多(duo)晶硅(gui)薄膜和(he)非晶硅(gui)薄膜太陽(yang)能電池(chi)對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)晶體硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)是在(zai)厚度(du)350－450μm的(de)高質量(liang)硅片(pian)上(shang)制成(cheng)的(de)，這種硅片(pian)從提拉(la)或澆鑄的(de)硅錠上(shang)鋸割而(er)成(cheng)。因此實際消耗(hao)的(de)硅材(cai)(cai)料更(geng)多。為(wei)了節(jie)省(sheng)材(cai)(cai)料，人們從70年代(dai)中期就開始在(zai)廉價(jia)襯底上(shang)沉(chen)(chen)積多晶硅薄(bo)(bo)膜(mo)，但由于生長的(de)硅膜(mo)晶粒(li)大(da)小，未能(neng)制成(cheng)有價(jia)值的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)。為(wei)了獲得大(da)尺寸晶粒(li)的(de)薄(bo)(bo)膜(mo)，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方(fang)法(fa)。目前制備多晶硅薄(bo)(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)多采用化(hua)(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積法(fa)，包括低壓化(hua)(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積（LPCVD）和(he)等(deng)離子增強化(hua)(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積（PECVD）工藝(yi)。此外(wai)，液相外(wai)延法(fa)（LPPE）和(he)濺(jian)射(she)沉(chen)(chen)積法(fa)也可用來制備多晶硅薄(bo)(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)。

化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)主(zhu)要(yao)是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應(ying)氣(qi)體，在(zai)(zai)一(yi)(yi)定的(de)保護氣(qi)氛下反應(ying)生成硅(gui)原(yuan)子并沉(chen)積(ji)在(zai)(zai)加(jia)熱的(de)襯(chen)底(di)上，襯(chen)底(di)材(cai)料(liao)一(yi)(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等(deng)。但研究發現，在(zai)(zai)非硅(gui)襯(chen)底(di)上很難(nan)形成較(jiao)(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒(li)，并且容(rong)易在(zai)(zai)晶(jing)粒(li)間形成空隙。解決這(zhe)一(yi)(yi)問題辦法(fa)(fa)是先用LPCVD在(zai)(zai)襯(chen)底(di)上沉(chen)熾一(yi)(yi)層(ceng)較(jiao)(jiao)薄(bo)的(de)非晶(jing)硅(gui)層(ceng)，再將(jiang)這(zhe)層(ceng)非晶(jing)硅(gui)層(ceng)退(tui)火，得到較(jiao)(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒(li)，然(ran)后再在(zai)(zai)這(zhe)層(ceng)籽晶(jing)上沉(chen)積(ji)厚的(de)多晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜(mo)，因(yin)此(ci)，再結晶(jing)技術(shu)無疑是很重要(yao)的(de)一(yi)(yi)個環節，目(mu)前采用的(de)技術(shu)主(zhu)要(yao)有(you)固相結晶(jing)法(fa)(fa)和中區熔再結晶(jing)法(fa)(fa)。

多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)除采用(yong)(yong)(yong)(yong)了(le)再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)工藝(yi)外(wai)，另(ling)外(wai)采用(yong)(yong)(yong)(yong)了(le)幾乎所有制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)技(ji)術(shu)，這樣制(zhi)(zhi)(zhi)得(de)的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換效(xiao)率(lv)(lv)明(ming)顯提高。德國(guo)費萊堡太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)研(yan)究所采用(yong)(yong)(yong)(yong)區(qu)館再(zai)結晶(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)在(zai)FZSi襯底上制(zhi)(zhi)(zhi)得(de)的(de)(de)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉換效(xiao)率(lv)(lv)為19％，日本三(san)菱(ling)公司用(yong)(yong)(yong)(yong)該法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，效(xiao)率(lv)(lv)達(da)(da)16.42%。半導體(ti)、芯片、集成電(dian)(dian)(dian)路(lu)、設(she)計、版圖、芯片、制(zhi)(zhi)(zhi)造、工藝(yi)、制(zhi)(zhi)(zhi)程、封裝、測試。液(ye)相(xiang)(xiang)外(wai)延(yan)（LPE）法(fa)的(de)(de)原理是通過將硅(gui)(gui)(gui)(gui)熔(rong)融在(zai)母體(ti)里，降(jiang)低(di)(di)溫度析出(chu)(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)膜(mo)(mo)(mo)。美國(guo)Astropower公司采用(yong)(yong)(yong)(yong)LPE制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效(xiao)率(lv)(lv)達(da)(da)12．2％。中國(guo)光電(dian)(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)中心的(de)(de)陳哲良采用(yong)(yong)(yong)(yong)液(ye)相(xiang)(xiang)外(wai)延(yan)法(fa)在(zai)冶金(jin)級硅(gui)(gui)(gui)(gui)片上生長出(chu)(chu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)，并設(she)計了(le)一種類似(si)于(yu)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)(mo)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)新型太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，稱之(zhi)為“硅(gui)(gui)(gui)(gui)粒(li)”太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，但有關性能(neng)(neng)方(fang)面的(de)(de)報道還未見到。多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由于(yu)所使用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)遠較單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)少，又無效(xiao)率(lv)(lv)衰退(tui)問題，并且有可能(neng)(neng)在(zai)廉價襯底材料上制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)，其成本遠低(di)(di)于(yu)單晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，而效(xiao)率(lv)(lv)高于(yu)非晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，因此，多(duo)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不久將會(hui)在(zai)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)地市場上占據主導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開(kai)發太(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)兩個關鍵問題就是：提高轉(zhuan)換效率(lv)和降低(di)成本。由(you)于(yu)非晶硅薄膜太(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)成本低(di)，便于(yu)大(da)規模生(sheng)產(chan)，普遍受到人們的(de)(de)重視并得(de)到迅速發展，其實早(zao)在70年代初，Carlson等就已經開(kai)始了對非晶硅電(dian)池的(de)(de)研制(zhi)工作，近幾年它的(de)(de)研制(zhi)工作得(de)到了迅速發展，目前世(shi)界上己有(you)許多家公司在生(sheng)產(chan)該種電(dian)池產(chan)品(pin)。

