多晶(jing)硅(gui)薄膜和(he)非(fei)晶硅薄(bo)膜太陽能(neng)電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通(tong)常的(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)是在厚度350－450μm的(de)(de)(de)高(gao)質量硅(gui)片上制(zhi)成(cheng)的(de)(de)(de)，這種硅(gui)片從(cong)提(ti)拉或(huo)澆鑄的(de)(de)(de)硅(gui)錠上鋸割而成(cheng)。因(yin)此實(shi)際消耗的(de)(de)(de)硅(gui)材料(liao)更多(duo)。為了節省(sheng)材料(liao)，人們(men)從(cong)70年代中期(qi)就(jiu)開始在廉價襯底(di)上沉(chen)(chen)積多(duo)晶(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜，但由于生(sheng)長的(de)(de)(de)硅(gui)膜晶(jing)粒大(da)小，未能(neng)(neng)制(zhi)成(cheng)有(you)價值的(de)(de)(de)太陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)。為了獲得大(da)尺(chi)寸晶(jing)粒的(de)(de)(de)薄(bo)(bo)膜，人們(men)一直沒(mei)有(you)停止過研究，并(bing)提(ti)出了很多(duo)方法(fa)(fa)。目(mu)前制(zhi)備多(duo)晶(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜電池(chi)(chi)多(duo)采用化(hua)學(xue)氣(qi)相沉(chen)(chen)積法(fa)(fa)，包(bao)括低壓(ya)化(hua)學(xue)氣(qi)相沉(chen)(chen)積（LPCVD）和等離子增強化(hua)學(xue)氣(qi)相沉(chen)(chen)積（PECVD）工藝。此外，液相外延法(fa)(fa)（LPPE）和濺射(she)沉(chen)(chen)積法(fa)(fa)也可用來制(zhi)備多(duo)晶(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜電池(chi)(chi)。

化學氣相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)主要(yao)是(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣體，在(zai)(zai)(zai)一(yi)定的(de)(de)(de)保護氣氛下(xia)反應生成硅(gui)(gui)原(yuan)子并沉(chen)積(ji)在(zai)(zai)(zai)加熱的(de)(de)(de)襯(chen)(chen)底(di)(di)上，襯(chen)(chen)底(di)(di)材料一(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在(zai)(zai)(zai)非硅(gui)(gui)襯(chen)(chen)底(di)(di)上很難形成較大的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒，并且容易在(zai)(zai)(zai)晶(jing)(jing)(jing)粒間形成空(kong)隙。解決這一(yi)問題辦法(fa)是(shi)先用LPCVD在(zai)(zai)(zai)襯(chen)(chen)底(di)(di)上沉(chen)熾一(yi)層較薄(bo)的(de)(de)(de)非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)層，再(zai)將這層非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)層退火，得到較大的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒，然后(hou)再(zai)在(zai)(zai)(zai)這層籽晶(jing)(jing)(jing)上沉(chen)積(ji)厚的(de)(de)(de)多晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜，因此(ci)，再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)無疑是(shi)很重要(yao)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)環節，目前采(cai)用的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)主要(yao)有(you)固相(xiang)(xiang)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)法(fa)和(he)中區熔再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)法(fa)。

多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)除采用(yong)了再結晶(jing)(jing)(jing)(jing)工藝外，另外采用(yong)了幾乎(hu)所(suo)有(you)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)，這樣制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得的(de)(de)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)轉換(huan)(huan)效(xiao)率明顯提(ti)高。德國費萊(lai)堡太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)研究所(suo)采用(yong)區館再結晶(jing)(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)(shu)在(zai)FZSi襯底上(shang)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)得的(de)(de)多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)轉換(huan)(huan)效(xiao)率為19％，日本(ben)三菱公司(si)用(yong)該法制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，效(xiao)率達(da)16.42%。半導體(ti)(ti)、芯(xin)片、集成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路、設計、版圖(tu)、芯(xin)片、制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造、工藝、制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)程、封裝(zhuang)、測試(shi)。液(ye)相外延（LPE）法的(de)(de)原理是通過將硅(gui)(gui)(gui)熔融在(zai)母體(ti)(ti)里，降(jiang)低溫度析出(chu)硅(gui)(gui)(gui)膜(mo)。美國Astropower公司(si)采用(yong)LPE制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)效(xiao)率達(da)12．2％。中(zhong)國光電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)(shu)中(zhong)心的(de)(de)陳哲良采用(yong)液(ye)相外延法在(zai)冶金級硅(gui)(gui)(gui)片上(shang)生長出(chu)硅(gui)(gui)(gui)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)，并(bing)設計了一種(zhong)類(lei)似于(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)新型太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，稱(cheng)之為“硅(gui)(gui)(gui)粒(li)”太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，但有(you)關性能(neng)方面(mian)的(de)(de)報(bao)道還未見到。多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)由于(yu)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較(jiao)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)少，又無效(xiao)率衰(shuai)退問(wen)題，并(bing)且有(you)可(ke)能(neng)在(zai)廉價襯底材料上(shang)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)，其成(cheng)(cheng)本(ben)遠(yuan)低于(yu)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，而效(xiao)率高于(yu)非晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，因此，多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)不久將會在(zai)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)地市場上(shang)占(zhan)據主導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太陽(yang)能(neng)電(dian)池的兩(liang)個(ge)關鍵問(wen)題就(jiu)是：提高轉換效率和降低成(cheng)本。由于非晶硅薄(bo)膜(mo)太陽(yang)能(neng)電(dian)池的成(cheng)本低，便于大規模(mo)生(sheng)產(chan)，普(pu)遍受到人們的重視并(bing)得到迅速發展，其實(shi)早在70年代初(chu)，Carlson等(deng)就(jiu)已經開始(shi)了對非晶硅電(dian)池的研制工作(zuo)，近幾年它的研制工作(zuo)得到了迅速發展，目前(qian)世(shi)界上(shang)己有(you)許多家公司在生(sheng)產(chan)該種電(dian)池產(chan)品。

