多(duo)晶硅薄膜和非晶硅(gui)薄膜太(tai)陽能電池(chi)對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的(de)(de)晶(jing)體硅太(tai)陽能電(dian)池(chi)是在(zai)厚度350－450μm的(de)(de)高質量硅片(pian)上制(zhi)成(cheng)的(de)(de)，這種硅片(pian)從提(ti)拉(la)或澆(jiao)鑄的(de)(de)硅錠上鋸割(ge)而(er)成(cheng)。因此實際消(xiao)耗(hao)的(de)(de)硅材料更多。為(wei)了(le)節省(sheng)材料，人們從70年代中期就(jiu)開(kai)始在(zai)廉(lian)價(jia)襯底(di)上沉積(ji)多晶(jing)硅薄膜(mo)(mo)，但由于生長的(de)(de)硅膜(mo)(mo)晶(jing)粒大(da)小，未能制(zhi)成(cheng)有價(jia)值的(de)(de)太(tai)陽能電(dian)池(chi)。為(wei)了(le)獲得大(da)尺寸晶(jing)粒的(de)(de)薄膜(mo)(mo)，人們一直沒有停止過研究，并提(ti)出(chu)了(le)很多方法。目前制(zhi)備多晶(jing)硅薄膜(mo)(mo)電(dian)池(chi)多采用化(hua)(hua)學氣相沉積(ji)法，包括(kuo)低壓化(hua)(hua)學氣相沉積(ji)（LPCVD）和(he)等離子(zi)增強化(hua)(hua)學氣相沉積(ji)（PECVD）工藝。此外，液(ye)相外延法（LPPE）和(he)濺射沉積(ji)法也可用來制(zhi)備多晶(jing)硅薄膜(mo)(mo)電(dian)池(chi)。

化(hua)學氣(qi)(qi)相沉(chen)(chen)積主要是(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣(qi)(qi)體，在(zai)一(yi)定的(de)(de)保護氣(qi)(qi)氛(fen)下反應生成(cheng)硅(gui)(gui)原(yuan)子并沉(chen)(chen)積在(zai)加(jia)熱的(de)(de)襯底上，襯底材料(liao)一(yi)般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在(zai)非(fei)硅(gui)(gui)襯底上很難形(xing)成(cheng)較(jiao)大(da)的(de)(de)晶粒，并且容易在(zai)晶粒間形(xing)成(cheng)空隙。解(jie)決這(zhe)一(yi)問題辦法(fa)是(shi)先用LPCVD在(zai)襯底上沉(chen)(chen)熾一(yi)層(ceng)(ceng)較(jiao)薄的(de)(de)非(fei)晶硅(gui)(gui)層(ceng)(ceng)，再(zai)將(jiang)這(zhe)層(ceng)(ceng)非(fei)晶硅(gui)(gui)層(ceng)(ceng)退(tui)火(huo)，得到較(jiao)大(da)的(de)(de)晶粒，然后(hou)再(zai)在(zai)這(zhe)層(ceng)(ceng)籽晶上沉(chen)(chen)積厚的(de)(de)多晶硅(gui)(gui)薄膜，因此，再(zai)結晶技術無疑是(shi)很重要的(de)(de)一(yi)個環節，目前采用的(de)(de)技術主要有固相結晶法(fa)和中區熔再(zai)結晶法(fa)。

多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)除采用了(le)再結晶(jing)(jing)工(gong)藝外，另(ling)外采用了(le)幾乎所(suo)有(you)(you)制(zhi)(zhi)備(bei)單晶(jing)(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，這樣制(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)明顯提高。德國費萊堡(bao)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)研究所(suo)采用區館再結晶(jing)(jing)技(ji)術(shu)(shu)(shu)在(zai)(zai)FZSi襯底上(shang)制(zhi)(zhi)得的(de)(de)(de)多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)為19％，日本三(san)菱公(gong)司用該法(fa)(fa)制(zhi)(zhi)備(bei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)達16.42%。半導(dao)體、芯片、集成電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)、設計(ji)(ji)、版圖、芯片、制(zhi)(zhi)造、工(gong)藝、制(zhi)(zhi)程(cheng)、封裝、測試(shi)。液相外延(yan)(yan)（LPE）法(fa)(fa)的(de)(de)(de)原理是通(tong)過將硅(gui)熔(rong)融在(zai)(zai)母(mu)體里，降低溫度(du)析(xi)出(chu)硅(gui)膜(mo)(mo)(mo)。美國Astropower公(gong)司采用LPE制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)達12．2％。中國光電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)(shu)(shu)中心(xin)的(de)(de)(de)陳哲良(liang)采用液相外延(yan)(yan)法(fa)(fa)在(zai)(zai)冶(ye)金(jin)級硅(gui)片上(shang)生長出(chu)硅(gui)晶(jing)(jing)粒(li)，并設計(ji)(ji)了(le)一種(zhong)類似于(yu)(yu)晶(jing)(jing)體硅(gui)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)新型太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，稱(cheng)之為“硅(gui)粒(li)”太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，但有(you)(you)關性能(neng)方面的(de)(de)(de)報道還未見到。多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由于(yu)(yu)所(suo)使用的(de)(de)(de)硅(gui)遠(yuan)(yuan)較單晶(jing)(jing)硅(gui)少(shao)，又無效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)衰(shuai)退問題，并且有(you)(you)可能(neng)在(zai)(zai)廉價襯底材料上(shang)制(zhi)(zhi)備(bei)，其成本遠(yuan)(yuan)低于(yu)(yu)單晶(jing)(jing)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，而效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)高于(yu)(yu)非晶(jing)(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，因(yin)此，多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不久將會在(zai)(zai)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)地(di)市場上(shang)占據主(zhu)導(dao)地(di)位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fa)太陽能電(dian)池(chi)的(de)(de)兩個關鍵問題就是(shi)：提高轉換效率和降低(di)成本。由于非(fei)晶硅(gui)薄膜太陽能電(dian)池(chi)的(de)(de)成本低(di)，便于大規模生產，普(pu)遍受到人們(men)的(de)(de)重視并得到迅速(su)發(fa)展，其實早(zao)在70年代初，Carlson等就已經開始(shi)了對非(fei)晶硅(gui)電(dian)池(chi)的(de)(de)研(yan)制工(gong)(gong)作，近幾年它的(de)(de)研(yan)制工(gong)(gong)作得到了迅速(su)發(fa)展，目前世界上己有許多家(jia)公(gong)司在生產該種電(dian)池(chi)產品。

