多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽(yang)能電(dian)池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)(de)(de)晶(jing)體硅太陽(yang)能(neng)電池(chi)是在(zai)厚度(du)350－450μm的(de)(de)(de)高質量硅片上制(zhi)成的(de)(de)(de)，這種(zhong)硅片從(cong)(cong)提拉或(huo)澆鑄的(de)(de)(de)硅錠(ding)上鋸割而成。因(yin)此(ci)實際消耗的(de)(de)(de)硅材料更多(duo)(duo)。為了節省材料，人(ren)們從(cong)(cong)70年代中期就開始在(zai)廉價(jia)襯底上沉積(ji)多(duo)(duo)晶(jing)硅薄(bo)膜，但由于(yu)生長(chang)的(de)(de)(de)硅膜晶(jing)粒大(da)小，未(wei)能(neng)制(zhi)成有價(jia)值的(de)(de)(de)太陽(yang)能(neng)電池(chi)。為了獲得大(da)尺寸(cun)晶(jing)粒的(de)(de)(de)薄(bo)膜，人(ren)們一直沒(mei)有停止(zhi)過研究，并提出了很多(duo)(duo)方(fang)法(fa)。目前制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅薄(bo)膜電池(chi)多(duo)(duo)采用化學(xue)氣相(xiang)沉積(ji)法(fa)，包括低壓化學(xue)氣相(xiang)沉積(ji)（LPCVD）和等離子增(zeng)強化學(xue)氣相(xiang)沉積(ji)（PECVD）工藝。此(ci)外(wai)，液相(xiang)外(wai)延法(fa)（LPPE）和濺射沉積(ji)法(fa)也可用來制(zhi)備多(duo)(duo)晶(jing)硅薄(bo)膜電池(chi)。

化學氣相(xiang)沉(chen)積(ji)主(zhu)要(yao)是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或(huo)SiH4為(wei)反(fan)應氣體，在一(yi)定的(de)(de)保護氣氛下(xia)反(fan)應生成硅(gui)原子并沉(chen)積(ji)在加熱的(de)(de)襯(chen)底(di)(di)(di)上，襯(chen)底(di)(di)(di)材料一(yi)般選用(yong)(yong)Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在非(fei)硅(gui)襯(chen)底(di)(di)(di)上很難(nan)形(xing)成較(jiao)大(da)的(de)(de)晶粒(li)，并且容易在晶粒(li)間形(xing)成空隙。解決這一(yi)問題辦法(fa)是先用(yong)(yong)LPCVD在襯(chen)底(di)(di)(di)上沉(chen)熾一(yi)層較(jiao)薄(bo)的(de)(de)非(fei)晶硅(gui)層，再將這層非(fei)晶硅(gui)層退火，得到較(jiao)大(da)的(de)(de)晶粒(li)，然后再在這層籽晶上沉(chen)積(ji)厚(hou)的(de)(de)多晶硅(gui)薄(bo)膜(mo)，因此(ci)，再結(jie)(jie)晶技術(shu)無疑(yi)是很重要(yao)的(de)(de)一(yi)個環節(jie)，目前采用(yong)(yong)的(de)(de)技術(shu)主(zhu)要(yao)有固相(xiang)結(jie)(jie)晶法(fa)和中(zhong)區(qu)熔再結(jie)(jie)晶法(fa)。

