多(duo)晶硅薄膜和非(fei)晶硅薄膜太陽能(neng)電池對比分(fen)析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶(jing)體硅(gui)太陽能電池是在厚度350－450μm的高質(zhi)量硅(gui)片上制(zhi)成(cheng)的，這種硅(gui)片從提(ti)拉或澆鑄的硅(gui)錠上鋸割而成(cheng)。因(yin)此實際消耗(hao)的硅(gui)材(cai)料(liao)更(geng)多(duo)(duo)。為了(le)(le)節省材(cai)料(liao)，人們從70年代中期就開始在廉價襯底上沉(chen)(chen)積(ji)(ji)多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜，但(dan)由于(yu)生長的硅(gui)膜晶(jing)粒(li)(li)大小，未能制(zhi)成(cheng)有價值(zhi)的太陽能電池。為了(le)(le)獲(huo)得大尺(chi)寸晶(jing)粒(li)(li)的薄膜，人們一直沒有停止過研究(jiu)，并(bing)提(ti)出了(le)(le)很多(duo)(duo)方(fang)法(fa)。目前制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜電池多(duo)(duo)采(cai)用化學(xue)(xue)氣相(xiang)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)法(fa)，包括低(di)壓化學(xue)(xue)氣相(xiang)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)（LPCVD）和(he)等(deng)離(li)子(zi)增強化學(xue)(xue)氣相(xiang)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)（PECVD）工(gong)藝。此外(wai)，液相(xiang)外(wai)延法(fa)（LPPE）和(he)濺射(she)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)法(fa)也可用來(lai)制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)薄膜電池。

化學(xue)氣(qi)相沉積主要(yao)是(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣(qi)體(ti)，在(zai)一(yi)(yi)定的(de)保護氣(qi)氛下反應生(sheng)成硅原(yuan)子(zi)并沉積在(zai)加熱的(de)襯底(di)(di)上(shang)，襯底(di)(di)材料一(yi)(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fa)現(xian)，在(zai)非硅襯底(di)(di)上(shang)很難(nan)形成較(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒，并且容易在(zai)晶(jing)粒間形成空隙。解決這(zhe)一(yi)(yi)問題辦法是(shi)先用LPCVD在(zai)襯底(di)(di)上(shang)沉熾(chi)一(yi)(yi)層較(jiao)薄(bo)的(de)非晶(jing)硅層，再(zai)(zai)將這(zhe)層非晶(jing)硅層退(tui)火，得到較(jiao)大(da)的(de)晶(jing)粒，然后再(zai)(zai)在(zai)這(zhe)層籽(zi)晶(jing)上(shang)沉積厚的(de)多晶(jing)硅薄(bo)膜，因(yin)此，再(zai)(zai)結(jie)晶(jing)技(ji)術(shu)(shu)無疑是(shi)很重要(yao)的(de)一(yi)(yi)個(ge)環節，目前采用的(de)技(ji)術(shu)(shu)主要(yao)有固相結(jie)晶(jing)法和中區熔(rong)再(zai)(zai)結(jie)晶(jing)法。

多晶硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)除采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)了再結(jie)晶工藝外，另外采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)了幾乎(hu)所(suo)有制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)單(dan)晶硅(gui)(gui)(gui)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的技(ji)(ji)術(shu)，這樣制(zhi)(zhi)得的太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效(xiao)率(lv)明(ming)顯提高。德國(guo)費萊(lai)堡太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)研究所(suo)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)區館再結(jie)晶技(ji)(ji)術(shu)在(zai)FZSi襯底(di)上制(zhi)(zhi)得的多晶硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效(xiao)率(lv)為19％，日本(ben)三(san)菱公司用(yong)(yong)該法(fa)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，效(xiao)率(lv)達16.42%。半導(dao)體、芯片、集成電(dian)(dian)路、設計(ji)、版(ban)圖、芯片、制(zhi)(zhi)造、工藝、制(zhi)(zhi)程(cheng)、封裝、測(ce)試(shi)。液相(xiang)(xiang)外延（LPE）法(fa)的原(yuan)理是通過將(jiang)硅(gui)(gui)(gui)熔融(rong)在(zai)母體里，降低溫度析出硅(gui)(gui)(gui)膜。美國(guo)Astropower公司采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)LPE制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)的電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)效(xiao)率(lv)達12．2％。中(zhong)(zhong)國(guo)光電(dian)(dian)發展(zhan)技(ji)(ji)術(shu)中(zhong)(zhong)心的陳哲良采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)液相(xiang)(xiang)外延法(fa)在(zai)冶金級硅(gui)(gui)(gui)片上生長出硅(gui)(gui)(gui)晶粒，并設計(ji)了一種(zhong)類似(si)于晶體硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的新型(xing)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，稱(cheng)之為“硅(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，但有關性能(neng)方(fang)面的報道還(huan)未見到。多晶硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)由于所(suo)使用(yong)(yong)的硅(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較單(dan)晶硅(gui)(gui)(gui)少，又(you)無效(xiao)率(lv)衰(shuai)退問題，并且(qie)有可能(neng)在(zai)廉(lian)價襯底(di)材料(liao)上制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)，其成本(ben)遠(yuan)低于單(dan)晶硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，而效(xiao)率(lv)高于非晶硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，因此，多晶硅(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)不久將(jiang)會在(zai)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)地市場上占據主(zhu)導(dao)地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開(kai)發(fa)太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)的(de)兩個關鍵問題就是(shi)：提高轉換效率和降低成本。由于(yu)非(fei)晶硅薄膜太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)的(de)成本低，便于(yu)大(da)規模(mo)生(sheng)產，普遍受到人們的(de)重視并(bing)得到迅速發(fa)展，其實早在70年(nian)代初，Carlson等就已經開(kai)始(shi)了對非(fei)晶硅電池(chi)(chi)的(de)研制工作(zuo)，近幾(ji)年(nian)它的(de)研制工作(zuo)得到了迅速發(fa)展，目前世界上己有(you)許多家公司(si)在生(sheng)產該種電池(chi)(chi)產品。