非(fei)晶硅(gui)作為太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)材料盡管是一種很好的(de)(de)電池材料，但由于其光學帶隙為1.7eV，使得材料本身對太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)輻(fu)射光譜(pu)的(de)(de)長波區域不敏感，這樣一來就限(xian)制(zhi)(zhi)(zhi)了(le)非(fei)晶硅(gui)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)電池的(de)(de)轉換效(xiao)率。此外，其光電效(xiao)率會隨(sui)著光照時間的(de)(de)延續而衰減，即所(suo)謂的(de)(de)光致衰退S一W效(xiao)應，使得電池性能(neng)(neng)不穩定。解決這些(xie)問題的(de)(de)這徑就是制(zhi)(zhi)(zhi)備疊(die)層(ceng)(ceng)(ceng)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)電池，疊(die)層(ceng)(ceng)(ceng)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)電池是由在制(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)p、i、n層(ceng)(ceng)(ceng)單結太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)電池上再沉積一個(ge)或多(duo)個(ge)P-i-n子電池制(zhi)(zhi)(zhi)得的(de)(de)。

疊層太陽能電(dian)(dian)池(chi)(chi)提(ti)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)、解(jie)決單(dan)結電(dian)(dian)池(chi)(chi)不穩定性的(de)(de)(de)關鍵(jian)問題(ti)在(zai)于(yu)：①它把不同禁帶(dai)寬度的(de)(de)(de)材科組臺(tai)在(zai)一起(qi)，提(ti)高(gao)了(le)光(guang)譜的(de)(de)(de)響應(ying)范圍；②頂電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)i層較(jiao)薄，光(guang)照產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)場強度變化(hua)不大，保證i層中的(de)(de)(de)光(guang)生(sheng)(sheng)載流子(zi)抽出；③底電(dian)(dian)池(chi)(chi)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)載流子(zi)約(yue)為單(dan)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)一半，光(guang)致(zhi)衰退效(xiao)應(ying)減(jian)小；④疊層太陽能電(dian)(dian)池(chi)(chi)各子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)是串聯(lian)在(zai)一起(qi)的(de)(de)(de)。

非晶硅薄(bo)(bo)膜太陽能電池(chi)(chi)的(de)制備方法(fa)有很多，其中包括反應(ying)濺射法(fa)、PECVD法(fa)、LPCVD法(fa)等，反應(ying)原料(liao)氣體為H2稀釋的(de)SiH4，襯底主要為玻(bo)璃及不(bu)銹鋼片，制成的(de)非晶硅薄(bo)(bo)膜經過(guo)(guo)不(bu)同的(de)電池(chi)(chi)工藝過(guo)(guo)程(cheng)可分別制得單結電池(chi)(chi)和疊層太陽能電池(chi)(chi)。

目前非(fei)晶(jing)硅太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)的(de)(de)研究取(qu)得(de)兩(liang)大進展：第(di)一、三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)結構(gou)非(fei)晶(jing)硅太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率達(da)到13％，創下新的(de)(de)記錄(lu)；第(di)二.三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)年生產能力達(da)5MW。美國(guo)聯(lian)合太(tai)(tai)陽(yang)能公司(si)（VSSC）制得(de)的(de)(de)單結太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率為9．3%，三帶(dai)隙三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)電池(chi)(chi)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率為上述(shu)最(zui)高(gao)轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率是在小面(mian)積（0．25cm2）電池(chi)(chi)上取(qu)得(de)的(de)(de)。

