多晶硅薄膜和非晶硅(gui)薄膜太(tai)陽能電池(chi)對比(bi)分(fen)析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通(tong)常(chang)的(de)(de)晶(jing)體硅(gui)(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)電池是在(zai)厚(hou)度350－450μm的(de)(de)高質量硅(gui)(gui)片上(shang)(shang)制(zhi)成的(de)(de)，這種硅(gui)(gui)片從提拉或澆鑄的(de)(de)硅(gui)(gui)錠上(shang)(shang)鋸割(ge)而成。因此實(shi)際消耗的(de)(de)硅(gui)(gui)材(cai)料(liao)更多(duo)。為了節省材(cai)料(liao)，人們從70年代中期就開始在(zai)廉(lian)價襯底(di)上(shang)(shang)沉(chen)積(ji)多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)，但由于(yu)生(sheng)長的(de)(de)硅(gui)(gui)膜(mo)晶(jing)粒(li)(li)大小，未能(neng)制(zhi)成有(you)價值的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電池。為了獲得大尺寸晶(jing)粒(li)(li)的(de)(de)薄膜(mo)，人們一直沒有(you)停(ting)止過研究，并提出(chu)了很多(duo)方(fang)法。目(mu)前制(zhi)備(bei)(bei)多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電池多(duo)采(cai)用化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)法，包括低壓(ya)化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)（LPCVD）和等離子增強化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)（PECVD）工(gong)藝。此外，液相(xiang)(xiang)外延法（LPPE）和濺射(she)沉(chen)積(ji)法也(ye)可用來制(zhi)備(bei)(bei)多(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電池。

化(hua)學氣(qi)相沉積(ji)主要(yao)(yao)是(shi)(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或(huo)SiH4為反(fan)應氣(qi)體，在一定的(de)(de)(de)(de)(de)保護氣(qi)氛(fen)下(xia)反(fan)應生成(cheng)硅(gui)原子并沉積(ji)在加熱的(de)(de)(de)(de)(de)襯(chen)底(di)(di)上(shang)，襯(chen)底(di)(di)材料一般選(xuan)用(yong)(yong)Si、SiO2、Si3N4等。但(dan)研究(jiu)發現，在非(fei)硅(gui)襯(chen)底(di)(di)上(shang)很難形成(cheng)較大的(de)(de)(de)(de)(de)晶粒，并且容(rong)易在晶粒間形成(cheng)空隙。解決這一問(wen)題辦法是(shi)(shi)先(xian)用(yong)(yong)LPCVD在襯(chen)底(di)(di)上(shang)沉熾一層(ceng)較薄的(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)晶硅(gui)層(ceng)，再(zai)將這層(ceng)非(fei)晶硅(gui)層(ceng)退火，得到較大的(de)(de)(de)(de)(de)晶粒，然后再(zai)在這層(ceng)籽晶上(shang)沉積(ji)厚的(de)(de)(de)(de)(de)多晶硅(gui)薄膜(mo)，因(yin)此，再(zai)結晶技術無疑是(shi)(shi)很重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)一個環節，目前采用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)技術主要(yao)(yao)有固相結晶法和中(zhong)區熔再(zai)結晶法。

多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)除采用(yong)了(le)再結晶(jing)工藝外，另外采用(yong)了(le)幾乎所(suo)有制(zhi)(zhi)備單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)，這樣制(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)(huan)效率明顯提高(gao)。德國費萊堡太(tai)陽能研(yan)究所(suo)采用(yong)區館再結晶(jing)技(ji)術(shu)在FZSi襯底上制(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)(huan)效率為(wei)19％，日本三菱公(gong)司用(yong)該法制(zhi)(zhi)備電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，效率達16.42%。半(ban)導體(ti)、芯片、集成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路、設計、版圖、芯片、制(zhi)(zhi)造(zao)、工藝、制(zhi)(zhi)程、封裝、測試(shi)。液相(xiang)外延（LPE）法的(de)(de)(de)原理是(shi)通過將硅(gui)(gui)(gui)熔融在母體(ti)里，降低溫度(du)析出硅(gui)(gui)(gui)膜(mo)。美(mei)國Astropower公(gong)司采用(yong)LPE制(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效率達12．2％。中(zhong)國光電(dian)(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)中(zhong)心的(de)(de)(de)陳哲良(liang)采用(yong)液相(xiang)外延法在冶(ye)金(jin)級硅(gui)(gui)(gui)片上生長出硅(gui)(gui)(gui)晶(jing)粒，并設計了(le)一種類似于晶(jing)體(ti)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)新(xin)型太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，稱之為(wei)“硅(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，但(dan)有關性能方面的(de)(de)(de)報道還未見到。多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由于所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)遠較單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)少(shao)，又無效率衰退(tui)問題(ti)，并且(qie)有可(ke)能在廉價襯底材料上制(zhi)(zhi)備，其成(cheng)本遠低于單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，而效率高(gao)于非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，因(yin)此，多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不(bu)久(jiu)將會在太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)地(di)市場上占據主導地(di)位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fa)太陽能電池的(de)兩個關(guan)鍵問題就是：提高轉換效率和降低成本(ben)。由于(yu)非(fei)晶硅薄膜太陽能電池的(de)成本(ben)低，便(bian)于(yu)大規(gui)模生(sheng)產(chan)，普遍受(shou)到人們的(de)重(zhong)視并得到迅速(su)發(fa)展，其實早在(zai)70年(nian)代(dai)初(chu)，Carlson等就已經開始了(le)對非(fei)晶硅電池的(de)研制工作，近幾年(nian)它(ta)的(de)研制工作得到了(le)迅速(su)發(fa)展，目前世(shi)界上己有許多家公司(si)在(zai)生(sheng)產(chan)該種電池產(chan)品(pin)。