非晶硅作為太(tai)陽(yang)能(neng)材料(liao)盡管是一(yi)(yi)種很好的電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)材料(liao)，但由(you)于其(qi)光(guang)學帶隙為1.7eV，使(shi)得材料(liao)本身對太(tai)陽(yang)輻射光(guang)譜的長波區域不敏感，這樣一(yi)(yi)來就(jiu)限制(zhi)(zhi)(zhi)了非晶硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的轉換效率(lv)。此(ci)外，其(qi)光(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)效率(lv)會隨著(zhu)光(guang)照時間的延續而衰減，即(ji)所謂的光(guang)致衰退(tui)S一(yi)(yi)W效應，使(shi)得電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)性能(neng)不穩定。解(jie)決這些問題的這徑(jing)就(jiu)是制(zhi)(zhi)(zhi)備疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)是由(you)在制(zhi)(zhi)(zhi)備的p、i、n層(ceng)單結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)上(shang)再沉積(ji)一(yi)(yi)個或多個P-i-n子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)制(zhi)(zhi)(zhi)得的。

疊層(ceng)太陽能電(dian)池(chi)提高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率、解決單結電(dian)池(chi)不(bu)穩(wen)定性的(de)關(guan)鍵問題在于：①它把不(bu)同禁(jin)帶寬度的(de)材科組臺在一起(qi)，提高了光(guang)(guang)譜的(de)響應范圍；②頂電(dian)池(chi)的(de)i層(ceng)較薄，光(guang)(guang)照產(chan)生的(de)電(dian)場強度變化不(bu)大，保證i層(ceng)中(zhong)的(de)光(guang)(guang)生載(zai)流(liu)子抽出；③底電(dian)池(chi)產(chan)生的(de)載(zai)流(liu)子約(yue)為(wei)單電(dian)池(chi)的(de)一半，光(guang)(guang)致衰退(tui)效(xiao)應減小；④疊層(ceng)太陽能電(dian)池(chi)各(ge)子電(dian)池(chi)是串(chuan)聯在一起(qi)的(de)。

非晶硅(gui)薄膜太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)的(de)制(zhi)備方法(fa)有(you)很多，其中包括反應濺(jian)射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等(deng)，反應原料氣體為H2稀釋的(de)SiH4，襯底主要為玻(bo)璃及不銹鋼片，制(zhi)成的(de)非晶硅(gui)薄膜經(jing)過(guo)不同的(de)電(dian)池(chi)工藝過(guo)程可分別制(zhi)得單結電(dian)池(chi)和疊層(ceng)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)。

目(mu)前非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電池的(de)(de)研究取得兩大進展：第一、三疊層結構非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電池轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)達(da)到13％，創下新的(de)(de)記(ji)錄(lu)；第二.三疊層太(tai)陽(yang)能(neng)電池年生產能(neng)力(li)達(da)5MW。美國聯合太(tai)陽(yang)能(neng)公司（VSSC）制得的(de)(de)單(dan)結太(tai)陽(yang)能(neng)電池最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)為9．3%，三帶隙(xi)三疊層電池最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)為上述最(zui)高(gao)轉(zhuan)換(huan)效率(lv)(lv)是在(zai)小面積(ji)（0．25cm2）電池上取得的(de)(de)。

