硅基薄膜太阳能电池的研究进展

硅基薄膜太阳能电池的研究进展第1页，共7页硅基薄膜太阳能电池的研究进展摘要太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。本文着重介绍了非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池原理、制备方法，从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处，并提出改进方法。同时介绍了国内外硅基薄膜太阳电池研究的进展，最后展望了薄膜太阳能电池的发展前景。关键词：太阳能电池；薄膜电池；非晶硅；多晶硅；微晶硅；光伏建筑；最新进展硅基薄膜太阳能电池的研究进展第2页，共7页1、太阳能电池太阳电池是目前主要的新能源技术之一，它利用半导体的光电效应将光能直接装换为电能。目前太阳电池主要有传统的（第一代）单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池以及新型的（第二代）薄膜电池。薄膜太阳电池可以使用其他材料当基板来制造，薄膜厚度仅需数μm，较传统太阳能电池大幅减少原料的用量。目前光伏发电的成本与煤电的差距还是比较大，其中主要的一项就是原材料即的价格。薄膜太阳电池消耗材料少，降低成本方面的巨大潜力。薄膜太阳能电池的种类包括：非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半导体II-IV族[CdS、CdTe(碲化镉)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)、有机导电高分子(Organic/polymersolarcells)、CIGS(铜铟硒化物)等。如果要将太阳电池大规模应用为生活生产提供能源，那么必须选择地球上含量丰富，能大规模生产并且性能稳定的半导体材料，硅基薄膜电池的优越性由此凸显。能源危机和环境污染的日趋严重极大地促进了光伏产业的迅速发展。过去的5年，在全球硅材料紧缺、价格飙升的情况下，世界光伏市场继续以平均每年40%的幅度增加[1]。2006年实际产量达到2.6GW，产能超过3GW，大大超过对2006年预测的20%～25%的增幅。中国2006年光伏电池地产量达到460MW，比2005年（140MW）增加280%，电池产能达到1200MW。光伏产业成为迄今为止增长最快的工业之一，商业预测到2010年全球市场容量将增加到400亿欧元。[1]制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的太阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。2、非晶硅薄膜太阳电池2.1原理及结构非晶硅(a-Si)太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，还可以用不锈钢片、塑料等作衬底。硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了制造成本，又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(～200℃)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位，在制造方法方面有电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(～200℃)，易于实现大面积和大批量连续生产，现成为国际公认的成熟技术。在材料研究方面，先后研究了a-SiC窗口层、梯度界面层、μC-SiCp层等，明显改善了电池的短波光谱响应.这是由于a-Si太阳电池光生载流子的生成主要在i层，入射光到达i层之前部分被p层吸收，对发电是无效的.而a-SiC和μC-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达i层的光增加；加之梯度界面层的采用，改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性.在增加长波响应方面，采用了绒面TCO膜、绒面多层背反射电极(ZnO/Ag/Al)和多带隙叠层结构，即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al结构.绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增加了光在i层硅基薄膜太阳能电池的研究进展第3页，共7页的传播路程，从而增加了光在i层的吸收.多带隙结构中，i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集。图1非晶硅太阳电池结构图2非晶硅太阳电池组件非晶硅太阳电池主要是以玻璃、不锈钢等为衬底的薄膜太阳电池，结构如图1所示。为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状，如图2所示。图3非晶硅太阳电池组件结构图4非晶硅太阳电池制备过程由于太阳光谱分布较宽，现有的半导体材料只能在一有限波段转换太阳能量，所以单结太阳电池不能充分利用太阳能。采用分波段利用太阳能光谱的叠层电池结构则是比较有效提高光电转换效率的方法。叠层太阳电池的结构见图3。目前常规的叠层电池结构包括a-Si/a-SiGe,a-Si/a-Si/a-SiGe,a-Si/a-SiGe/a-SiGe,a-SiC/a-Si/a-SiGe等。[2]2.2.制备方法图4是非晶硅太阳电池制备方法示意图，把硅烷(SiH4)等原料气体入真空度保持在10—1000Pa的反应室中，射频(RF)电场产生辉光放电，原料气体被分解，在玻璃或者不锈钢等衬底上形成非晶硅薄膜材料。如果原料气体中混入硅烷(B2H6)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。