多晶(jing)硅薄膜和非晶硅薄膜(mo)太陽能電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常(chang)的(de)晶(jing)(jing)體硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)池是在厚度350－450μm的(de)高質量硅(gui)(gui)片上(shang)制成的(de)，這種硅(gui)(gui)片從提拉或澆鑄的(de)硅(gui)(gui)錠上(shang)鋸割而成。因此(ci)(ci)實際消耗(hao)的(de)硅(gui)(gui)材(cai)料更(geng)多(duo)。為了(le)節(jie)省材(cai)料，人們(men)從70年代中期就開始在廉價襯底(di)上(shang)沉(chen)積(ji)多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)，但由(you)于(yu)生長(chang)的(de)硅(gui)(gui)膜(mo)晶(jing)(jing)粒大小，未能(neng)制成有價值的(de)太(tai)陽能(neng)電(dian)池。為了(le)獲得大尺寸(cun)晶(jing)(jing)粒的(de)薄(bo)膜(mo)，人們(men)一直沒有停止過研究，并提出了(le)很(hen)多(duo)方法(fa)(fa)。目(mu)前制備多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)池多(duo)采用化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)法(fa)(fa)，包(bao)括低壓化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)（LPCVD）和(he)等(deng)離子增強化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)（PECVD）工藝。此(ci)(ci)外(wai)，液相外(wai)延法(fa)(fa)（LPPE）和(he)濺射沉(chen)積(ji)法(fa)(fa)也可用來制備多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)電(dian)池。

化學氣相(xiang)沉(chen)積(ji)(ji)主(zhu)要(yao)是(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反(fan)應(ying)氣體，在(zai)一定的(de)(de)保護氣氛下反(fan)應(ying)生(sheng)成(cheng)硅(gui)(gui)原(yuan)子并(bing)沉(chen)積(ji)(ji)在(zai)加(jia)熱的(de)(de)襯底(di)上，襯底(di)材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等(deng)。但(dan)研究發現，在(zai)非(fei)(fei)硅(gui)(gui)襯底(di)上很(hen)難形成(cheng)較大(da)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒，并(bing)且容易在(zai)晶(jing)(jing)(jing)粒間形成(cheng)空隙(xi)。解決這(zhe)一問(wen)題辦法(fa)是(shi)先用LPCVD在(zai)襯底(di)上沉(chen)熾一層較薄的(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)層，再(zai)將這(zhe)層非(fei)(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)層退火(huo)，得到較大(da)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒，然后再(zai)在(zai)這(zhe)層籽(zi)晶(jing)(jing)(jing)上沉(chen)積(ji)(ji)厚的(de)(de)多晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄膜，因此，再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)技術無疑是(shi)很(hen)重要(yao)的(de)(de)一個(ge)環節，目前采用的(de)(de)技術主(zhu)要(yao)有固相(xiang)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)法(fa)和中(zhong)區熔再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)法(fa)。

多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)除采(cai)(cai)用(yong)了再結晶(jing)(jing)(jing)工藝外(wai)，另(ling)外(wai)采(cai)(cai)用(yong)了幾乎(hu)所(suo)(suo)有(you)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)，這樣(yang)制(zhi)(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)轉換(huan)效率(lv)(lv)明顯提高(gao)。德國(guo)費(fei)萊堡(bao)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)研究所(suo)(suo)采(cai)(cai)用(yong)區館再結晶(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)(shu)在FZSi襯(chen)底上制(zhi)(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)池(chi)(chi)轉換(huan)效率(lv)(lv)為(wei)19％，日(ri)本三菱公(gong)司(si)(si)用(yong)該法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)電(dian)池(chi)(chi)，效率(lv)(lv)達16.42%。半導體、芯片、集成電(dian)路、設(she)計(ji)、版圖、芯片、制(zhi)(zhi)(zhi)造、工藝、制(zhi)(zhi)(zhi)程、封裝、測試。液(ye)相(xiang)外(wai)延(yan)（LPE）法(fa)的(de)(de)(de)原理是通過(guo)將(jiang)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)熔融在母體里(li)，降(jiang)低溫度析出硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)膜。美國(guo)Astropower公(gong)司(si)(si)采(cai)(cai)用(yong)LPE制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)效率(lv)(lv)達12．2％。中國(guo)光(guang)電(dian)發展(zhan)技(ji)術(shu)(shu)中心的(de)(de)(de)陳(chen)哲良采(cai)(cai)用(yong)液(ye)相(xiang)外(wai)延(yan)法(fa)在冶金(jin)級硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)片上生長出硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)晶(jing)(jing)(jing)粒，并(bing)設(she)計(ji)了一種類似于晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)新型太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)，稱之為(wei)“硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)，但有(you)關性能(neng)(neng)方面的(de)(de)(de)報道還未(wei)見到。多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)由于所(suo)(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)遠較單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)少，又無(wu)效率(lv)(lv)衰退(tui)問題，并(bing)且有(you)可能(neng)(neng)在廉價襯(chen)底材料上制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)，其成本遠低于單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)池(chi)(chi)，而(er)效率(lv)(lv)高(gao)于非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)，因(yin)此，多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)不久將(jiang)會(hui)在太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電(dian)地市場(chang)上占據主(zhu)導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開(kai)發(fa)太(tai)陽能(neng)電(dian)池的(de)兩(liang)個(ge)關鍵問題就(jiu)是：提高轉(zhuan)換(huan)效率和(he)降低(di)成(cheng)(cheng)本。由于非晶(jing)硅薄膜太(tai)陽能(neng)電(dian)池的(de)成(cheng)(cheng)本低(di)，便(bian)于大(da)規模生產，普遍受到人們(men)的(de)重視并得到迅速發(fa)展(zhan)，其實早在70年代(dai)初，Carlson等就(jiu)已經開(kai)始(shi)了對非晶(jing)硅電(dian)池的(de)研制工(gong)作，近幾年它的(de)研制工(gong)作得到了迅速發(fa)展(zhan)，目前世界上(shang)己有(you)許多家公司在生產該種電(dian)池產品。

