硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景

硅基薄膜太阳电池的研究现状及前景摘要：本文着重介绍了非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池原理、制备方法，从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处，并提出改进方法。同时介绍了国内外硅基薄膜太阳电池研究的进展，最后展望了薄膜太阳能电池的发展前景。关键词：太阳能电池；薄膜电池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新进展一、引言太阳电池是目前主要的新能源技术之一，它利用半导体的光电效应将光能直接装换为电能。目前太阳电池主要有传统的（第一代）单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池以及新型的（第二代）薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用其他材料当基板来制造，薄膜厚度仅需数μm，较传统太阳能电池大幅减少原料的用量。目前光伏发电的成本与煤电的差距还是比较大，其中主要的一项就是原材料即的价格。薄膜太阳电池消耗材料少，降低成本方面的巨大潜力。薄膜太阳能电池的种类包括：非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半导体II-IV族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)、有机导电高分子(Organic/polymersolarcells)、CIGS(铜铟硒化物)等。如果要将太阳电池大规模应用为生活生产提供能源，那么必须选择地球上含量丰富，能大规模生产并且性能稳定的半导体材料，硅基薄膜电池的优越性由此凸显。本文主要综述硅基薄膜太阳电池（包括多晶硅薄膜电池、非晶硅薄膜电池）的发展现状及并简要分析其发展前景。二、非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池非晶硅太阳电池是上世纪70年代中期发展起来的一种薄膜太阳电池，它制备温度低，用材少，便于工业化生产，价格低廉，因而受到高度重视。现阶段非晶硅太阳电池的转换效率已从1976年的1%~2%提高到稳定的12~14%，其中10cmХ10cm电池的转换效率为10.6%.小面积的单结的电池转换效率已超过13%。1原理及结构图1非晶硅太阳电池结构图2非晶硅太阳电池组件非晶硅太阳电池主要是以玻璃、不锈钢等为衬底的薄膜太阳电池，结构如图1所示。为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，如图2所示。图3非晶硅太阳电池组件结构图4非晶硅太阳电池制备过程由于太阳光谱分布较宽，现有的半导体材料只能在一有限波段转换太阳能量，所以单结太阳电池不能充分利用太阳能。采用分波段利用太阳能光谱的叠层电池结构则是比较有效提高光电转换效率的方法。叠层太阳电池的结构见图3。目前常规的叠层电池结构包括a-Si/a-SiGe,a-Si/a-Si/a-SiGe,a-Si/a-SiGe/a-SiGe,a-SiC/a-Si/a-SiGe等。2制备方法图4是非晶硅太阳电池制备方法示意图，把硅烷(SiH4)等原料气体入真空度保持在10—1000Pa的反应室中，射频(RF)电场产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。如果原料气体中混入硅烷(B2H6)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。为得到性能良好的太阳电池，避免反应室内壁和电极上残存的杂质掺入到电池中，一般都利用隔离的连续等离子反应制造装置，即P,I,N各层分别在专用的反应室内沉积。3优势及不足非晶硅太阳电池应用优势具体如下：（1）材料和制造工艺成本低。（2）易于大规模生产。（3）具备弱光发电的性能，该性能使得非晶硅薄膜电池受风沙、雨雪等天气的影响很小，发电时间延长。（4）非晶硅电池工作中不受环境的影响，而晶体硅电池如果其中一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，这将极大的降低整个组件的功率输出。（6）具有透光性，而且组件能更好的融合于建筑，在光伏建筑一体化（BIPV）上具有很大的优势。