非晶硅作為(wei)太(tai)陽(yang)(yang)能材(cai)料盡管是(shi)一(yi)種很好的(de)(de)電(dian)池材(cai)料，但由于其(qi)光學帶隙為(wei)1.7eV，使(shi)得(de)材(cai)料本(ben)身對(dui)太(tai)陽(yang)(yang)輻(fu)射光譜(pu)的(de)(de)長波區(qu)域不(bu)敏感，這樣一(yi)來就限(xian)制(zhi)了(le)非晶硅太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池的(de)(de)轉換效率(lv)。此外，其(qi)光電(dian)效率(lv)會隨著光照時間的(de)(de)延續(xu)而衰減，即(ji)所謂(wei)的(de)(de)光致(zhi)衰退S一(yi)W效應，使(shi)得(de)電(dian)池性能不(bu)穩定。解決這些(xie)問題的(de)(de)這徑就是(shi)制(zhi)備疊層太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池，疊層太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池是(shi)由在制(zhi)備的(de)(de)p、i、n層單結太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池上再沉(chen)積(ji)一(yi)個(ge)或多個(ge)P-i-n子(zi)電(dian)池制(zhi)得(de)的(de)(de)。

疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)提高(gao)轉換效(xiao)率(lv)、解決單結電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不(bu)穩(wen)定性的(de)關鍵問(wen)題在于：①它把不(bu)同禁帶寬度(du)的(de)材科(ke)組臺(tai)在一(yi)起(qi)，提高(gao)了光譜的(de)響(xiang)應范圍(wei)；②頂(ding)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)i層(ceng)較薄，光照產生的(de)電(dian)(dian)(dian)場強度(du)變化不(bu)大，保證i層(ceng)中的(de)光生載(zai)流(liu)子抽出；③底(di)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)產生的(de)載(zai)流(liu)子約為(wei)單電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)一(yi)半，光致(zhi)衰退效(xiao)應減小；④疊(die)層(ceng)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)各子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)是串聯在一(yi)起(qi)的(de)。

非(fei)晶硅(gui)薄膜(mo)太(tai)陽能電池(chi)的制備方(fang)法(fa)有很多，其中(zhong)包括反應濺(jian)射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反應原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底(di)主(zhu)要為玻璃及不(bu)銹鋼片，制成的非(fei)晶硅(gui)薄膜(mo)經過不(bu)同的電池(chi)工藝過程可分(fen)別制得單結電池(chi)和疊層太(tai)陽能電池(chi)。

目前非(fei)晶硅太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)研(yan)究取得(de)兩大進(jin)展：第一、三(san)疊層結構非(fei)晶硅太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)達到13％，創下新的(de)記(ji)錄；第二.三(san)疊層太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)年生產能(neng)(neng)力達5MW。美國聯合太(tai)陽能(neng)(neng)公(gong)司(si)（VSSC）制得(de)的(de)單結太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)為9．3%，三(san)帶隙三(san)疊層電(dian)(dian)池(chi)(chi)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)為上(shang)述最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)是(shi)在小(xiao)面積（0．25cm2）電(dian)(dian)池(chi)(chi)上(shang)取得(de)的(de)。