非晶硅作為(wei)太(tai)陽(yang)能材(cai)料(liao)盡管(guan)是(shi)一(yi)種很(hen)好的(de)(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)材(cai)料(liao)，但由于(yu)其(qi)光(guang)(guang)學(xue)帶隙為(wei)1.7eV，使(shi)得(de)材(cai)料(liao)本身對太(tai)陽(yang)輻射光(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)長波區域不敏(min)感，這樣一(yi)來就(jiu)(jiu)限制了非晶硅太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)轉換效率。此(ci)外，其(qi)光(guang)(guang)電(dian)(dian)效率會隨著光(guang)(guang)照時間的(de)(de)(de)延續而衰(shuai)減，即所謂(wei)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)致衰(shuai)退S一(yi)W效應，使(shi)得(de)電(dian)(dian)池(chi)性能不穩定。解決這些(xie)問題的(de)(de)(de)這徑就(jiu)(jiu)是(shi)制備(bei)疊(die)(die)層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)，疊(die)(die)層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)是(shi)由在(zai)制備(bei)的(de)(de)(de)p、i、n層(ceng)單結太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)上再沉(chen)積一(yi)個或(huo)多(duo)個P-i-n子電(dian)(dian)池(chi)制得(de)的(de)(de)(de)。

疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池提(ti)高轉換效率、解(jie)決單結(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池不(bu)穩定性(xing)的(de)(de)關鍵問(wen)題在于：①它把不(bu)同(tong)禁帶寬度的(de)(de)材科(ke)組臺在一起，提(ti)高了光(guang)(guang)譜的(de)(de)響應(ying)范圍；②頂電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)i層(ceng)較薄，光(guang)(guang)照產(chan)生的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場強度變化不(bu)大，保證i層(ceng)中的(de)(de)光(guang)(guang)生載(zai)流子抽出；③底電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池產(chan)生的(de)(de)載(zai)流子約為單電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)一半，光(guang)(guang)致衰退效應(ying)減小；④疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池各子電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池是串聯(lian)在一起的(de)(de)。

非晶硅薄膜(mo)太陽(yang)能電池的制(zhi)備方法(fa)有很多，其中包括反(fan)應濺射(she)法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反(fan)應原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制(zhi)成(cheng)的非晶硅薄膜(mo)經過不同的電池工藝過程可分別制(zhi)得單結電池和疊層太陽(yang)能電池。

目(mu)前(qian)非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的研究(jiu)取(qu)得(de)兩大進(jin)展：第一、三(san)(san)疊(die)(die)層(ceng)結(jie)構非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)轉(zhuan)換效率(lv)(lv)達到13％，創下新的記錄(lu)；第二.三(san)(san)疊(die)(die)層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)年生產(chan)能力達5MW。美國聯合(he)太(tai)陽(yang)能公(gong)司（VSSC）制(zhi)得(de)的單結(jie)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)最(zui)高轉(zhuan)換效率(lv)(lv)為9．3%，三(san)(san)帶隙三(san)(san)疊(die)(die)層(ceng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)最(zui)高轉(zhuan)換效率(lv)(lv)為上(shang)述最(zui)高轉(zhuan)換效率(lv)(lv)是在小(xiao)面積（0．25cm2）電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)上(shang)取(qu)得(de)的。