非晶硅太阳电池主要缺点有两个，一是它的不稳定性，即光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外光电转换效率也比较低，一般在８％到１０％之间。4改进方法主要是要降低其衰减程度。非晶硅及其合金的光暗电导率随光照时间加长而减小，经170~200℃温度2h，又可恢复原状，这种现象称为S-W效应。非晶硅太阳电池光衰退的主要因素是I层的S-W效应。因此要提高非硅太阳电池的稳定效率，首先要获得高稳定性的I层的a-Si:H材料。方法如下：采用分室沉积技术和高真空反应室消除杂质污染；在制备方法方面分别采用了电子回旋共振化学气相沉积(ECR一CVD)、氢根化学气相沉积(HR一CVD)、热丝(HW)法沉积和三极管系统；在制备工艺方面采用了H等离子体化学退火法、H2稀释法、He稀释法和掺氟法。采用这些制备技术和制备工艺的主要目的都是为了减少非晶硅膜中的H含量和缺陷态密度，使其形成稳定的Si-Si键和Si-H键网络结构。比如，用常规PECVD技术制备的a-Si:H膜中含有约10%的H，而用化学退火法制备的a-Si:H膜的含H量小于9%，用热丝法制备的a-Si:H膜的含H量只有1%~2%。另外与微晶硅结合生成非晶硅／微晶硅异质结太阳电池也是目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向，这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度。三、多晶硅(poly-Si)薄膜太阳电池1原理介绍多晶硅薄膜由许多大小不等，具有不同晶面取向的小晶粒构成。其晶粒尺寸一般约在几十至几百纳米级，大颗粒尺寸可达微米级。多晶硅薄膜太阳电池保持了晶体硅太阳电池的稳定性，大幅度降低了硅料的用量，还可以生长在廉价的衬底材料上，明显地降低了电池成本。多晶硅薄膜电池的研究重点有两方面，一是电池衬底的选择，二是制备方法。2选择衬底(1)非硅衬底多晶硅薄膜太阳电池非硅衬底可以大幅度降低成本，但是所获得的多晶硅薄膜晶粒较小，工艺要求比较高。图4所示的日本Kaneka公司的STAR太阳电池就属于这类电池。它利用CVD技术在玻璃衬底上生长2nm厚的非晶硅薄膜，然后在氢原子气氛中进行重结晶，不断重复上述过程，直到底层完全晶化，再在已晶化的底层上沉积多晶硅薄膜。STAR太阳电池的效率达到10．1％。(2)低品质硅衬底多晶硅薄膜电池采用低品质硅带为衬底，可以直接外延生长多晶硅薄膜，并且可得到具有较大颗粒尺寸的多晶硅薄膜，工艺简单，效率较高，易于实现大规模工业化。图5说是的就是一种以SSP硅带为衬底的多晶硅薄膜太阳电池。在不使用钝化和陷光技术的前提下，电池的转换效率达到了8．25％。在此基础上，通过在颗粒硅带上预先沉积一层穿孔隔离层并对沉积的多晶硅薄膜进行重结晶，制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到11．2％。图4STAR太阳电池图5SSP衬底上的多晶硅薄膜太阳电池3制备方法目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法(CVD)，等离子增强化学气相沉积(PECVD)，液相外延法(LPPE)和区熔再结晶法(ZMR)法、等离子喷涂法(PSM)、叠层法、固相结晶法(SPC)也可用来制备多晶硅薄膜电池。等离子增强化学气相沉积（PECVD）法是利用PECVD技术在非硅衬底上制备晶粒较小的多晶硅薄膜的一种方法，其制备温度很低（100—200℃），晶粒小（～10－7m量级）。目前最高效率达10.7％。该方法存在生长速度太慢以及薄膜极易受损等问题，有待今后研究改进。液相外延（LPE）法通过将硅熔融在母液里，降低温度使硅析出成膜。美国AstroPower公司和德国Max-Plank研究所对这一技术进行了深入的研究，前者用LPE法制备的电池，效率已达12.2％。化学气相沉积（CVD）法就是将衬底加热到适当的温度，然后通以反应气体（如SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4等），在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在衬底表面。这些反应的温度通常较高，在800～1200℃之间。