中文摘要PAGEII中文摘要非晶硅太陽能電池作為一種新型太陽能電池,其原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn),因而具有廣闊的市場前景。它具有較高的光吸收系數(shù),在0.4~0.75um的可見光波，其吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級,比單晶硅對太陽能輻射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收約80%有用的太陽能,且暗電導(dǎo)很低,在實際使用中對低光強光有較好的適應(yīng),特別適用于制作室內(nèi)用的微低功耗電源,這些都是非晶硅材料最重要的特點,也是它能夠成為低價太陽能電池的重要因素。非晶硅薄膜電池由于沒有晶體硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題,在較低的溫度(200攝氏度左右)下可直接沉積在玻璃、不銹鋼、塑料膜和陶瓷等廉價襯底材料上,工藝簡單,單片電池面積大,便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),同時亦能減少能量回收時間,降低生產(chǎn)成本。另外,非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大,隨制備條件的不同約在1.5~2.0eV的范圍內(nèi)變化,這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高,同時,還適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池,可做成半透明的電池組件,直接用做幕墻和天窗玻璃,從而實現(xiàn)光伏發(fā)電和建筑房屋一體化?？傊?非晶硅薄膜電池具有生產(chǎn)成本低、能量回收時間短、適于大批量生產(chǎn)、弱光響應(yīng)好以及易實現(xiàn)與建筑相結(jié)合、適用范圍廣等優(yōu)點。關(guān)鍵字：非晶硅薄膜;光致衰退效應(yīng);界面態(tài);太陽能電池目錄目錄中文摘要 I第一章非晶硅薄膜太陽電池 1第一節(jié)非晶硅薄膜太陽電池基礎(chǔ)知識簡介 1第二節(jié)非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線及制造流程簡介 5第二章非晶硅薄膜太陽電池應(yīng)用分析 7第一節(jié)非晶硅電池特點 7第二節(jié)非晶硅電池光致衰退效應(yīng) 8第三節(jié)非晶硅電池性能影響因素及發(fā)展前景 9第三章總結(jié) 11致謝 12參考文獻 13第一章簡易文本編輯器內(nèi)容和功能第13頁非晶硅薄膜太陽電池非晶硅薄膜太陽電池基礎(chǔ)知識簡介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15%。圖1.1為一般單結(jié)的非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖，圖1.2為非晶硅太陽能電池圖1.1

非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖圖1.2

非晶硅柔性太陽能電池第一層，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)。重摻雜的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。

如圖4所示：

圖1.3

大面積集成型疊層太陽能電池

圖1.4

子電池示意圖非晶硅薄膜太陽電池生產(chǎn)線及制造流程簡介非晶硅薄膜太陽電池的生產(chǎn)線主要包括如下設(shè)備：導(dǎo)電玻璃磨邊設(shè)備，導(dǎo)電玻璃清洗設(shè)備，大型非晶硅薄膜PECVD生產(chǎn)設(shè)備（包括輔助設(shè)備），紅外激光、綠激光刻線設(shè)備，大型磁控濺射生產(chǎn)設(shè)備，組件測試設(shè)備。其工藝流程如圖5所示，

圖1.5非晶硅太陽電池的制備流程

從圖5可以知道，其制備工藝的流程為所有光伏電池中流程最短。但是對非晶硅半導(dǎo)體膜系的真空PECVD制備從膜系設(shè)計到工藝過程控制的要求是非常嚴格的。當前小面積電池的實驗室制備已達到接近15%的光電轉(zhuǎn)換效率，而工藝生產(chǎn)的大面積組件在大多數(shù)生產(chǎn)線上還未達到認證效率6%。理論上大面積組件的極限是小面積器件的85-90%，小面積器件與組件的光電準換效率的差距體現(xiàn)了一條生產(chǎn)線的技術(shù)水平。國際上少數(shù)非晶硅生產(chǎn)線已制備出認證效率8%以上的組件，由于幾乎所有其他類型的光伏組件（包括當前熱議的微晶硅薄膜電池）在實際運行高溫情況與陰天低照度下性能不佳的問題而唯獨非晶硅組件在這些實際運行條件下表現(xiàn)優(yōu)秀的性能，所以其它類型的大面積薄膜電池的低成本規(guī)模制造出認證光電轉(zhuǎn)換效率超過12%的組件以前，即使在規(guī)模發(fā)電應(yīng)用，非晶硅光伏組件以其最低的制造成本，適中的，并不像誤傳的那么差的光電轉(zhuǎn)換效率，是無法被淘汰的，且不說美麗的半透明組件以及可以彎曲，質(zhì)量輕又不易破碎的柔性組件等只有非晶硅具備的優(yōu)越性能的應(yīng)用了。第二章簡易文本編輯器設(shè)計非晶硅薄膜太陽電池應(yīng)用分析非晶硅電池特點非晶硅太陽能電池作為一種新型太陽能電池,其原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn),因而具有廣闊的市場前景。它具有較高的光吸收系數(shù),在0.4~0.75um的可見光波，其吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級,比單晶硅對太陽能輻射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(約1um厚)就能吸收約80%有用的太陽能,且暗電導(dǎo)很低,在實際使用中對低光強光有較好的適應(yīng),特別適用于制作室內(nèi)用的微低功耗電源,這些都是非晶硅材料最重要的特點,也是它能夠成為低價太陽能電池的重要因素。非晶硅薄膜電池由于沒有晶體硅所需要的周期性原子排列要求,可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題,在較低的溫度(200攝氏度左右)下可直接沉積在玻璃、不銹鋼、塑料膜和陶瓷等廉價襯底材

