多晶硅薄膜和非(fei)晶硅薄膜(mo)太陽能電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常(chang)的晶體硅太(tai)陽能(neng)電池(chi)是(shi)在厚度350－450μm的高質量硅片上制(zhi)(zhi)(zhi)成(cheng)的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸(ju)割而成(cheng)。因此(ci)實(shi)際消耗(hao)的硅材料更多。為(wei)了節省材料，人們從70年代(dai)中期就開始(shi)在廉價襯底上沉積(ji)(ji)多晶硅薄膜，但由(you)于生長的硅膜晶粒(li)大(da)小，未能(neng)制(zhi)(zhi)(zhi)成(cheng)有價值的太(tai)陽能(neng)電池(chi)。為(wei)了獲得大(da)尺(chi)寸晶粒(li)的薄膜，人們一直沒(mei)有停(ting)止過研究，并(bing)提出了很多方法(fa)。目前(qian)制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)多晶硅薄膜電池(chi)多采用化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉積(ji)(ji)法(fa)，包括(kuo)低(di)壓化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉積(ji)(ji)（LPCVD）和等(deng)離子(zi)增(zeng)強化(hua)學氣(qi)相(xiang)(xiang)沉積(ji)(ji)（PECVD）工藝(yi)。此(ci)外，液相(xiang)(xiang)外延法(fa)（LPPE）和濺(jian)射(she)沉積(ji)(ji)法(fa)也(ye)可用來制(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)多晶硅薄膜電池(chi)。

化學氣(qi)(qi)相(xiang)沉(chen)(chen)積(ji)主(zhu)(zhu)要(yao)是(shi)(shi)以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應氣(qi)(qi)體(ti)，在(zai)(zai)(zai)一(yi)定的(de)保護(hu)氣(qi)(qi)氛下反應生成(cheng)硅原子并沉(chen)(chen)積(ji)在(zai)(zai)(zai)加熱的(de)襯(chen)(chen)底上(shang)，襯(chen)(chen)底材料一(yi)般選用(yong)(yong)Si、SiO2、Si3N4等。但研究發現，在(zai)(zai)(zai)非硅襯(chen)(chen)底上(shang)很(hen)難形成(cheng)較大(da)的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒，并且容易(yi)在(zai)(zai)(zai)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒間形成(cheng)空隙。解決這(zhe)一(yi)問題辦法(fa)是(shi)(shi)先(xian)用(yong)(yong)LPCVD在(zai)(zai)(zai)襯(chen)(chen)底上(shang)沉(chen)(chen)熾一(yi)層較薄的(de)非晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅層，再將這(zhe)層非晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅層退火，得(de)到(dao)較大(da)的(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒，然后再在(zai)(zai)(zai)這(zhe)層籽晶(jing)(jing)(jing)(jing)上(shang)沉(chen)(chen)積(ji)厚的(de)多晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅薄膜(mo)，因(yin)此，再結(jie)(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)技(ji)術(shu)無疑是(shi)(shi)很(hen)重要(yao)的(de)一(yi)個環節(jie)，目前(qian)采(cai)用(yong)(yong)的(de)技(ji)術(shu)主(zhu)(zhu)要(yao)有固相(xiang)結(jie)(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)法(fa)和(he)中(zhong)區(qu)熔再結(jie)(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)法(fa)。

多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)除采(cai)用了(le)再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)工(gong)(gong)藝外，另外采(cai)用了(le)幾乎所(suo)(suo)有(you)制(zhi)備(bei)單晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的技(ji)術(shu)，這樣制(zhi)得的太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率明顯提高。德(de)國費萊堡太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)研究所(suo)(suo)采(cai)用區(qu)館再(zai)結(jie)晶(jing)(jing)技(ji)術(shu)在(zai)FZSi襯底(di)上(shang)制(zhi)得的多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)轉換效率為(wei)19％，日本(ben)(ben)三菱公司用該(gai)法(fa)制(zhi)備(bei)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，效率達16.42%。半導體、芯片(pian)、集成電(dian)(dian)(dian)(dian)路、設計(ji)、版(ban)圖、芯片(pian)、制(zhi)造、工(gong)(gong)藝、制(zhi)程、封裝、測試。液相(xiang)外延（LPE）法(fa)的原理是通過將(jiang)硅(gui)(gui)熔融(rong)在(zai)母(mu)體里，降低(di)溫度(du)析(xi)出硅(gui)(gui)膜(mo)。美國Astropower公司采(cai)用LPE制(zhi)備(bei)的電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)效率達12．2％。中國光電(dian)(dian)(dian)(dian)發展技(ji)術(shu)中心的陳哲良采(cai)用液相(xiang)外延法(fa)在(zai)冶金級硅(gui)(gui)片(pian)上(shang)生長出硅(gui)(gui)晶(jing)(jing)粒，并設計(ji)了(le)一種類似于晶(jing)(jing)體硅(gui)(gui)薄膜(mo)太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的新(xin)型太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，稱之為(wei)“硅(gui)(gui)粒”太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，但有(you)關性能(neng)方(fang)面的報道還未(wei)見到。多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)由于所(suo)(suo)使用的硅(gui)(gui)遠(yuan)較單晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)少，又無效率衰退問題(ti)，并且有(you)可能(neng)在(zai)廉價襯底(di)材(cai)料上(shang)制(zhi)備(bei)，其成本(ben)(ben)遠(yuan)低(di)于單晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，而(er)效率高于非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，因此，多(duo)(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)不(bu)久將(jiang)會在(zai)太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)地市場上(shang)占據(ju)主導地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開(kai)發太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)的(de)兩(liang)個關(guan)鍵問題就是：提高轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率和(he)降低成本(ben)。由于非晶(jing)硅薄膜太陽(yang)(yang)能電(dian)池(chi)的(de)成本(ben)低，便于大規模生產(chan)，普遍受到人們的(de)重視(shi)并得(de)到迅速(su)發展(zhan)(zhan)，其實(shi)早在70年(nian)代初，Carlson等就已經開(kai)始(shi)了對非晶(jing)硅電(dian)池(chi)的(de)研制(zhi)工作，近(jin)幾年(nian)它的(de)研制(zhi)工作得(de)到了迅速(su)發展(zhan)(zhan)，目前(qian)世界上(shang)己(ji)有許多家公司在生產(chan)該(gai)種(zhong)電(dian)池(chi)產(chan)品(pin)。

