多(duo)晶硅(gui)薄膜(mo)和非(fei)晶硅薄膜太陽能電(dian)池對(dui)比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)(de)(de)(de)晶體硅(gui)太陽能電(dian)(dian)池(chi)是在厚度350－450μm的(de)(de)(de)(de)高(gao)質量(liang)硅(gui)片上制成(cheng)的(de)(de)(de)(de)，這種硅(gui)片從提拉或澆鑄的(de)(de)(de)(de)硅(gui)錠上鋸割而成(cheng)。因此(ci)實際消耗的(de)(de)(de)(de)硅(gui)材料(liao)更(geng)多(duo)。為了(le)節省(sheng)材料(liao)，人(ren)們(men)從70年代中(zhong)期就(jiu)開始在廉價襯(chen)底上沉(chen)(chen)積(ji)(ji)多(duo)晶硅(gui)薄(bo)(bo)膜，但由于生長的(de)(de)(de)(de)硅(gui)膜晶粒大(da)小，未(wei)能制成(cheng)有價值的(de)(de)(de)(de)太陽能電(dian)(dian)池(chi)。為了(le)獲得大(da)尺寸晶粒的(de)(de)(de)(de)薄(bo)(bo)膜，人(ren)們(men)一直沒有停止過研(yan)究，并提出了(le)很(hen)多(duo)方(fang)法(fa)。目前制備多(duo)晶硅(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)多(duo)采用(yong)化(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積(ji)(ji)法(fa)，包括低壓化(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積(ji)(ji)（LPCVD）和等(deng)離子(zi)增(zeng)強化(hua)學氣(qi)相沉(chen)(chen)積(ji)(ji)（PECVD）工藝。此(ci)外，液相外延法(fa)（LPPE）和濺(jian)射沉(chen)(chen)積(ji)(ji)法(fa)也可用(yong)來制備多(duo)晶硅(gui)薄(bo)(bo)膜電(dian)(dian)池(chi)。

化學氣(qi)相沉(chen)(chen)積主(zhu)要是(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或(huo)SiH4為(wei)反(fan)應氣(qi)體，在(zai)(zai)一定的(de)(de)保護氣(qi)氛下反(fan)應生成(cheng)硅(gui)原子并沉(chen)(chen)積在(zai)(zai)加熱的(de)(de)襯(chen)底(di)上(shang)(shang)(shang)，襯(chen)底(di)材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現(xian)，在(zai)(zai)非硅(gui)襯(chen)底(di)上(shang)(shang)(shang)很(hen)難形成(cheng)較(jiao)(jiao)大的(de)(de)晶粒(li)(li)，并且容(rong)易(yi)在(zai)(zai)晶粒(li)(li)間形成(cheng)空隙。解決這一問題辦法(fa)是(shi)先用LPCVD在(zai)(zai)襯(chen)底(di)上(shang)(shang)(shang)沉(chen)(chen)熾一層(ceng)(ceng)較(jiao)(jiao)薄的(de)(de)非晶硅(gui)層(ceng)(ceng)，再將這層(ceng)(ceng)非晶硅(gui)層(ceng)(ceng)退(tui)火，得到較(jiao)(jiao)大的(de)(de)晶粒(li)(li)，然后再在(zai)(zai)這層(ceng)(ceng)籽(zi)晶上(shang)(shang)(shang)沉(chen)(chen)積厚的(de)(de)多晶硅(gui)薄膜(mo)，因此(ci)，再結(jie)晶技術無疑(yi)是(shi)很(hen)重要的(de)(de)一個環節(jie)，目(mu)前采用的(de)(de)技術主(zhu)要有固相結(jie)晶法(fa)和中(zhong)區熔再結(jie)晶法(fa)。