料上,工藝簡單,單片電池面積大,便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),同時亦能減少能量回收時間,降低生產(chǎn)成本。另外,非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大,隨制備條件的不同約在1.5~2.0eV的范圍內(nèi)變化,這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高,同時,還適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池,可做成半透明的電池組件,直接用做幕墻和天窗玻璃,從而實現(xiàn)光伏發(fā)電和建筑房屋一體化?？傊?非晶硅薄膜電池具有生產(chǎn)成本低、能量回收時間短、適于大批量生產(chǎn)、弱光響應(yīng)好以及易實現(xiàn)與建筑相結(jié)合、適用范圍廣等優(yōu)點。由于非晶硅半導(dǎo)體材料(a-Si)最基本的特征是組成原子的排列為長程無序、短程有序,原子之間的鍵合類似晶體硅,形成的是一種共價無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),它含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵等,因此載流子遷移率低、擴散長度小、壽命短,所以這種材料是不適合直接做成半導(dǎo)體器件的。為了降低非晶硅中缺陷態(tài)密度,使之成為有用的光電器件,人們發(fā)現(xiàn)通過對其氫化處理后非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償,形成硅氫鍵,降低了態(tài)隙密度。1976年研究人員成功實現(xiàn)了對非晶硅材料的p型和n型摻雜,實現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作[1]。但這種氫化非晶硅pn結(jié)不穩(wěn)定,而且光照時光電導(dǎo)不明顯,幾乎沒有有效的電荷收集。因此為了把非晶硅材料做成有效的太陽能電池,常采取的結(jié)構(gòu)模式為pin結(jié)構(gòu),p層和i層起著建立內(nèi)建電場的作用,i層起著載流子產(chǎn)生與收集的作用。此外,非晶硅材料的光學(xué)帶隙為1.7eV,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,解決這個問題的方法就是制備疊層太陽能電池,一方面增加太陽光利用率,另一方面提高非晶硅太陽能電池效率。但是,非晶硅薄膜太陽能電池光電效率會隨著光照時間延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退(S-W效應(yīng))效應(yīng)[2],主要是因為Si-H鍵很弱,在光照下H很容易失去,形成大量Si懸掛鍵[3],并且非晶硅薄膜電池轉(zhuǎn)換效率低,一般在10%左右。所以為了提高電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,必須盡量減小光致衰退影響和優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和工藝。非晶硅電池光致衰退效應(yīng)沒有摻雜的非晶硅薄膜由于其結(jié)構(gòu)缺陷,存在懸掛鍵、斷鍵、空穴等,導(dǎo)致其電學(xué)性能差而很難做成有用的光電器件。所以,必須對其進行氫摻雜飽和它的部分懸掛鍵,降低其缺陷態(tài)密度,這樣才能增加載流子遷移率,提高載流子擴散長度,延長載流子壽命,使其成為有用的光電器件。然而,氫化非晶硅薄膜經(jīng)較長時間的強光照射或電流通過時,由于Si-H鍵很弱,H很容易失去,形成大量的Si懸掛鍵,從而使薄膜的電學(xué)性能下降,而且這種失H行為還是一種“鏈式”反應(yīng),失去H的懸掛鍵又吸引相鄰鍵上的H,使其周圍的Si-H鍵松動,致使相鄰的H原子結(jié)合為H2,便于形成H2的氣泡[4]。硅懸掛鍵的產(chǎn)生和缺陷的形成是制約氫化非晶硅薄膜應(yīng)用的主要原因,只有正確理解光致衰退效應(yīng)的機理,才能解決好氫化非晶硅薄膜的穩(wěn)定性問題[5]?，F(xiàn)在S-W效應(yīng)的機制還是一個有待進一步研究解決的問題,人們提出了各種理論進行解釋,有的認為是光照在樣品中產(chǎn)生了新的缺陷,這種缺陷增加了隙態(tài)密度,降低了光電導(dǎo)和暗電導(dǎo);有的認為是光照產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)缺陷;有的認為是光照引起了非晶硅結(jié)構(gòu)的變化;還有人認為空間電荷效應(yīng)是氫化非晶硅電池光誘導(dǎo)性能衰退的主要物理機制,在光照射下非晶硅太陽能電池光生空穴俘獲產(chǎn)生的帶正電缺陷使電池內(nèi)部有了凈正空間電荷,從而把高電場調(diào)制到p/i界面,而使i/n界面附近電場強度下降以致出現(xiàn)低場“死層”,低場“死層”降低非晶硅太陽能電池對光生載流子的收集,使電池性能隨著光照而衰退[5-6]?？