曾(ceng)有文獻報道單結非晶(jing)硅(gui)太(tai)(tai)陽能(neng)電池轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)超過12．5％，日本中央研(yan)究院采用(yong)一系列(lie)新措施，制得的(de)非晶(jing)硅(gui)電池的(de)轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)為(wei)13．2％。國內(nei)關于非晶(jing)硅(gui)薄膜電池特別是疊層太(tai)(tai)陽能(neng)電池的(de)研(yan)究并不多，南開大學的(de)耿新華等采用(yong)工業用(yong)材料，以鋁背電極制備出(chu)面積為(wei)20X20cm2、轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)為(wei)8．28％的(de)a－Si/a－Si疊層太(tai)(tai)陽能(neng)電池。

非晶(jing)硅太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)由于具有較(jiao)高的轉換(huan)效率和較(jiao)低的成(cheng)本(ben)及重量(liang)輕等特(te)點，有著極大的潛力。但同時由于它的穩定性不高，直接影響了它的實(shi)際應用(yong)。如果能(neng)進一步解決穩定性問(wen)題及提高轉換(huan)率問(wen)題，那(nei)么，非晶(jing)硅大陽(yang)能(neng)電池(chi)無(wu)疑是(shi)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)的主要發展產(chan)品之(zhi)一。

注：太(tai)陽能(neng)(neng)光伏電(dian)(dian)池(chi)(chi)（簡稱光伏電(dian)(dian)池(chi)(chi)）用(yong)(yong)于把太(tai)陽的光能(neng)(neng)直接轉化為(wei)(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)。目(mu)前(qian)地面(mian)(mian)光伏系統大量(liang)使用(yong)(yong)的是以硅(gui)為(wei)(wei)基底(di)的硅(gui)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)，可分為(wei)(wei)單晶(jing)硅(gui)、多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)、非晶(jing)硅(gui)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。在能(neng)(neng)量(liang)轉換效(xiao)率(lv)和使用(yong)(yong)壽(shou)命等(deng)綜合性能(neng)(neng)方(fang)面(mian)(mian)，單晶(jing)硅(gui)和多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)優于非晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。多(duo)(duo)晶(jing)硅(gui)比單晶(jing)硅(gui)轉換效(xiao)率(lv)略低，但價(jia)格更便(bian)宜。

三、非晶硅薄膜太陽能(neng)電(dian)池的優點

非晶硅太陽能電池之(zhi)所以受到人們的關注(zhu)和重(zhong)視，是因為(wei)它(ta)具有如下諸多的優(you)點(dian)：

1.非晶硅具有較高(gao)(gao)的(de)(de)光吸收系數，特別是(shi)(shi)在0.3-0.75um 的(de)(de)可見(jian)光波段，它(ta)的(de)(de)吸收系數比單晶硅要(yao)(yao)高(gao)(gao)出一個數量級(ji)。因而(er)它(ta)比單晶硅對太陽(yang)能(neng)(neng)輻射(she)的(de)(de)吸收率要(yao)(yao)高(gao)(gao)40倍左右，用(yong)很薄的(de)(de)非晶硅膜(約1um厚)就能(neng)(neng)吸收90%有用(yong)的(de)(de)太陽(yang)能(neng)(neng)，這是(shi)(shi)非晶硅材料(liao)最(zui)(zui)重要(yao)(yao)的(de)(de)特點，也是(shi)(shi)它(ta)能(neng)(neng)夠成為低(di)價格太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池的(de)(de)最(zui)(zui)主要(yao)(yao)因素。

2. 非晶硅(gui)的(de)禁帶寬度比單(dan)晶硅(gui)大，隨制(zhi)備條件的(de)不同約在1.5-2.0 eV的(de)范(fan)圍內變化，這(zhe)樣制(zhi)成(cheng)的(de)非晶硅(gui)太陽能電池的(de)開路電壓高。

3.制(zhi)(zhi)備(bei)非晶(jing)硅(gui)(gui)的(de)工藝和設(she)備(bei)簡(jian)單(dan)，淀積溫(wen)度(du)低，時間短，適于大批生(sheng)產，制(zhi)(zhi)作單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)電池(chi)一般需(xu)要1000度(du)以(yi)上(shang)的(de)高溫(wen)，而非晶(jing)硅(gui)(gui)電池(chi)的(de)制(zhi)(zhi)作僅(jin)需(xu)200度(du)左右。

4.由(you)于(yu)非晶(jing)(jing)硅(gui)沒有晶(jing)(jing)體硅(gui)所(suo)需要的周期性原子排列，可(ke)以不考慮(lv)制備晶(jing)(jing)體所(suo)必(bi)須考慮(lv)的材料與(yu)襯(chen)(chen)底(di)間的晶(jing)(jing)格失配問(wen)題，因而它幾乎可(ke)以淀積在任何襯(chen)(chen)底(di)上，包括廉(lian)價的玻璃襯(chen)(chen)底(di)，并且易于(yu)實現大(da)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(de)回收(shou)年數比單晶硅電池短很多。