非晶硅作為(wei)太(tai)陽(yang)能材料(liao)盡(jin)管是一種很好的(de)(de)電(dian)池材料(liao)，但(dan)由于其光(guang)學帶(dai)隙為(wei)1.7eV，使得材料(liao)本身對太(tai)陽(yang)輻射(she)光(guang)譜(pu)的(de)(de)長波(bo)區域不敏感，這(zhe)樣一來就限制了非晶硅太(tai)陽(yang)能電(dian)池的(de)(de)轉換(huan)效(xiao)率。此(ci)外，其光(guang)電(dian)效(xiao)率會隨(sui)著光(guang)照時(shi)間的(de)(de)延續而衰減，即所謂的(de)(de)光(guang)致衰退(tui)S一W效(xiao)應，使得電(dian)池性能不穩定。解決這(zhe)些問題(ti)的(de)(de)這(zhe)徑就是制備(bei)(bei)疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)池，疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)池是由在制備(bei)(bei)的(de)(de)p、i、n層(ceng)單結太(tai)陽(yang)能電(dian)池上再沉積一個(ge)或多個(ge)P-i-n子電(dian)池制得的(de)(de)。

疊(die)層(ceng)(ceng)太陽(yang)能電(dian)池(chi)提高(gao)轉(zhuan)換效率、解決單結電(dian)池(chi)不(bu)穩(wen)定性的(de)關鍵問(wen)題在于：①它把(ba)不(bu)同禁帶寬度的(de)材科組臺(tai)在一起，提高(gao)了光(guang)(guang)譜的(de)響應范圍；②頂電(dian)池(chi)的(de)i層(ceng)(ceng)較薄，光(guang)(guang)照產生(sheng)的(de)電(dian)場(chang)強度變(bian)化不(bu)大，保證i層(ceng)(ceng)中的(de)光(guang)(guang)生(sheng)載流子抽出；③底電(dian)池(chi)產生(sheng)的(de)載流子約為單電(dian)池(chi)的(de)一半，光(guang)(guang)致衰退效應減小；④疊(die)層(ceng)(ceng)太陽(yang)能電(dian)池(chi)各子電(dian)池(chi)是串聯在一起的(de)。

非(fei)晶硅薄(bo)膜太(tai)陽(yang)(yang)能電池的制(zhi)(zhi)備方(fang)法有(you)很多，其(qi)中(zhong)包括反(fan)應(ying)濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反(fan)應(ying)原料氣體為(wei)H2稀釋的SiH4，襯(chen)底主要(yao)為(wei)玻璃(li)及(ji)不銹鋼片，制(zhi)(zhi)成的非(fei)晶硅薄(bo)膜經過不同的電池工(gong)藝過程(cheng)可分別制(zhi)(zhi)得(de)單(dan)結電池和疊層(ceng)太(tai)陽(yang)(yang)能電池。

目前非(fei)晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的研究取得兩(liang)大進展：第一、三(san)疊(die)層(ceng)結(jie)構非(fei)晶硅(gui)(gui)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)達到13％，創下新(xin)的記(ji)錄；第二.三(san)疊(die)層(ceng)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)年生產能(neng)力達5MW。美國聯合太(tai)陽能(neng)公(gong)司（VSSC）制得的單結(jie)太(tai)陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)為(wei)9．3%，三(san)帶隙三(san)疊(die)層(ceng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)為(wei)上述最高轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)是(shi)在小(xiao)面積（0．25cm2）電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)上取得的。