多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)除(chu)采(cai)用(yong)了再(zai)結晶(jing)工(gong)(gong)藝(yi)外(wai)(wai)，另(ling)外(wai)(wai)采(cai)用(yong)了幾(ji)乎所(suo)有(you)(you)制(zhi)備(bei)單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)技(ji)術，這(zhe)樣制(zhi)得(de)的(de)(de)太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)明顯提(ti)高(gao)。德國費萊堡太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)研(yan)究(jiu)所(suo)采(cai)用(yong)區館再(zai)結晶(jing)技(ji)術在(zai)FZSi襯(chen)底(di)上(shang)制(zhi)得(de)的(de)(de)多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)為(wei)19％，日本三菱公司用(yong)該法制(zhi)備(bei)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，效(xiao)率(lv)達16.42%。半導體、芯(xin)片(pian)、集成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)路、設(she)計、版(ban)圖、芯(xin)片(pian)、制(zhi)造、工(gong)(gong)藝(yi)、制(zhi)程、封裝、測試。液相外(wai)(wai)延（LPE）法的(de)(de)原理是通過(guo)將(jiang)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)熔融在(zai)母體里(li)，降低溫度(du)析出硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)膜。美國Astropower公司采(cai)用(yong)LPE制(zhi)備(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)效(xiao)率(lv)達12．2％。中國光電(dian)(dian)發(fa)展技(ji)術中心的(de)(de)陳(chen)哲良采(cai)用(yong)液相外(wai)(wai)延法在(zai)冶(ye)金級硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)片(pian)上(shang)生長出硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)晶(jing)粒，并設(she)計了一種類似(si)于(yu)(yu)(yu)晶(jing)體硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)(bo)膜太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)新型太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，稱(cheng)之為(wei)“硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，但(dan)有(you)(you)關性能(neng)(neng)方面的(de)(de)報道(dao)還(huan)未見到。多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)由于(yu)(yu)(yu)所(suo)使用(yong)的(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)遠較單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)少，又無(wu)效(xiao)率(lv)衰退問題(ti)，并且有(you)(you)可能(neng)(neng)在(zai)廉價襯(chen)底(di)材(cai)料上(shang)制(zhi)備(bei)，其成(cheng)(cheng)本遠低于(yu)(yu)(yu)單晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，而效(xiao)率(lv)高(gao)于(yu)(yu)(yu)非晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，因此，多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)薄(bo)(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)不久(jiu)將(jiang)會在(zai)太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)地市場上(shang)占據主導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太(tai)陽能(neng)電池(chi)的兩個關鍵問題(ti)就是：提高轉換效率(lv)和降低成本。由于非晶(jing)硅(gui)薄膜太(tai)陽能(neng)電池(chi)的成本低，便于大規模生產，普遍受到人(ren)們的重視(shi)并得到迅(xun)速發展(zhan)，其(qi)實(shi)早(zao)在(zai)70年代(dai)初，Carlson等就已(yi)經開始了對非晶(jing)硅(gui)電池(chi)的研制(zhi)工作，近幾年它的研制(zhi)工作得到了迅(xun)速發展(zhan)，目前世界上己有許多家公司(si)在(zai)生產該種電池(chi)產品(pin)。

非(fei)晶(jing)(jing)硅作為太陽(yang)能(neng)材(cai)(cai)料盡管是一(yi)種很好的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi)材(cai)(cai)料，但由于(yu)其(qi)光學帶隙為1.7eV，使得(de)材(cai)(cai)料本身對太陽(yang)輻射光譜(pu)的(de)(de)(de)長波區域不(bu)敏感，這樣一(yi)來就限制了(le)非(fei)晶(jing)(jing)硅太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)轉換效(xiao)率。此外，其(qi)光電(dian)效(xiao)率會隨著光照時間的(de)(de)(de)延續而衰(shuai)減，即所(suo)謂的(de)(de)(de)光致衰(shuai)退S一(yi)W效(xiao)應，使得(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi)性能(neng)不(bu)穩定。解決這些問題(ti)的(de)(de)(de)這徑就是制備(bei)疊(die)層太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)，疊(die)層太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)是由在制備(bei)的(de)(de)(de)p、i、n層單結太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)(chi)上再沉積一(yi)個或多個P-i-n子電(dian)池(chi)(chi)(chi)制得(de)的(de)(de)(de)。

疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)提(ti)高轉(zhuan)換效率、解決單結電(dian)(dian)池(chi)(chi)不(bu)(bu)(bu)穩定性的(de)關鍵問題在于：①它把不(bu)(bu)(bu)同(tong)禁帶(dai)寬度的(de)材科(ke)組臺在一起，提(ti)高了光(guang)譜的(de)響應范(fan)圍(wei)；②頂電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)i層(ceng)較薄，光(guang)照產生的(de)電(dian)(dian)場強(qiang)度變化不(bu)(bu)(bu)大，保證(zheng)i層(ceng)中(zhong)的(de)光(guang)生載(zai)(zai)流子(zi)抽出；③底(di)電(dian)(dian)池(chi)(chi)產生的(de)載(zai)(zai)流子(zi)約(yue)為(wei)單電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)一半，光(guang)致衰退(tui)效應減小(xiao)；④疊層(ceng)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)各(ge)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)是串(chuan)聯(lian)在一起的(de)。

非晶硅薄膜太(tai)陽能電(dian)池(chi)的制備方法(fa)有很多，其中包(bao)括(kuo)反應(ying)濺射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等(deng)，反應(ying)原料氣體為H2稀釋(shi)的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經過不同的電(dian)池(chi)工藝過程可(ke)分別(bie)制得單結電(dian)池(chi)和疊層太(tai)陽能電(dian)池(chi)。

目前非(fei)晶硅太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)研究(jiu)取(qu)得兩(liang)大進展：第一、三(san)(san)(san)疊層(ceng)(ceng)結構非(fei)晶硅太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率達(da)到13％，創(chuang)下新的(de)記錄；第二.三(san)(san)(san)疊層(ceng)(ceng)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)年生(sheng)產能(neng)力達(da)5MW。美國(guo)聯合太(tai)陽能(neng)公司（VSSC）制得的(de)單結太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)最高(gao)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率為9．3%，三(san)(san)(san)帶(dai)隙三(san)(san)(san)疊層(ceng)(ceng)電(dian)池(chi)最高(gao)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率為上(shang)述最高(gao)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率是在小面積（0．25cm2）電(dian)池(chi)上(shang)取(qu)得的(de)。

