記錄,；第二.三疊層太陽能電池年生產(chǎn)能力達5MW,。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(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,。

曾有文獻報道單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過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％,。國內(nèi)關于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多,，南開大學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疊層太陽能電池,。

非晶硅太陽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，有著極大的潛力,。但同時由于它的穩(wěn)定性不高,，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么,，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一,。

注：太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）用于把太陽的光能直接轉(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能電池,，可分為單晶硅,、多晶硅、非晶硅太陽能電池,。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,，但價格更便宜,。

三、非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點

非晶硅太陽能電池之所以受到人們的關注和重視,，是因為它具有如下諸多的優(yōu)點：

1.非晶硅具有較高的光吸收系數(shù),，特別是在0.3-0.75um 的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級,。因而它比單晶硅對太陽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%有用的太陽能，這是非晶硅材料最重要的特點,，也是它能夠成為低價格太陽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能電池的開路電壓高,。

3.制備非晶硅的工藝和設備簡單，淀積溫度低,，時間短,，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題,，因而它幾乎可以淀積在任何襯底上,，包括廉價的玻璃襯底，并且易于實現(xiàn)大面積化,。

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

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