非晶硅薄膜太陽能電池技術(shù)
2012/12/20 17:45:48
1976年美國RCA實驗室的D.E.Conlson和C.R.Wronski在Spear形成和控制p-n結(jié)工作的基礎(chǔ)上利用光生伏特(PV)效應(yīng)制成世界上第一個a-Si太陽能電池，揭開了a-Si在光電子器件或PV組件中應(yīng)用的幄幕。目前a-Si多結(jié)太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率己達(dá)15% 。圖1為一般單結(jié)的非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖，圖2為非晶硅太陽能電池
第一層，為普通玻璃,是電池載體。第二層為絨面的TCO。所謂TCO就是透明導(dǎo)電膜，一方面光從它穿過被電池吸收，所以要求它的透過率高；另一方面作為電池的一個電極，所以要求它導(dǎo)電。TCO制備成絨面起到減少反射光的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底生長的。太陽能電池的第一層為P層，即窗口層。下面是i層，即太陽能電池的本征層，光生載流子主要在這一層產(chǎn)生。再下面為n層，起到連接i和背電極的作用。最后是背電極和Al/Ag電極。 目前制備背電極通常采用摻鋁ZnO(A1),或簡稱AZO。
由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特點，a-Si的p-n結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時光電導(dǎo)不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽能電池基本結(jié)構(gòu)不是p-n結(jié)而是p-i-n結(jié)。摻硼形成P區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻雜的本征層(因為非摻雜的a-Si是弱n型)。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。同時兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導(dǎo)／暗電導(dǎo)比在105～106，此區(qū)中光生電子、空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅電子躍遷的動量守恒選擇定則，相當(dāng)于使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料。它對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0.5μm左右厚度的a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p-i-n結(jié)構(gòu)的a-Si電池的厚度取0.5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。
a-Si太陽能電池即PV組件到80年代后期年產(chǎn)量已達(dá)世界光伏器件總產(chǎn)量的約30%，即1000MW以上。技術(shù)向生產(chǎn)力的高速轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
(1) 材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝(100-300°C)，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短。(2) 易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全程自動化。(3) 品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽能電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于a-Si膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。
盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但由于其光學(xué)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，其光電轉(zhuǎn)換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-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n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。
疊層型非晶硅太陽能電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進(jìn)去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池
第一層，為普通玻璃,是電池載體。第二層為絨面的TCO。所謂TCO就是透明導(dǎo)電膜，一方面光從它穿過被電池吸收，所以要求它的透過率高；另一方面作為電池的一個電極，所以要求它導(dǎo)電。TCO制備成絨面起到減少反射光的作用。太陽能電池就是以這兩層為襯底生長的。太陽能電池的第一層為P層，即窗口層。下面是i層，即太陽能電池的本征層，光生載流子主要在這一層產(chǎn)生。再下面為n層，起到連接i和背電極的作用。最后是背電極和Al/Ag電極。 目前制備背電極通常采用摻鋁ZnO(A1),或簡稱AZO。
由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特點，a-Si的p-n結(jié)是不穩(wěn)定的，而且光照時光電導(dǎo)不明顯，幾乎沒有有效的電荷收集。所以，a-Si太陽能電池基本結(jié)構(gòu)不是p-n結(jié)而是p-i-n結(jié)。摻硼形成P區(qū)，摻磷形成n區(qū)，i為非雜質(zhì)或輕摻雜的本征層(因為非摻雜的a-Si是弱n型)。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。同時兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部提供電功率。i區(qū)是光敏區(qū)，光電導(dǎo)／暗電導(dǎo)比在105～106，此區(qū)中光生電子、空穴是光伏電力的源泉。非晶體硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅電子躍遷的動量守恒選擇定則，相當(dāng)于使之從間接帶隙材料變成了直接帶隙材料。它對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感光譜域的吸收系數(shù)在1014cm-1以上，通常0.5μm左右厚度的a-Si就可以將敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p-i-n結(jié)構(gòu)的a-Si電池的厚度取0.5μm左右，而作為死光吸收區(qū)的p、n層的厚度在10nm量級。
a-Si太陽能電池即PV組件到80年代后期年產(chǎn)量已達(dá)世界光伏器件總產(chǎn)量的約30%，即1000MW以上。技術(shù)向生產(chǎn)力的高速轉(zhuǎn)化，說明非晶硅太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：
(1) 材料和制造工藝成本低。這是因為襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度不到1μm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝(100-300°C)，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短。(2) 易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全程自動化。(3) 品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽能電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于a-Si膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。
盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但由于其光學(xué)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，其光電轉(zhuǎn)換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-W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的途徑就是制備疊層太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n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。
疊層型非晶硅太陽能電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右(AM1.5)。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進(jìn)去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池