非晶硅(gui)作為(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)材(cai)料盡管是(shi)一(yi)種(zhong)很好(hao)的(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)材(cai)料，但由于其光學帶隙為(wei)1.7eV，使得材(cai)料本身對太(tai)陽(yang)輻射光譜的(de)長波區域不(bu)敏(min)感，這(zhe)樣(yang)一(yi)來就限制(zhi)了(le)非晶硅(gui)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)轉換效(xiao)率(lv)。此外，其光電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)會隨(sui)著光照時間(jian)的(de)延續而(er)衰減，即(ji)所謂的(de)光致衰退S一(yi)W效(xiao)應，使得電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)性能(neng)(neng)(neng)不(bu)穩(wen)定(ding)。解(jie)決(jue)這(zhe)些問題的(de)這(zhe)徑就是(shi)制(zhi)備疊層太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)，疊層太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)是(shi)由在制(zhi)備的(de)p、i、n層單結太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)上再沉積一(yi)個或(huo)多個P-i-n子電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)制(zhi)得的(de)。

疊層(ceng)太(tai)陽能(neng)電池提高(gao)轉換效(xiao)率(lv)、解(jie)決(jue)單(dan)結電池不(bu)穩定性(xing)的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵問題(ti)在于(yu)：①它把不(bu)同禁帶寬(kuan)度(du)的(de)(de)(de)(de)材科組臺在一起，提高(gao)了(le)光(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)(de)響應(ying)范圍；②頂電池的(de)(de)(de)(de)i層(ceng)較薄(bo)，光(guang)(guang)照產生的(de)(de)(de)(de)電場強度(du)變(bian)化不(bu)大，保(bao)證i層(ceng)中的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)生載(zai)流子(zi)(zi)抽出；③底電池產生的(de)(de)(de)(de)載(zai)流子(zi)(zi)約為單(dan)電池的(de)(de)(de)(de)一半，光(guang)(guang)致衰退效(xiao)應(ying)減小；④疊層(ceng)太(tai)陽能(neng)電池各(ge)子(zi)(zi)電池是(shi)串聯在一起的(de)(de)(de)(de)。

非晶(jing)硅薄(bo)膜(mo)太陽能(neng)電(dian)池的(de)(de)制備方法有很多，其中包括反應濺(jian)射法、PECVD法、LPCVD法等(deng)，反應原料氣(qi)體(ti)為H2稀釋的(de)(de)SiH4，襯(chen)底主要為玻璃及不(bu)銹鋼片，制成(cheng)的(de)(de)非晶(jing)硅薄(bo)膜(mo)經(jing)過不(bu)同的(de)(de)電(dian)池工(gong)藝(yi)過程(cheng)可分別(bie)制得單結電(dian)池和疊(die)層太陽能(neng)電(dian)池。

目前非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池的(de)研究取(qu)得兩大進展：第一、三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)結構非晶(jing)硅太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池轉換(huan)效率(lv)達到(dao)13％，創下新的(de)記錄；第二.三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池年生產能(neng)力達5MW。美國聯合(he)太(tai)陽(yang)能(neng)公(gong)司（VSSC）制得的(de)單結太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池最(zui)高(gao)轉換(huan)效率(lv)為(wei)9．3%，三帶隙三疊(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)池最(zui)高(gao)轉換(huan)效率(lv)為(wei)上(shang)述最(zui)高(gao)轉換(huan)效率(lv)是在小面積(ji)（0．25cm2）電(dian)(dian)池上(shang)取(qu)得的(de)。

