多晶硅(gui)薄膜和非晶硅薄膜太陽能電池對比分析(xi)

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常(chang)的(de)晶(jing)體硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽能電池是在(zai)(zai)厚(hou)度350－450μm的(de)高質量硅(gui)(gui)(gui)片上(shang)制(zhi)成(cheng)的(de)，這種硅(gui)(gui)(gui)片從提(ti)拉或澆(jiao)鑄的(de)硅(gui)(gui)(gui)錠上(shang)鋸割而成(cheng)。因此實際消耗的(de)硅(gui)(gui)(gui)材(cai)料(liao)更多(duo)(duo)(duo)。為了節省材(cai)料(liao)，人們從70年代中期就開(kai)始(shi)在(zai)(zai)廉(lian)價襯底上(shang)沉積多(duo)(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)(mo)，但由于生(sheng)長(chang)的(de)硅(gui)(gui)(gui)膜(mo)(mo)晶(jing)粒大小(xiao)，未(wei)能制(zhi)成(cheng)有(you)價值的(de)太(tai)陽能電池。為了獲得大尺寸晶(jing)粒的(de)薄(bo)膜(mo)(mo)，人們一(yi)直沒有(you)停止過研究，并提(ti)出了很(hen)多(duo)(duo)(duo)方法(fa)(fa)。目前制(zhi)備多(duo)(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)(mo)電池多(duo)(duo)(duo)采(cai)用化學(xue)氣相沉積法(fa)(fa)，包括低(di)壓化學(xue)氣相沉積（LPCVD）和(he)等(deng)離子增強(qiang)化學(xue)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延(yan)法(fa)(fa)（LPPE）和(he)濺射沉積法(fa)(fa)也可用來制(zhi)備多(duo)(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)(mo)電池。

化學氣(qi)相沉積(ji)主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應(ying)氣(qi)體(ti)，在一(yi)(yi)定的(de)保(bao)護(hu)氣(qi)氛下反應(ying)生成硅原(yuan)子并(bing)(bing)沉積(ji)在加熱的(de)襯底(di)上(shang)(shang)，襯底(di)材料一(yi)(yi)般選(xuan)用(yong)Si、SiO2、Si3N4等。但(dan)研究發現，在非硅襯底(di)上(shang)(shang)很(hen)難形(xing)成較大的(de)晶(jing)(jing)粒(li)，并(bing)(bing)且容易(yi)在晶(jing)(jing)粒(li)間形(xing)成空隙(xi)。解決這(zhe)一(yi)(yi)問(wen)題辦法(fa)是先(xian)用(yong)LPCVD在襯底(di)上(shang)(shang)沉熾(chi)一(yi)(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)較薄的(de)非晶(jing)(jing)硅層(ceng)(ceng)(ceng)，再(zai)將(jiang)這(zhe)層(ceng)(ceng)(ceng)非晶(jing)(jing)硅層(ceng)(ceng)(ceng)退火(huo)，得(de)到較大的(de)晶(jing)(jing)粒(li)，然后再(zai)在這(zhe)層(ceng)(ceng)(ceng)籽(zi)晶(jing)(jing)上(shang)(shang)沉積(ji)厚的(de)多晶(jing)(jing)硅薄膜，因(yin)此，再(zai)結晶(jing)(jing)技(ji)術(shu)無疑是很(hen)重要的(de)一(yi)(yi)個環節，目前采用(yong)的(de)技(ji)術(shu)主要有固相結晶(jing)(jing)法(fa)和中區(qu)熔再(zai)結晶(jing)(jing)法(fa)。