可以应用再结晶技术提高晶粒尺寸，其具体方法是：先用低压化学气相沉积（LPCVD）法在衬底表面形成一层较薄的、重掺杂的非晶硅层，再用高温将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，用这层较薄的大尺寸多晶硅层作为籽晶层，在其上面用CVD法生长厚的多晶硅膜。这种CVD法制备多晶硅薄膜太阳电池的关键是寻找一种较好的再结晶技术。下表是主要几种不同生长方法的多晶硅薄膜太阳能电池特点的比较结果。再结晶技术主要有固相晶化（LAR）法、区熔再结晶（ZMR）法和激光再结晶（LMC）法。固相晶化法需对非晶硅薄膜进行整体加热，温度要求达到1414℃的硅的熔化点。该法的缺点是整体温度较高，晶粒取向散乱，不易形成柱状结晶。区熔再结晶法需将非晶硅整体加热至1100℃，再用一个加热条加热局部使其达到熔化状态。加热条在加热过程中需在非晶硅表面移动。激光退火法采用激光束的高温将非晶硅薄膜熔化结晶以得到多晶硅薄膜。三种方法中以ZMR法最成功，日本三菱公司用该法制备的电池，效率已达16.42％，德国的Fronhaufer研究所在这方面的研究处于领先水平。表1多晶硅薄膜太阳能电池的生长方法及特点对比生长方法沉积温度沉积率结晶质量等离子体低低差液相外延低低-中良好化学气相沉积高高良好4研究进展近年来制备多晶硅薄膜材料的工艺技术有很大发展。用多晶硅薄膜代替ａ-SiGe作为底部电池在进一步提高硅基薄膜太阳能电池性能方面显示出许多优势：其带隙可做1.12eV，与ａ-Si／ａ-SiGe薄膜电池相比，ａ-Si／ploy-Si薄膜电池能吸收更小能量的太阳光子，具有更高的转换效率极限；ploy-Si薄膜没有光致衰退效应。理论计算表明，ploy-Si／ploy-Si叠层电池的效率可达２８％。KneKa公司设计的ＳＴＡＲ结构的多晶硅薄膜电池，效率已达10.7％＜５μｍ，且无光致衰降现象；另一种SOI结构的多晶硅薄膜电池10cm×10cm，获得了高达14.22％的效率。H.Morikawa等更制备出了效率高达16％的多晶硅薄膜电池。德国Fraunhofer太阳能研究所通过在颗粒硅带上预先沉积一层穿孔隔离层并对沉积的多晶硅薄膜进行重结晶，制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到11。2%。澳大利亚新南威尔士大学采用热交换法生长的多晶硅制备的多晶硅太阳能电池的转换效率达到18.2%，通改进工艺使其电池转换效率达到19.8%(1cm2)。北京太阳能研究所在覆盖SiO2的重掺P型单晶硅衬底上制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到10.2%，重掺杂抛光单晶硅衬底上制备了效率为13.6%。美国Astropower公司采用LPE法制备的电池效率达到12.2%。5优势及不足多晶硅薄膜电池具有上述的效率高、性能稳定及成本低的优点，是降低太阳能电池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下问题：①多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。②多晶硅薄膜高温沉积，能耗高，尚缺少适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。6改进方法今后应着重研发如下问题：①大面积、大晶粒薄膜的生长技术；②进一步提高薄膜的生长速率；③薄膜缺陷的控制技术；④优质、价廉衬底材料的研发；⑤电池优良设计、表面结构技术及背反射技术等的研究四、硅基薄膜太阳电池的研究前景随着科技发展以及环境压力的日益增加，新能源在能源结构中的比例会越来越大。在光伏应用中，硅基薄膜太阳电池有许多特殊的优点，比如：①硅基薄膜电池可在任何形状的衬底上制作，可直接做成建筑需要的各种形状的太阳电池，可极大地节省安装空间，减少系统成本。特别是柔性衬底的硅基薄膜电池，轻而柔软，容易安装，在建筑集成市场中具有很大的竞争力。②可以做成透射部分可见光的硅基薄膜太阳电池，称为Seethrough型电池，这样的电池可做为小汽车的太阳顶及房屋的窗玻璃。③可在很薄的不锈钢和塑料衬底上制备超轻量级的硅基薄膜太阳电池。这种电池具有很高的电功率／重量比（300W／kg），对城市遥感用平流层气球平台和军用无人驾驶寻航飞机的能源系统具有特殊的应用价值。由于硅基薄膜太阳电池的上述优点，再如上硅基薄膜电池在降低成本方面的巨大潜力，使其在光伏应用中占有不可轻视的地位。五、结论与传统硅基太阳电池相比较，非晶硅太阳电池稳定性差，转换效率在光照下会衰减，但是制造成本低，在光伏建筑上有极大的优势；多晶硅膜太阳电池，从制备方法