非(fei)晶硅(gui)(gui)作為(wei)太(tai)陽能(neng)材(cai)料盡管是一(yi)種很好的(de)(de)電(dian)池(chi)材(cai)料，但由于其光學帶隙為(wei)1.7eV，使(shi)(shi)得材(cai)料本身對太(tai)陽輻射光譜的(de)(de)長波(bo)區域不敏感，這樣一(yi)來(lai)就限制了(le)非(fei)晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)轉換效率(lv)。此(ci)外(wai)，其光電(dian)效率(lv)會隨著光照時間的(de)(de)延續而衰減，即(ji)所謂的(de)(de)光致衰退S一(yi)W效應(ying)，使(shi)(shi)得電(dian)池(chi)性能(neng)不穩定。解決這些問題的(de)(de)這徑(jing)就是制備疊層太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)，疊層太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)是由在制備的(de)(de)p、i、n層單結太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)上再沉積(ji)一(yi)個(ge)或多個(ge)P-i-n子(zi)電(dian)池(chi)制得的(de)(de)。

疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)提高轉換效率、解(jie)決(jue)單結電(dian)(dian)池(chi)不(bu)穩定性的(de)關(guan)鍵問(wen)題在(zai)于(yu)：①它把不(bu)同禁帶(dai)寬(kuan)度的(de)材科組臺在(zai)一起，提高了光(guang)(guang)譜的(de)響應(ying)范圍；②頂電(dian)(dian)池(chi)的(de)i層(ceng)較薄，光(guang)(guang)照(zhao)產(chan)生的(de)電(dian)(dian)場強度變化不(bu)大(da)，保證(zheng)i層(ceng)中的(de)光(guang)(guang)生載(zai)流(liu)子抽出(chu)；③底(di)電(dian)(dian)池(chi)產(chan)生的(de)載(zai)流(liu)子約為單電(dian)(dian)池(chi)的(de)一半，光(guang)(guang)致衰退效應(ying)減小(xiao)；④疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)各(ge)子電(dian)(dian)池(chi)是串聯在(zai)一起的(de)。

非(fei)晶(jing)硅薄膜太陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)制備方法(fa)有很(hen)多，其(qi)中包括(kuo)反應濺射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反應原(yuan)料氣(qi)體為H2稀(xi)釋的(de)SiH4，襯底主要為玻璃及不銹(xiu)鋼片，制成(cheng)的(de)非(fei)晶(jing)硅薄膜經過(guo)不同的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池工(gong)藝過(guo)程可分別制得(de)單(dan)結電(dian)(dian)(dian)(dian)池和疊層太陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池。

目前(qian)非晶(jing)硅太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)研究取(qu)得(de)(de)兩(liang)大進展：第一、三疊層(ceng)(ceng)結(jie)構非晶(jing)硅太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)轉換效(xiao)率達(da)到13％，創下新(xin)的(de)記(ji)錄；第二.三疊層(ceng)(ceng)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)年生產能(neng)(neng)力達(da)5MW。美國聯合太(tai)陽能(neng)(neng)公(gong)司（VSSC）制得(de)(de)的(de)單結(jie)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)最(zui)高轉換效(xiao)率為9．3%，三帶隙三疊層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)最(zui)高轉換效(xiao)率為上(shang)述(shu)最(zui)高轉換效(xiao)率是在小(xiao)面(mian)積（0．25cm2）電(dian)(dian)(dian)池(chi)上(shang)取(qu)得(de)(de)的(de)。