曾有文(wen)獻報道單(dan)結非晶(jing)硅(gui)太(tai)陽能電(dian)池轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)超過12．5％，日本中(zhong)央研究(jiu)(jiu)院采用(yong)一系列(lie)新(xin)措施，制得的非晶(jing)硅(gui)電(dian)池的轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)為(wei)13．2％。國(guo)內關(guan)于非晶(jing)硅(gui)薄膜電(dian)池特別是疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)池的研究(jiu)(jiu)并不多，南開大學(xue)的耿新(xin)華等(deng)采用(yong)工業用(yong)材料，以鋁背電(dian)極制備出面積(ji)為(wei)20X20cm2、轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)為(wei)8．28％的a－Si/a－Si疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)池。

非晶(jing)(jing)硅(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池由于具有(you)較高的轉換(huan)效率(lv)(lv)和較低的成(cheng)本及(ji)重量輕等特點，有(you)著極大的潛力。但同時由于它的穩定性不(bu)高，直接影響了(le)它的實際(ji)應用(yong)。如果(guo)能(neng)進一(yi)步解決穩定性問題(ti)及(ji)提(ti)高轉換(huan)率(lv)(lv)問題(ti)，那么，非晶(jing)(jing)硅(gui)大陽(yang)能(neng)電(dian)池無疑(yi)是太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池的主(zhu)要發展產品之一(yi)。

注(zhu)：太(tai)陽能(neng)光(guang)伏(fu)電池(chi)（簡稱光(guang)伏(fu)電池(chi)）用于把(ba)太(tai)陽的光(guang)能(neng)直接(jie)轉化為電能(neng)。目前(qian)地面(mian)光(guang)伏(fu)系統大量(liang)使用的是以(yi)硅(gui)為基底的硅(gui)太(tai)陽能(neng)電池(chi)，可分為單晶(jing)(jing)硅(gui)、多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)、非(fei)晶(jing)(jing)硅(gui)太(tai)陽能(neng)電池(chi)。在能(neng)量(liang)轉換效(xiao)率和使用壽命(ming)等(deng)綜合性能(neng)方面(mian)，單晶(jing)(jing)硅(gui)和多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)電池(chi)優于非(fei)晶(jing)(jing)硅(gui)電池(chi)。多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)比單晶(jing)(jing)硅(gui)轉換效(xiao)率略低，但價格(ge)更便宜。

三、非晶硅薄膜太(tai)陽(yang)能電池的優點(dian)

非晶硅(gui)太陽能電池之所以受到(dao)人們的(de)關注和(he)重視，是因為它具有如下諸多的(de)優點：

1.非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)具有較高(gao)的(de)(de)光(guang)吸(xi)收(shou)系數，特(te)別是在0.3-0.75um 的(de)(de)可見光(guang)波段，它(ta)(ta)的(de)(de)吸(xi)收(shou)系數比(bi)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)要高(gao)出一個(ge)數量級。因而它(ta)(ta)比(bi)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)對太陽(yang)能(neng)(neng)輻射(she)的(de)(de)吸(xi)收(shou)率要高(gao)40倍左右(you)，用很(hen)薄的(de)(de)非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)膜(約1um厚)就能(neng)(neng)吸(xi)收(shou)90%有用的(de)(de)太陽(yang)能(neng)(neng)，這是非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)材料最(zui)重要的(de)(de)特(te)點，也是它(ta)(ta)能(neng)(neng)夠成為(wei)低價格(ge)太陽(yang)能(neng)(neng)電池的(de)(de)最(zui)主(zhu)要因素。

2. 非晶(jing)硅的禁帶(dai)寬度(du)比單晶(jing)硅大，隨制(zhi)備條件的不(bu)同約在(zai)1.5-2.0 eV的范(fan)圍(wei)內變化，這樣制(zhi)成的非晶(jing)硅太陽能電池(chi)的開路電壓高。

3.制(zhi)備非晶硅(gui)(gui)的工藝和(he)設備簡單，淀積溫度(du)(du)低，時間短，適于(yu)大(da)批生產(chan)，制(zhi)作單晶硅(gui)(gui)電池一般(ban)需要(yao)1000度(du)(du)以上的高溫，而非晶硅(gui)(gui)電池的制(zhi)作僅(jin)需200度(du)(du)左右。

4.由于(yu)非晶(jing)(jing)硅沒有晶(jing)(jing)體硅所需要的(de)周期性原子(zi)排(pai)列(lie)，可(ke)以(yi)不考慮制備晶(jing)(jing)體所必須考慮的(de)材(cai)料(liao)與(yu)襯底(di)間的(de)晶(jing)(jing)格失配問(wen)題(ti)，因(yin)而它幾(ji)乎可(ke)以(yi)淀積在(zai)任何襯底(di)上，包括(kuo)廉價的(de)玻璃襯底(di)，并且易于(yu)實現大(da)面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能耗(hao)(hao)少，約100千瓦(wa)小時，能耗(hao)(hao)的(de)回(hui)收年數比單晶硅電池短很多。