曾有(you)文(wen)獻報道單結非晶(jing)硅太陽能(neng)電池(chi)轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率(lv)(lv)超(chao)過12．5％，日本中央研究院采用一系列新(xin)措施，制得的非晶(jing)硅電池(chi)的轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率(lv)(lv)為(wei)13．2％。國(guo)內關于(yu)非晶(jing)硅薄膜電池(chi)特別是疊層太陽能(neng)電池(chi)的研究并(bing)不多，南開大學的耿新(xin)華等(deng)采用工業(ye)用材(cai)料，以鋁背電極制備(bei)出面(mian)積(ji)為(wei)20X20cm2、轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)率(lv)(lv)為(wei)8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽能(neng)電池(chi)。

非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池由于具有較高的(de)轉換效率和較低的(de)成(cheng)本及(ji)重量輕等特(te)點，有著極大的(de)潛力。但同(tong)時由于它(ta)的(de)穩定性(xing)不高，直接影響了它(ta)的(de)實際應用。如果能(neng)進(jin)一(yi)步解決穩定性(xing)問(wen)題及(ji)提(ti)高轉換率問(wen)題，那么，非晶(jing)硅大陽(yang)能(neng)電(dian)池無疑是太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)主要發展產品之(zhi)一(yi)。

注(zhu)：太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)(chi)（簡稱光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)(chi)）用(yong)于把太(tai)(tai)陽的(de)光(guang)能(neng)(neng)直接轉化為電(dian)能(neng)(neng)。目前(qian)地面(mian)光(guang)伏(fu)系統大量使(shi)用(yong)的(de)是(shi)以硅(gui)為基底的(de)硅(gui)太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)，可分為單(dan)晶硅(gui)、多(duo)晶硅(gui)、非晶硅(gui)太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)。在能(neng)(neng)量轉換效率(lv)和使(shi)用(yong)壽命(ming)等綜合性能(neng)(neng)方面(mian)，單(dan)晶硅(gui)和多(duo)晶硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)優(you)于非晶硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)。多(duo)晶硅(gui)比單(dan)晶硅(gui)轉換效率(lv)略(lve)低，但價(jia)格更便宜。

三、非晶硅薄膜太陽(yang)能電池的優點

非晶硅太陽能電(dian)池之所以受到(dao)人(ren)們的關注和重視(shi)，是(shi)因(yin)為它(ta)具有(you)如下諸多(duo)的優點(dian)：

1.非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)具(ju)有(you)較高(gao)(gao)的(de)光吸(xi)收系(xi)數(shu)，特別是(shi)在(zai)0.3-0.75um 的(de)可見(jian)光波段，它的(de)吸(xi)收系(xi)數(shu)比單晶(jing)硅(gui)(gui)要(yao)高(gao)(gao)出一個數(shu)量級。因(yin)而它比單晶(jing)硅(gui)(gui)對(dui)太陽(yang)能(neng)(neng)輻射的(de)吸(xi)收率(lv)要(yao)高(gao)(gao)40倍(bei)左右(you)，用很(hen)薄的(de)非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)膜(約1um厚)就能(neng)(neng)吸(xi)收90%有(you)用的(de)太陽(yang)能(neng)(neng)，這是(shi)非(fei)晶(jing)硅(gui)(gui)材料(liao)最重要(yao)的(de)特點(dian)，也是(shi)它能(neng)(neng)夠成(cheng)為低價(jia)格太陽(yang)能(neng)(neng)電池的(de)最主要(yao)因(yin)素。

2. 非晶硅(gui)的(de)(de)禁帶寬度比單晶硅(gui)大(da)，隨制備條件的(de)(de)不(bu)同約在1.5-2.0 eV的(de)(de)范圍內(nei)變化，這樣制成的(de)(de)非晶硅(gui)太(tai)陽能電池的(de)(de)開路電壓高。

3.制備非晶硅的(de)工藝和(he)設備簡單，淀積溫度低，時間短(duan)，適(shi)于大批(pi)生產，制作(zuo)(zuo)單晶硅電池一般需要1000度以上(shang)的(de)高溫，而非晶硅電池的(de)制作(zuo)(zuo)僅需200度左右。

4.由于非晶硅(gui)沒(mei)有晶體硅(gui)所(suo)需要的周期性原子排列，可(ke)以不(bu)考(kao)慮制備晶體所(suo)必(bi)須考(kao)慮的材(cai)料與襯底(di)間(jian)的晶格失配問題，因而它幾乎可(ke)以淀積在任何襯底(di)上，包(bao)括廉價的玻(bo)璃襯底(di)，并且易于實(shi)現大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗少，約(yue)100千瓦小時(shi)，能(neng)耗的回收(shou)年數比單晶(jing)硅(gui)電池短很多。