曾(ceng)有(you)文獻報道(dao)單結非(fei)晶硅(gui)太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)轉換效率超(chao)過(guo)12．5％，日本中(zhong)央研(yan)究(jiu)院(yuan)采(cai)用一系列新措施，制得的(de)(de)非(fei)晶硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)轉換效率為13．2％。國內關于非(fei)晶硅(gui)薄膜電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)特別是疊(die)層太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)研(yan)究(jiu)并不多，南開(kai)大學的(de)(de)耿(geng)新華等采(cai)用工業用材料，以鋁(lv)背(bei)電(dian)(dian)(dian)極(ji)制備出面積為20X20cm2、轉換效率為8．28％的(de)(de)a－Si/a－Si疊(die)層太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。

非(fei)晶硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池由于具(ju)有較高的(de)轉(zhuan)換效率和較低的(de)成本及重(zhong)量輕等特點(dian)，有著極大的(de)潛力。但(dan)同時(shi)由于它(ta)的(de)穩定性不高，直(zhi)接影響了它(ta)的(de)實際應用。如(ru)果能(neng)進一步解決穩定性問(wen)題及提高轉(zhuan)換率問(wen)題，那么(me)，非(fei)晶硅(gui)大陽(yang)能(neng)電池無疑是太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池的(de)主要發展產品之一。

注：太陽能(neng)(neng)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)（簡稱光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)）用(yong)(yong)于(yu)把(ba)太陽的(de)光(guang)能(neng)(neng)直接轉化為電(dian)能(neng)(neng)。目前地面光(guang)伏(fu)系統大(da)量使(shi)用(yong)(yong)的(de)是以硅(gui)為基底(di)的(de)硅(gui)太陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)，可分(fen)為單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)、多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)、非晶(jing)硅(gui)太陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)。在能(neng)(neng)量轉換效(xiao)率和使(shi)用(yong)(yong)壽命等綜合性能(neng)(neng)方(fang)面，單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)和多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)(chi)優(you)于(yu)非晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)(chi)。多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)比(bi)單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)轉換效(xiao)率略低(di)，但(dan)價(jia)格更便宜。

三、非(fei)晶硅薄(bo)膜太陽能電池的優點

非(fei)晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電池之(zhi)所以受到人們的關(guan)注和(he)重視，是因為它具(ju)有如(ru)下諸(zhu)多的優點(dian)：

1.非(fei)晶(jing)硅具有(you)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)光吸(xi)收(shou)(shou)系數(shu)，特別是(shi)在0.3-0.75um 的(de)可見光波段，它的(de)吸(xi)收(shou)(shou)系數(shu)比單(dan)晶(jing)硅要(yao)高(gao)(gao)出一個數(shu)量級。因而它比單(dan)晶(jing)硅對太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)輻射(she)的(de)吸(xi)收(shou)(shou)率要(yao)高(gao)(gao)40倍左右，用很薄(bo)的(de)非(fei)晶(jing)硅膜(mo)(約1um厚)就能(neng)(neng)吸(xi)收(shou)(shou)90%有(you)用的(de)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)，這是(shi)非(fei)晶(jing)硅材料最重要(yao)的(de)特點(dian)，也是(shi)它能(neng)(neng)夠成為低價(jia)格太(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池的(de)最主(zhu)要(yao)因素(su)。

2. 非(fei)晶硅(gui)(gui)(gui)的(de)禁帶寬(kuan)度比單晶硅(gui)(gui)(gui)大，隨制(zhi)備條件(jian)的(de)不(bu)同約在1.5-2.0 eV的(de)范圍內變化，這樣制(zhi)成的(de)非(fei)晶硅(gui)(gui)(gui)太陽能電(dian)池的(de)開(kai)路電(dian)壓高。

3.制備非(fei)晶(jing)(jing)硅(gui)的(de)工藝和設備簡單(dan)，淀積溫度(du)低(di)，時間短，適于(yu)大批生產，制作單(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)電(dian)池一(yi)般需要1000度(du)以(yi)上的(de)高溫，而非(fei)晶(jing)(jing)硅(gui)電(dian)池的(de)制作僅需200度(du)左右。

4.由于非(fei)晶(jing)硅沒(mei)有(you)晶(jing)體硅所需要的周(zhou)期(qi)性原子排列，可以不考慮(lv)(lv)制備晶(jing)體所必須(xu)考慮(lv)(lv)的材料與襯(chen)底間(jian)的晶(jing)格失配問(wen)題，因而(er)它幾乎可以淀積在任何(he)襯(chen)底上，包括廉價的玻璃(li)襯(chen)底，并且易于實(shi)現大面積化(hua)。

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