多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)除采用了(le)再結晶(jing)工藝外，另外采用了(le)幾乎所有制備(bei)單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)技術(shu)(shu)，這樣(yang)制得(de)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換效(xiao)(xiao)率明顯提高。德國(guo)費萊(lai)堡太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)研究(jiu)所采用區館(guan)再結晶(jing)技術(shu)(shu)在(zai)FZSi襯底上(shang)制得(de)的(de)多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換效(xiao)(xiao)率為19％，日本三菱公司(si)用該(gai)法(fa)(fa)制備(bei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，效(xiao)(xiao)率達(da)16.42%。半(ban)導體(ti)、芯(xin)片、集成電(dian)(dian)(dian)路、設(she)計(ji)、版(ban)圖、芯(xin)片、制造、工藝、制程(cheng)、封裝、測試(shi)。液相(xiang)外延（LPE）法(fa)(fa)的(de)原(yuan)理是(shi)通(tong)過將(jiang)硅(gui)(gui)(gui)(gui)熔融在(zai)母體(ti)里，降低溫度析(xi)出(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)膜(mo)。美國(guo)Astropower公司(si)采用LPE制備(bei)的(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效(xiao)(xiao)率達(da)12．2％。中國(guo)光電(dian)(dian)(dian)發(fa)展技術(shu)(shu)中心的(de)陳哲良采用液相(xiang)外延法(fa)(fa)在(zai)冶(ye)金級硅(gui)(gui)(gui)(gui)片上(shang)生(sheng)長出(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)晶(jing)粒，并設(she)計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)類似于晶(jing)體(ti)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)新型太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，稱(cheng)之(zhi)為“硅(gui)(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，但有關性能(neng)(neng)(neng)方面的(de)報道(dao)還(huan)未見到。多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由于所使用的(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)少，又無(wu)效(xiao)(xiao)率衰退問題(ti)，并且(qie)有可能(neng)(neng)(neng)在(zai)廉(lian)價(jia)襯底材料上(shang)制備(bei)，其(qi)成本遠(yuan)低于單(dan)(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，而效(xiao)(xiao)率高于非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，因此，多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不久將(jiang)會在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)地(di)市場上(shang)占據主導地(di)位(wei)。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fa)太(tai)陽能電(dian)池的(de)兩個關鍵(jian)問(wen)題就(jiu)是：提高轉(zhuan)換效率和降低(di)成(cheng)本。由于非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜太(tai)陽能電(dian)池的(de)成(cheng)本低(di)，便(bian)于大(da)規模生產，普(pu)遍受到(dao)人們的(de)重視(shi)并得(de)(de)到(dao)迅速(su)發(fa)展，其實早在70年(nian)代初，Carlson等就(jiu)已經開始了對非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)電(dian)池的(de)研(yan)制(zhi)工作，近幾年(nian)它的(de)研(yan)制(zhi)工作得(de)(de)到(dao)了迅速(su)發(fa)展，目前(qian)世界上己有許多家公司(si)在生產該種(zhong)電(dian)池產品。

非(fei)(fei)晶(jing)硅作為太(tai)陽(yang)能材(cai)料(liao)盡管是(shi)一(yi)(yi)種很好的(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)材(cai)料(liao)，但(dan)由于其光(guang)(guang)學帶(dai)隙為1.7eV，使(shi)得材(cai)料(liao)本身(shen)對太(tai)陽(yang)輻射光(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)(de)長波區(qu)域不敏感，這樣一(yi)(yi)來就(jiu)限(xian)制了(le)非(fei)(fei)晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)轉換效(xiao)率。此外，其光(guang)(guang)電(dian)效(xiao)率會隨著(zhu)光(guang)(guang)照(zhao)時間的(de)(de)(de)(de)延續(xu)而衰(shuai)減，即所謂的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)致衰(shuai)退S一(yi)(yi)W效(xiao)應，使(shi)得電(dian)池(chi)性能不穩定。解決這些(xie)問題(ti)的(de)(de)(de)(de)這徑就(jiu)是(shi)制備疊(die)層太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)，疊(die)層太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)是(shi)由在制備的(de)(de)(de)(de)p、i、n層單結太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)上再沉積一(yi)(yi)個(ge)或多個(ge)P-i-n子(zi)電(dian)池(chi)制得的(de)(de)(de)(de)。

疊(die)層太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)提(ti)高(gao)轉換效率、解決單結電(dian)池(chi)不穩定性的關鍵問題(ti)在于(yu)：①它把不同禁帶寬度(du)的材科(ke)組臺在一起(qi)，提(ti)高(gao)了光譜的響應范圍(wei)；②頂電(dian)池(chi)的i層較薄，光照(zhao)產生(sheng)的電(dian)場強度(du)變化不大，保證i層中的光生(sheng)載流子(zi)(zi)抽出；③底電(dian)池(chi)產生(sheng)的載流子(zi)(zi)約為單電(dian)池(chi)的一半(ban)，光致衰退效應減小；④疊(die)層太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)各(ge)子(zi)(zi)電(dian)池(chi)是串聯在一起(qi)的。

非(fei)晶硅薄膜太(tai)陽能電池(chi)的(de)制(zhi)備方法(fa)有很多(duo)，其中(zhong)包(bao)括反應濺(jian)射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反應原料氣體為(wei)H2稀釋的(de)SiH4，襯底主要為(wei)玻璃及不銹鋼片，制(zhi)成的(de)非(fei)晶硅薄膜經過不同的(de)電池(chi)工藝(yi)過程可分別制(zhi)得單結電池(chi)和(he)疊層太(tai)陽能電池(chi)。

目前非晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)研究取得(de)兩大進展：第一(yi)、三(san)疊(die)層結(jie)構非晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)轉換(huan)(huan)效(xiao)率達到13％，創下(xia)新的(de)記錄(lu)；第二.三(san)疊(die)層太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)年生產能力達5MW。美國聯(lian)合(he)太(tai)陽能公司（VSSC）制得(de)的(de)單結(jie)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)最(zui)高轉換(huan)(huan)效(xiao)率為9．3%，三(san)帶隙三(san)疊(die)層電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)最(zui)高轉換(huan)(huan)效(xiao)率為上述(shu)最(zui)高轉換(huan)(huan)效(xiao)率是在(zai)小面積(ji)（0．25cm2）電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)上取得(de)的(de)。