多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)除(chu)采用(yong)了(le)再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)工(gong)藝外，另外采用(yong)了(le)幾乎所有制備(bei)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)技(ji)術(shu)，這樣制得(de)的(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率明顯提高(gao)。德(de)國(guo)費萊堡(bao)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)研(yan)究所采用(yong)區館再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)在(zai)(zai)FZSi襯底(di)上制得(de)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率為19％，日本三菱公司用(yong)該(gai)法(fa)制備(bei)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，效率達(da)16.42%。半導體、芯片、集成電(dian)(dian)路、設計(ji)、版圖(tu)、芯片、制造、工(gong)藝、制程、封(feng)裝、測試。液相外延（LPE）法(fa)的(de)原(yuan)理是(shi)通過(guo)將硅(gui)(gui)(gui)熔融在(zai)(zai)母體里，降低溫(wen)度析出硅(gui)(gui)(gui)膜(mo)。美國(guo)Astropower公司采用(yong)LPE制備(bei)的(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)效率達(da)12．2％。中國(guo)光(guang)電(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)中心的(de)陳(chen)哲良采用(yong)液相外延法(fa)在(zai)(zai)冶金級硅(gui)(gui)(gui)片上生長出硅(gui)(gui)(gui)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒，并(bing)設計(ji)了(le)一(yi)種類似于(yu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)新型太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，稱之為“硅(gui)(gui)(gui)粒”太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，但有關性(xing)能(neng)方面的(de)報道還未見到。多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)由于(yu)所使用(yong)的(de)硅(gui)(gui)(gui)遠(yuan)較單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)少(shao)，又無效率衰退(tui)問題，并(bing)且有可(ke)能(neng)在(zai)(zai)廉價襯底(di)材料上制備(bei)，其成本遠(yuan)低于(yu)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，而(er)效率高(gao)于(yu)非晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，因此，多(duo)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)不(bu)久將會(hui)在(zai)(zai)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)地(di)市場上占(zhan)據主導地(di)位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)兩個(ge)關(guan)鍵問(wen)題(ti)就是(shi)：提高轉換效率和降(jiang)低成(cheng)本(ben)。由于非晶硅(gui)薄膜太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)成(cheng)本(ben)低，便于大規模生產(chan)(chan)，普(pu)遍受到人們(men)的(de)重視并得到迅(xun)速(su)發展(zhan)，其實早在(zai)70年代初，Carlson等就已經開始了對非晶硅(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)研制工(gong)作，近幾年它的(de)研制工(gong)作得到了迅(xun)速(su)發展(zhan)，目(mu)前世(shi)界(jie)上己有許多(duo)家公司在(zai)生產(chan)(chan)該種(zhong)電(dian)(dian)(dian)池(chi)產(chan)(chan)品。

非晶硅作為(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)材(cai)料(liao)(liao)盡管(guan)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)很好的(de)(de)電(dian)池(chi)材(cai)料(liao)(liao)，但由于其光學(xue)帶隙為(wei)1.7eV，使得材(cai)料(liao)(liao)本身對太(tai)陽(yang)輻(fu)射光譜的(de)(de)長波區域不(bu)(bu)敏感，這樣一(yi)(yi)來就(jiu)限制了非晶硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)轉換效率。此(ci)外，其光電(dian)效率會(hui)隨(sui)著光照(zhao)時(shi)間的(de)(de)延續(xu)而衰減，即所謂的(de)(de)光致衰退S一(yi)(yi)W效應，使得電(dian)池(chi)性能(neng)不(bu)(bu)穩定(ding)。解決這些問題的(de)(de)這徑就(jiu)是(shi)制備(bei)疊層太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)，疊層太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)是(shi)由在制備(bei)的(de)(de)p、i、n層單結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)上再(zai)沉積一(yi)(yi)個或多個P-i-n子電(dian)池(chi)制得的(de)(de)。

疊層太陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池提高轉換效率(lv)、解決單結電(dian)(dian)(dian)(dian)池不(bu)穩定性的(de)(de)關鍵(jian)問題在(zai)于：①它把不(bu)同禁帶(dai)寬度(du)的(de)(de)材科組臺在(zai)一(yi)起(qi)，提高了光譜的(de)(de)響(xiang)應范圍；②頂電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)i層較薄，光照產生的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)變化(hua)不(bu)大(da)，保(bao)證i層中的(de)(de)光生載(zai)流子(zi)抽出；③底電(dian)(dian)(dian)(dian)池產生的(de)(de)載(zai)流子(zi)約為單電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)一(yi)半，光致(zhi)衰退效應減小(xiao)；④疊層太陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池各(ge)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池是串聯在(zai)一(yi)起(qi)的(de)(de)。

非(fei)晶(jing)(jing)硅薄膜太(tai)陽能(neng)電(dian)池的(de)制備(bei)方法(fa)有(you)很多，其中包(bao)括反(fan)應濺(jian)射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反(fan)應原料氣(qi)體為H2稀釋的(de)SiH4，襯(chen)底主要為玻璃及(ji)不(bu)銹鋼片，制成的(de)非(fei)晶(jing)(jing)硅薄膜經過(guo)不(bu)同的(de)電(dian)池工藝(yi)過(guo)程可分(fen)別制得單結(jie)電(dian)池和(he)疊(die)層太(tai)陽能(neng)電(dian)池。

目前(qian)非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)的(de)研究(jiu)取(qu)得兩大進(jin)展：第一、三(san)(san)疊層(ceng)結(jie)構非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率達(da)到13％，創下新的(de)記錄(lu)；第二(er).三(san)(san)疊層(ceng)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)年生產(chan)能(neng)(neng)(neng)力達(da)5MW。美國聯合太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)公司（VSSC）制得的(de)單結(jie)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為9．3%，三(san)(san)帶隙三(san)(san)疊層(ceng)電池(chi)最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率為上述最高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率是在(zai)小面積(ji)（0．25cm2）電池(chi)上取(qu)得的(de)。