曾有文獻報道單結非晶(jing)硅(gui)(gui)太(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)轉換(huan)效(xiao)率(lv)超(chao)過12．5％，日本中央(yang)研(yan)究院采用(yong)一系列新(xin)措施，制得的(de)(de)非晶(jing)硅(gui)(gui)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)轉換(huan)效(xiao)率(lv)為13．2％。國內關于非晶(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)特別是疊層(ceng)(ceng)太(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)研(yan)究并(bing)不多(duo)，南開(kai)大學(xue)的(de)(de)耿新(xin)華等采用(yong)工業用(yong)材料，以鋁背(bei)電(dian)極制備(bei)出面積為20X20cm2、轉換(huan)效(xiao)率(lv)為8．28％的(de)(de)a－Si/a－Si疊層(ceng)(ceng)太(tai)陽能電(dian)池(chi)(chi)。

非(fei)晶硅太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)由于具有較高的(de)(de)(de)轉換(huan)(huan)效率和較低的(de)(de)(de)成本(ben)及重量(liang)輕(qing)等(deng)特點，有著極大的(de)(de)(de)潛力。但同時由于它的(de)(de)(de)穩定(ding)性不高，直接影響了(le)它的(de)(de)(de)實(shi)際應用。如果能(neng)進一(yi)步解決穩定(ding)性問題及提(ti)高轉換(huan)(huan)率問題，那么，非(fei)晶硅大陽能(neng)電(dian)池(chi)無疑是太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)主要(yao)發展產品之一(yi)。

注(zhu)：太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)光伏電(dian)(dian)池（簡稱光伏電(dian)(dian)池）用(yong)于把太陽的光能(neng)(neng)(neng)(neng)直(zhi)接轉化為電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)。目前地面(mian)光伏系統大量使用(yong)的是以硅(gui)(gui)(gui)為基底的硅(gui)(gui)(gui)太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池，可分為單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)、多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)、非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)太陽能(neng)(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池。在能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉換效(xiao)率和使用(yong)壽命等綜合性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)方面(mian)，單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)和多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池優(you)于非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池。多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)比單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)轉換效(xiao)率略(lve)低(di)，但價格(ge)更便宜。

三(san)、非晶(jing)硅薄膜太陽能(neng)電(dian)池的優點

非晶硅(gui)太陽能電(dian)池之所以受到人們的(de)(de)關注和重視(shi)，是因為它(ta)具(ju)有如下諸多的(de)(de)優(you)點：

1.非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)光(guang)吸(xi)收(shou)系數(shu)，特(te)別是(shi)在(zai)0.3-0.75um 的(de)(de)可(ke)見(jian)光(guang)波(bo)段，它(ta)的(de)(de)吸(xi)收(shou)系數(shu)比單晶(jing)硅(gui)要(yao)(yao)(yao)高(gao)出(chu)一(yi)個(ge)數(shu)量級(ji)。因(yin)而它(ta)比單晶(jing)硅(gui)對太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)輻射的(de)(de)吸(xi)收(shou)率要(yao)(yao)(yao)高(gao)40倍左右，用(yong)很薄的(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)膜(約1um厚)就能(neng)(neng)吸(xi)收(shou)90%有用(yong)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)，這是(shi)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)材料最重要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)特(te)點，也是(shi)它(ta)能(neng)(neng)夠(gou)成(cheng)為低價格太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電池的(de)(de)最主要(yao)(yao)(yao)因(yin)素。

2. 非晶(jing)硅的(de)(de)禁帶寬度(du)比(bi)單晶(jing)硅大，隨(sui)制備(bei)條件的(de)(de)不同約在1.5-2.0 eV的(de)(de)范圍(wei)內變(bian)化，這樣制成的(de)(de)非晶(jing)硅太陽能電池(chi)的(de)(de)開路(lu)電壓(ya)高(gao)。

3.制備非(fei)晶硅的工藝和(he)設(she)備簡單，淀積溫度(du)低，時間短，適于大批生產，制作單晶硅電池一般需要1000度(du)以上的高溫，而非(fei)晶硅電池的制作僅需200度(du)左右。

4.由于(yu)非晶硅沒有晶體硅所需(xu)要的周期(qi)性(xing)原子排列，可(ke)以不(bu)考(kao)慮制備晶體所必須考(kao)慮的材(cai)料與(yu)襯(chen)底間的晶格失配問題，因而它幾乎可(ke)以淀積在任何襯(chen)底上，包(bao)括(kuo)廉價的玻璃(li)襯(chen)底，并且易于(yu)實(shi)現大面積化。

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(nian)數比單晶(jing)硅電池短很(hen)多(duo)。