曾有文獻報(bao)道單結非(fei)晶(jing)硅(gui)太陽能(neng)(neng)電池轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)超過12．5％，日本中(zhong)央研(yan)究院采用(yong)(yong)一系列(lie)新(xin)措施，制(zhi)(zhi)得的(de)(de)非(fei)晶(jing)硅(gui)電池的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)為13．2％。國內關于非(fei)晶(jing)硅(gui)薄(bo)膜電池特別(bie)是疊層(ceng)太陽能(neng)(neng)電池的(de)(de)研(yan)究并(bing)不多，南開大學的(de)(de)耿新(xin)華等(deng)采用(yong)(yong)工(gong)業用(yong)(yong)材料(liao)，以鋁背電極制(zhi)(zhi)備(bei)出面(mian)積為20X20cm2、轉(zhuan)(zhuan)換效(xiao)(xiao)率(lv)為8．28％的(de)(de)a－Si/a－Si疊層(ceng)太陽能(neng)(neng)電池。

非(fei)晶硅太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)由于具有較高的(de)轉換(huan)效率(lv)和(he)較低的(de)成本(ben)及重量輕(qing)等特點(dian)，有著極大的(de)潛(qian)力(li)。但同時由于它(ta)的(de)穩定(ding)性(xing)不高，直(zhi)接影響了它(ta)的(de)實際應用。如果能(neng)進一步(bu)解(jie)決(jue)穩定(ding)性(xing)問題及提高轉換(huan)率(lv)問題，那么(me)，非(fei)晶硅大陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)無疑是太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)主要發展產(chan)品之一。

注：太陽(yang)能(neng)(neng)光(guang)伏電(dian)(dian)(dian)池(chi)（簡稱光(guang)伏電(dian)(dian)(dian)池(chi)）用于把(ba)太陽(yang)的光(guang)能(neng)(neng)直接(jie)轉化為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)。目前地面光(guang)伏系統大(da)量使用的是以硅(gui)(gui)為(wei)(wei)基(ji)底的硅(gui)(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)，可分為(wei)(wei)單(dan)(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)、多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)、非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。在(zai)能(neng)(neng)量轉換(huan)效率(lv)和(he)使用壽命(ming)等綜合性能(neng)(neng)方面，單(dan)(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)和(he)多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)優(you)于非晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。多(duo)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)比單(dan)(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)(gui)轉換(huan)效率(lv)略(lve)低，但價格更(geng)便宜。

三(san)、非晶硅薄膜太陽(yang)能電池的優(you)點

非晶硅(gui)太陽(yang)能(neng)電池之所以受到人們的(de)關(guan)注和重視，是因為它具(ju)有如(ru)下諸(zhu)多的(de)優點：

1.非(fei)晶硅(gui)具有較高的光吸(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)系數(shu)，特別是在0.3-0.75um 的可見光波(bo)段(duan)，它(ta)的吸(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)系數(shu)比(bi)單晶硅(gui)要高出(chu)一個數(shu)量(liang)級。因(yin)而它(ta)比(bi)單晶硅(gui)對太陽能(neng)輻射的吸(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)率要高40倍左右，用很薄的非(fei)晶硅(gui)膜(約(yue)1um厚(hou))就能(neng)吸(xi)(xi)(xi)收(shou)(shou)(shou)90%有用的太陽能(neng)，這是非(fei)晶硅(gui)材料最(zui)重(zhong)要的特點，也是它(ta)能(neng)夠成(cheng)為(wei)低價格(ge)太陽能(neng)電池的最(zui)主要因(yin)素。

2. 非(fei)晶(jing)硅的(de)禁帶(dai)寬(kuan)度比單晶(jing)硅大，隨制備條件的(de)不同約在1.5-2.0 eV的(de)范圍內(nei)變(bian)化，這樣(yang)制成的(de)非(fei)晶(jing)硅太(tai)陽能電(dian)池的(de)開路(lu)電(dian)壓高。

3.制(zhi)(zhi)備(bei)非晶硅(gui)的工(gong)藝和設備(bei)簡單(dan)，淀(dian)積溫(wen)度(du)低，時(shi)間短，適于大批生產，制(zhi)(zhi)作(zuo)單(dan)晶硅(gui)電池一(yi)般(ban)需要1000度(du)以上的高(gao)溫(wen)，而(er)非晶硅(gui)電池的制(zhi)(zhi)作(zuo)僅需200度(du)左右。

4.由于(yu)非晶(jing)硅沒有(you)晶(jing)體硅所(suo)需要(yao)的周期性(xing)原子排列，可以不考慮制(zhi)備(bei)晶(jing)體所(suo)必須考慮的材料與(yu)襯底(di)間(jian)的晶(jing)格(ge)失(shi)配問題(ti)，因而它幾乎可以淀積(ji)在任何襯底(di)上，包括廉(lian)價的玻璃(li)襯底(di)，并(bing)且易于(yu)實現大面積(ji)化。

5.制備非晶硅太陽能電池能(neng)耗(hao)少，約100千瓦(wa)小時，能(neng)耗(hao)的(de)回(hui)收(shou)年數比單晶硅(gui)電(dian)池短很多。