曾有(you)文獻報道單結(jie)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)轉(zhuan)換效率超過12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的(de)非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)電(dian)池(chi)的(de)轉(zhuan)換效率為(wei)13．2％。國內(nei)關于非(fei)(fei)晶(jing)硅(gui)薄膜電(dian)池(chi)特別是疊層太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)的(de)研究并不多，南(nan)開大學的(de)耿新華等采用工業用材(cai)料，以(yi)鋁背電(dian)極制備出面積為(wei)20X20cm2、轉(zhuan)換效率為(wei)8．28％的(de)a－Si/a－Si疊層太(tai)(tai)陽能電(dian)池(chi)。

非晶硅太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)由(you)于具有(you)較高的(de)轉(zhuan)換效率和較低的(de)成(cheng)本及重量(liang)輕等(deng)特點，有(you)著極大的(de)潛力。但同時由(you)于它的(de)穩定(ding)性(xing)不高，直接影響了(le)它的(de)實際(ji)應(ying)用。如果能(neng)進一步(bu)解決穩定(ding)性(xing)問(wen)題(ti)及提高轉(zhuan)換率問(wen)題(ti)，那么，非晶硅大陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)無疑是太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)主要(yao)發(fa)展產(chan)品之一。

注：太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光伏電池(chi)（簡稱光伏電池(chi)）用(yong)(yong)(yong)于(yu)把太陽(yang)的(de)光能(neng)(neng)(neng)直(zhi)接轉化(hua)為(wei)電能(neng)(neng)(neng)。目前地(di)面(mian)光伏系統大量使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)是以硅(gui)為(wei)基底的(de)硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)，可分為(wei)單晶(jing)硅(gui)、多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)、非(fei)晶(jing)硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電池(chi)。在能(neng)(neng)(neng)量轉換效(xiao)率和使(shi)用(yong)(yong)(yong)壽命等綜合性能(neng)(neng)(neng)方面(mian)，單晶(jing)硅(gui)和多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)電池(chi)優于(yu)非(fei)晶(jing)硅(gui)電池(chi)。多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)比單晶(jing)硅(gui)轉換效(xiao)率略低(di)，但價格更便宜。

三、非晶硅薄膜太(tai)陽能電(dian)池(chi)的(de)優點

非晶硅太陽(yang)能電池之所以(yi)受到人們的關注和重視，是(shi)因為它(ta)具有如下諸多的優(you)點(dian)：

1.非(fei)晶硅(gui)具有較(jiao)高(gao)的(de)光吸(xi)收(shou)系數，特別是在0.3-0.75um 的(de)可見光波段，它(ta)的(de)吸(xi)收(shou)系數比單晶硅(gui)要高(gao)出一個數量級。因而(er)它(ta)比單晶硅(gui)對太(tai)陽能輻射(she)的(de)吸(xi)收(shou)率要高(gao)40倍左右，用(yong)(yong)很薄的(de)非(fei)晶硅(gui)膜(mo)(約1um厚)就能吸(xi)收(shou)90%有用(yong)(yong)的(de)太(tai)陽能，這(zhe)是非(fei)晶硅(gui)材料(liao)最重要的(de)特點(dian)，也是它(ta)能夠成為低價格太(tai)陽能電池的(de)最主要因素。

2. 非(fei)(fei)晶硅的(de)禁帶寬度比單晶硅大(da)，隨制備(bei)條件的(de)不(bu)同約在1.5-2.0 eV的(de)范圍內變化，這樣制成的(de)非(fei)(fei)晶硅太陽能電(dian)池的(de)開路電(dian)壓高。

3.制(zhi)(zhi)備非(fei)晶硅的工藝和設備簡單(dan)，淀積(ji)溫度(du)低，時間短，適于大批生產(chan)，制(zhi)(zhi)作單(dan)晶硅電池一(yi)般(ban)需(xu)要(yao)1000度(du)以上的高溫，而非(fei)晶硅電池的制(zhi)(zhi)作僅(jin)需(xu)200度(du)左右。

4.由于非晶(jing)硅沒有(you)晶(jing)體硅所(suo)需要的(de)(de)(de)周期性原子排列，可(ke)以(yi)不考慮(lv)制備晶(jing)體所(suo)必須考慮(lv)的(de)(de)(de)材(cai)料與(yu)襯底(di)間的(de)(de)(de)晶(jing)格失配問(wen)題，因而(er)它幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)淀積在任(ren)何(he)襯底(di)上(shang)，包括廉價的(de)(de)(de)玻璃襯底(di)，并且易于實(shi)現大面(mian)積化(hua)。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗(hao)少(shao)，約100千瓦小時，能(neng)耗(hao)的(de)回收年數比單晶(jing)硅電池(chi)短很多。