曾有文獻(xian)報(bao)道(dao)單結(jie)非(fei)晶硅(gui)太(tai)(tai)陽能電(dian)(dian)池轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)超過12．5％，日本中(zhong)央研究(jiu)院采用一系列新措施，制(zhi)得的非(fei)晶硅(gui)電(dian)(dian)池的轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)為13．2％。國內關(guan)于非(fei)晶硅(gui)薄(bo)膜電(dian)(dian)池特別是疊層太(tai)(tai)陽能電(dian)(dian)池的研究(jiu)并(bing)不多(duo)，南開大學的耿新華等(deng)采用工(gong)業用材料，以(yi)鋁(lv)背電(dian)(dian)極制(zhi)備(bei)出面積為20X20cm2、轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)為8．28％的a－Si/a－Si疊層太(tai)(tai)陽能電(dian)(dian)池。

非晶硅太(tai)陽(yang)能電(dian)池由于(yu)具有較(jiao)高(gao)的(de)轉(zhuan)換效率和較(jiao)低的(de)成(cheng)本及(ji)重量輕等特點(dian)，有著極(ji)大的(de)潛力。但同時(shi)由于(yu)它的(de)穩定性不高(gao)，直(zhi)接影響了它的(de)實際應用。如果(guo)能進一步解決(jue)穩定性問題(ti)及(ji)提高(gao)轉(zhuan)換率問題(ti)，那么，非晶硅大陽(yang)能電(dian)池無(wu)疑是太(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)主要發展產品之一。

注：太(tai)陽能(neng)光伏電(dian)池(chi)（簡稱光伏電(dian)池(chi)）用于(yu)把太(tai)陽的光能(neng)直接轉(zhuan)化為電(dian)能(neng)。目(mu)前地面光伏系(xi)統大量使用的是以(yi)硅(gui)為基底的硅(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)，可(ke)分為單晶(jing)硅(gui)、多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)、非晶(jing)硅(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)。在能(neng)量轉(zhuan)換效(xiao)率和使用壽命等(deng)綜(zong)合(he)性能(neng)方面，單晶(jing)硅(gui)和多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)優于(yu)非晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)。多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)比單晶(jing)硅(gui)轉(zhuan)換效(xiao)率略(lve)低，但價格更便宜(yi)。

三、非晶硅(gui)薄膜太(tai)陽能電池的優點

非晶硅太陽能(neng)電(dian)池之所以受到人們的關注和重視，是因為它具有如下(xia)諸(zhu)多的優點：

1.非(fei)(fei)(fei)晶(jing)(jing)硅具有較(jiao)高(gao)的(de)光吸(xi)收(shou)(shou)系數(shu)，特別是在0.3-0.75um 的(de)可見光波段，它(ta)的(de)吸(xi)收(shou)(shou)系數(shu)比(bi)單(dan)晶(jing)(jing)硅要高(gao)出一個(ge)數(shu)量(liang)級。因而它(ta)比(bi)單(dan)晶(jing)(jing)硅對太陽能輻射的(de)吸(xi)收(shou)(shou)率要高(gao)40倍左右(you)，用(yong)很薄(bo)的(de)非(fei)(fei)(fei)晶(jing)(jing)硅膜(約1um厚(hou))就能吸(xi)收(shou)(shou)90%有用(yong)的(de)太陽能，這是非(fei)(fei)(fei)晶(jing)(jing)硅材料最重(zhong)要的(de)特點，也是它(ta)能夠成(cheng)為低(di)價格太陽能電池的(de)最主(zhu)要因素。

2. 非晶(jing)硅(gui)的(de)禁帶寬度(du)比單(dan)晶(jing)硅(gui)大(da)，隨制備條(tiao)件的(de)不同約在1.5-2.0 eV的(de)范圍內變(bian)化，這樣制成的(de)非晶(jing)硅(gui)太陽能電池(chi)的(de)開路電壓高。

3.制備非晶硅(gui)的工藝(yi)和(he)設備簡單，淀積溫(wen)度低，時間短，適于大批生產(chan)，制作單晶硅(gui)電池一般需要1000度以(yi)上的高溫(wen)，而(er)非晶硅(gui)電池的制作僅(jin)需200度左右(you)。

4.由于(yu)非晶(jing)(jing)硅(gui)沒有晶(jing)(jing)體(ti)硅(gui)所(suo)需要的(de)周期性原子排列，可以(yi)不考(kao)慮(lv)制備晶(jing)(jing)體(ti)所(suo)必須考(kao)慮(lv)的(de)材料與襯(chen)底(di)間(jian)的(de)晶(jing)(jing)格失(shi)配問題(ti)，因而它幾乎(hu)可以(yi)淀積在任何襯(chen)底(di)上，包(bao)括廉價的(de)玻璃襯(chen)底(di)，并且(qie)易于(yu)實現大面積化(hua)。

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