曾有文獻報道(dao)單(dan)結(jie)非(fei)晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)(chi)轉換效(xiao)率(lv)超(chao)過(guo)12．5％，日本中央研究(jiu)院(yuan)采用一(yi)系列新措施，制得(de)的(de)(de)非(fei)晶硅(gui)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)轉換效(xiao)率(lv)為13．2％。國內關于非(fei)晶硅(gui)薄(bo)膜電(dian)池(chi)(chi)(chi)特(te)別(bie)是(shi)疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)研究(jiu)并不多，南開大(da)學的(de)(de)耿新華等(deng)采用工業用材料，以鋁背電(dian)極制備(bei)出面積(ji)為20X20cm2、轉換效(xiao)率(lv)為8．28％的(de)(de)a－Si/a－Si疊層(ceng)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)(chi)。

非(fei)(fei)晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)由于具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)轉換效率和(he)較(jiao)(jiao)低的(de)(de)成本及(ji)重(zhong)量輕等特點，有著極(ji)大的(de)(de)潛力。但同時由于它的(de)(de)穩(wen)定性不高，直接影響(xiang)了它的(de)(de)實際應(ying)用。如果能(neng)(neng)進一步解決穩(wen)定性問題及(ji)提高轉換率問題，那么(me)，非(fei)(fei)晶硅(gui)大陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)無(wu)疑是太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)的(de)(de)主要發展產品之(zhi)一。

注：太陽(yang)能光(guang)伏電(dian)池(chi)(chi)（簡稱光(guang)伏電(dian)池(chi)(chi)）用于把太陽(yang)的(de)光(guang)能直接轉(zhuan)化為電(dian)能。目前地面光(guang)伏系統大量使(shi)用的(de)是以硅為基(ji)底的(de)硅太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)，可分為單晶(jing)硅、多晶(jing)硅、非晶(jing)硅太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)。在能量轉(zhuan)換(huan)(huan)效率(lv)和(he)使(shi)用壽命等綜合(he)性能方(fang)面，單晶(jing)硅和(he)多晶(jing)硅電(dian)池(chi)(chi)優于非晶(jing)硅電(dian)池(chi)(chi)。多晶(jing)硅比單晶(jing)硅轉(zhuan)換(huan)(huan)效率(lv)略低，但價格更便宜(yi)。

三、非晶硅(gui)薄膜太陽能(neng)電(dian)池的優點

非晶(jing)硅太陽能電池之所以受到人們的(de)(de)關注和重視，是因為它具有如下(xia)諸多的(de)(de)優點：

1.非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)具(ju)有較高的(de)(de)(de)光吸收(shou)系數，特別(bie)是(shi)(shi)在0.3-0.75um 的(de)(de)(de)可(ke)見(jian)光波(bo)段，它的(de)(de)(de)吸收(shou)系數比單(dan)晶(jing)硅(gui)要(yao)(yao)高出一個數量級。因而它比單(dan)晶(jing)硅(gui)對太陽(yang)能(neng)輻(fu)射的(de)(de)(de)吸收(shou)率要(yao)(yao)高40倍左右，用(yong)很薄的(de)(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)膜(約1um厚)就能(neng)吸收(shou)90%有用(yong)的(de)(de)(de)太陽(yang)能(neng)，這是(shi)(shi)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)材料最重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)特點，也(ye)是(shi)(shi)它能(neng)夠(gou)成(cheng)為低價格太陽(yang)能(neng)電池的(de)(de)(de)最主要(yao)(yao)因素(su)。

2. 非晶硅(gui)的禁(jin)帶寬度(du)比單(dan)晶硅(gui)大，隨(sui)制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內(nei)變化，這樣制成的非晶硅(gui)太陽(yang)能電池(chi)的開路(lu)電壓高。

3.制(zhi)備(bei)非晶硅的(de)(de)工藝和設備(bei)簡單，淀(dian)積(ji)溫度低(di)，時間短，適(shi)于大批生(sheng)產(chan)，制(zhi)作單晶硅電(dian)(dian)池一般需要1000度以上的(de)(de)高溫，而(er)非晶硅電(dian)(dian)池的(de)(de)制(zhi)作僅需200度左右(you)。

4.由于非(fei)晶硅沒有晶體硅所需(xu)要(yao)的周期性原(yuan)子排列，可以不考(kao)慮制備晶體所必(bi)須考(kao)慮的材料與襯底(di)間的晶格(ge)失配(pei)問題，因而(er)它幾乎可以淀積在任何襯底(di)上(shang)，包括廉價(jia)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(qian)瓦小時，能(neng)耗的回收年數比單晶(jing)硅(gui)電(dian)池短很多。