曾有(you)文(wen)獻報道單結非晶硅太(tai)陽能電池轉(zhuan)換效率超(chao)過12．5％，日本中央研(yan)究院(yuan)采用一(yi)系列新(xin)措(cuo)施，制(zhi)得的(de)非晶硅電池的(de)轉(zhuan)換效率為(wei)13．2％。國內關于非晶硅薄膜電池特別(bie)是疊(die)層(ceng)(ceng)太(tai)陽能電池的(de)研(yan)究并不多(duo)，南開大學的(de)耿新(xin)華等采用工業用材料，以(yi)鋁背(bei)電極(ji)制(zhi)備出面積為(wei)20X20cm2、轉(zhuan)換效率為(wei)8．28％的(de)a－Si/a－Si疊(die)層(ceng)(ceng)太(tai)陽能電池。

非(fei)晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池由(you)于具有(you)較高(gao)的(de)轉換效率和較低的(de)成(cheng)本及重量輕等(deng)特點，有(you)著極大的(de)潛力。但同時由(you)于它(ta)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)不高(gao)，直接影(ying)響(xiang)了(le)它(ta)的(de)實(shi)際應用。如果能(neng)(neng)進一步解決穩(wen)定(ding)性(xing)問題及提高(gao)轉換率問題，那么，非(fei)晶(jing)硅大陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池無疑是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池的(de)主要發展產品之(zhi)一。

注：太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)光(guang)伏電(dian)池（簡稱光(guang)伏電(dian)池）用于把太(tai)陽(yang)(yang)的光(guang)能(neng)(neng)直(zhi)接轉(zhuan)化為電(dian)能(neng)(neng)。目前地面光(guang)伏系統大量(liang)使用的是以(yi)硅(gui)(gui)(gui)為基底的硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池，可分為單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)、多晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)、非(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池。在能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)換效(xiao)率和使用壽命等綜合性能(neng)(neng)方面，單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)和多晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)池優于非(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)池。多晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)比(bi)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)轉(zhuan)換效(xiao)率略低，但價格更便宜。

三、非晶硅薄膜太陽能電池的優點

非晶硅太(tai)陽能電(dian)池之所以(yi)受到人們的關注和重(zhong)視，是因(yin)為它具有如下諸多的優點：

1.非(fei)晶(jing)硅(gui)具(ju)有較高的(de)(de)光吸收系數，特(te)別是(shi)在0.3-0.75um 的(de)(de)可(ke)見光波段(duan)，它的(de)(de)吸收系數比單晶(jing)硅(gui)要高出一個(ge)數量級。因而它比單晶(jing)硅(gui)對太(tai)陽(yang)能(neng)輻射的(de)(de)吸收率要高40倍(bei)左(zuo)右，用(yong)很薄的(de)(de)非(fei)晶(jing)硅(gui)膜(mo)(約1um厚(hou))就能(neng)吸收90%有用(yong)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)，這是(shi)非(fei)晶(jing)硅(gui)材料最重(zhong)要的(de)(de)特(te)點(dian)，也是(shi)它能(neng)夠成為低價格太(tai)陽(yang)能(neng)電池的(de)(de)最主(zhu)要因素。

2. 非(fei)晶硅(gui)的(de)(de)禁帶寬度比單晶硅(gui)大，隨制備條件的(de)(de)不同約在(zai)1.5-2.0 eV的(de)(de)范(fan)圍內(nei)變(bian)化，這樣制成(cheng)的(de)(de)非(fei)晶硅(gui)太陽能(neng)電(dian)池的(de)(de)開路電(dian)壓高。

3.制備非晶硅的工藝和設(she)備簡單(dan)，淀積(ji)溫度低，時間短，適于大批生產，制作(zuo)單(dan)晶硅電(dian)(dian)池一般需(xu)(xu)要1000度以上的高溫，而非晶硅電(dian)(dian)池的制作(zuo)僅需(xu)(xu)200度左右(you)。

4.由(you)于非晶硅(gui)沒有晶體(ti)硅(gui)所需要的周期性(xing)原子排(pai)列，可以不考(kao)慮制備晶體(ti)所必須考(kao)慮的材料與襯底間(jian)的晶格(ge)失配問題，因而它幾乎(hu)可以淀(dian)積在任(ren)何襯底上，包括廉價的玻璃(li)襯底，并且易于實現大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗(hao)(hao)少，約100千瓦小時，能(neng)耗(hao)(hao)的回收(shou)年(nian)數比單晶硅電池短很(hen)多(duo)。