偟目捶ㄕJ為,光致衰退效應(yīng)起因于光照導(dǎo)致在帶隙中產(chǎn)生了新的懸掛鍵缺陷態(tài)(深能級),這種缺陷態(tài)會影響氫化非晶硅薄膜材料的費米能級的位置,從而使電子的分布情況發(fā)生變化,進而一方面引起光學(xué)性能的變化,另一方面對電子的復(fù)合過程產(chǎn)生影響。這些缺陷態(tài)成為電子和空穴的額外復(fù)合中心,使得電子的俘獲截面增大、壽命下降[3]。目前對于氫化非晶硅薄膜光致衰退原理人們建立了很多模型,主要有弱鍵斷裂(SJT)模[3,7]、“H玻璃”模型[3,8]、H碰撞模型[3,9]、Si-H-Si橋鍵形成模型[3,10]、“defectpool”模型[3,11]等，但至今仍沒有形成統(tǒng)一的觀點。為了阻止S-W效應(yīng),一方面要減少a-Si#H材料中的Si-H鍵和O、N等雜質(zhì)污染,另一方面要適當減少i層厚度,增強內(nèi)建電場,從而減少光生載流子的復(fù)合,抑制電池特性的光致衰退效應(yīng)[12]。非晶硅電池性能影響因素及發(fā)展前景由于非晶硅結(jié)構(gòu)是一種無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有長程無序性,所以對載流子有極強的散射作用,導(dǎo)致載流子不能被有效地收集。為了提高非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,一般不采取單晶硅太陽能電池的p-n結(jié)構(gòu)。這是因為:輕摻雜的非晶硅費米能級移動較小,如果兩邊都采取輕摻雜或一邊是輕摻雜另一邊用重摻雜材料,則能帶彎曲較小,電池開路電壓受到限制;如果直接用重摻雜的p+和n+材料形成p+-n+結(jié),由于重摻雜非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高,少子壽命低,電池性能會很差。因此,通常在兩個重摻雜層中淀積一層未摻雜非晶硅層(i層)作為有源集電區(qū),即p-i-n結(jié)構(gòu)。非晶硅太陽能電池光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i層,與晶態(tài)硅太陽能電池載流子主要由于擴散而移動不同,在非晶硅太陽能電池中,光生載流子由于擴散長度小主要依靠電池內(nèi)電場作用做漂移運動[5]。當非晶硅電池采取pin結(jié)構(gòu)以后,電池在光照下就可以工作了,但因存在光致衰退效應(yīng),電池性能不穩(wěn)定,電池轉(zhuǎn)換效率隨光照時間逐漸衰退,所以電池的結(jié)構(gòu)與工藝還要進一步優(yōu)化。影響非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的主要因素有:透明導(dǎo)電膜、窗口層性質(zhì)(包括窗口層光學(xué)帶隙寬度、窗口層導(dǎo)電率及摻雜濃度、窗口層激活能、窗口層的光透過率)、各層之間界面狀態(tài)(界面缺陷態(tài)密度)及能隙匹配、各層厚度(尤其i層厚度)以及太陽能電池結(jié)構(gòu)等。非晶硅薄膜電池的結(jié)構(gòu)一般采取疊層式或進行集成或構(gòu)造異質(zhì)結(jié)等形式。非晶硅電池生產(chǎn)工藝簡單且溫度低、耗能小,其市場份額逐年提高。目前,一半以上薄膜太陽能電池公司采用非晶硅薄膜技術(shù),預(yù)計幾年內(nèi),非晶硅薄膜在未來薄膜太陽能電池中將占據(jù)主要份額。但光電轉(zhuǎn)換效率低和光致衰退效應(yīng)是當前非晶硅薄膜電池存在的兩大主要問題,為提高效率和穩(wěn)定性人們在新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)等方面需要加強探索。如在電池結(jié)構(gòu)方面采取疊層式和集成式;在透明導(dǎo)電膜反方面采用不僅具有電阻率低而且具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗輻射效果的透明導(dǎo)電薄膜代替目前的ITO、ZnO、ZnO#Al等導(dǎo)電膜;在窗口層材料方面探索新型的寬光學(xué)帶隙和低電阻材料的窗口層材料,如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等;在非晶硅薄膜制備技術(shù)方