为得到性能良好的太阳电池，避硅基薄膜太阳能电池的研究进展第4页，共7页免反应室内壁和电极上残存的杂质掺入到电池中，一般都利用隔离的连续等离子反应制造装置，即P,I,N各层分别在专用的反应室内沉积。2.3优势2.3.1材料和制造工艺成本低这是因为衬底材料，如玻璃，不锈钢，塑料等，价格低廉。硅薄膜厚度不足一微米，因而昂贵的纯硅材料用量很少。2.3.2制作工艺为低温工艺，生产的耗电量小，能量回收时间短。2.3.3易于形成大规模生产能力这是因为核心工艺适合制作特大面积无结构缺陷的a-Si合金薄膜；只需改变气相成分或者气体流量便可实现PIN结以及相应的叠层结构；生产全流程自动化。2.3.4品种多，用途广。薄膜的a-Si太阳电池易于实现集成化。器件功率、输出电压、输出电流都可以自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多种产品。由于吸收系数高，暗电导、良低，适合作室内用。3、多晶硅薄膜太阳电池3.1多晶硅太阳能电池结构特点在半导体太阳能电池中，吸收太阳光能量所必要的半导体膜的厚度可以非常薄。对硅来说，在太阳光谱峰值附近5.0x10-7m—6.0x10-7m处，吸收值为104/cm数量级。从原理上讲，几um厚就可以吸收大部分的能量，但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50um。正因为如此，人们研制了薄膜型太阳能电池，太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层，就需要衬底。当然，衬底材料也应该是便宜的。所以，在大部分的实例中，衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是多晶体或非晶体，而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜，可以通过各种途径形成：物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样，有pn结型、肖特基型、MIS型及异质结型等。其不同点在于：衬底对半导体薄膜形成工艺的影响，晶界和膜厚的作用，以及薄膜特有的材料、电学方面的性质，这些都是不容忽视的。正是由于这些因素的制约，硅薄膜电池的特性仍落后于单晶硅太阳电池的水平，尚处试验阶段，未达到实用化的程度。[3]3.2制备方法目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法(CVD)，等离子增强化学气相沉积(PECVD)，液相外延法(LPPE)和区熔再结晶法(ZMR)法、等离子喷涂法(PSM)、叠层法、固相结晶法(SPC)也可用来制备多晶硅薄膜电池。等离子增强化学气相沉积（PECVD）法是利用PECVD技术在非硅衬底上制备晶粒较小的多晶硅薄膜的一种方法，其制备温度很低（100—200℃），晶粒小（～10－7m量级）。目前最高效率达10.7％。该方法存在生长速度太慢以及薄膜极易受损等问题，有待今后研究改进。[4]液相外延（LPE）法通过将硅熔融在母液里，降低温度使硅析出成膜。美国AstroPower公司和德国Max-Plank研究所对这一技术进行了深入的研究，前者用LPE法制备的电池，效率已达12.2％。化学气相沉积（CVD）法就是将衬底加热到适当的温度，然后通以反应气体（如SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4等），在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在衬硅基薄膜太阳能电池的研究进展第5页，共7页底表面。这些反应的温度通常较高，在800～1200℃之间。可以应用再结晶技术提高晶粒尺寸，其具体方法是：先用低压化学气相沉积（LPCVD）法在衬底表面形成一层较薄的、重掺杂的非晶硅层，再用高温将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，用这层较薄的大尺寸多晶硅层作为籽晶层，在其上面用CVD法生长厚的多晶硅膜。这种CVD法制备多晶硅薄膜太阳电池的关键是寻找一种较好的再结晶技术。下表是主要几种不同生长方法的多晶硅薄膜太阳能电池特点的比较结果。再结晶技术主要有固相晶化（LAR）法、区熔再结晶（ZMR）法和激光再结晶（LMC）法。固相晶化法需对非晶硅薄膜进行整体加热，温度要求达到1414℃的硅的熔化点。该法的缺点是整体温度较高，晶粒取向散乱，不易形成柱状结晶。区熔再结晶法需将非晶硅整体加热至1100℃，再用一个加热条加热局部使其达到熔化状态。加热条在加热过程中需在非晶硅表面移动。激光退火法采用激光束的高温将非晶硅薄膜熔化结晶以得到多晶硅薄膜。三种方法中以ZMR法最成功，日本三菱公司用该法制备的电池，效率已达16.42％，德国的Fronhaufer研究所在这方面的研究处于领先水平。3.3不足和晶体硅电池相比，薄膜电池的不足之处是产品效率较低，生产技术不够成熟，特别是制造设备没有标准化。但是，薄膜太阳电池具有很大的降低成本的潜力，其共有的低成本优势省材、低功耗、便于大面积连续化生产。在薄膜太阳电池中，硅基薄膜具有更独特的优势：①原材料丰富，且无毒无污染；②能耗最低，制造温度约200℃,可以使用大面积廉价的玻璃作为衬底；③原材料消耗少，每瓦电池只消耗0.2g硅烷，相当于0.02欧元/Wp，而每瓦晶硅电池要消耗8～12g晶体硅，相当于0.3欧元/Wp；④工艺简单，加工技术相对成熟。因此硅薄膜电池成为研究最多、发展最快、占有市场份额最大的薄膜电池。4、硅薄膜电池发展前景非晶硅/微晶硅叠层电池在提高效率的同时保持了非晶硅电池的低成本技术优势，使其具有很强的竞争优势，国际上呈现出快速发展的趋势。根据2006年3月在日本召开的第二届关于光伏未来发展方向的Workshop上公布的数据[4]：日本Kaneka公司计划2008年要使非晶硅和非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的产能达到70MW，三菱重工公司2007年a-Si电池达到50MW，富士电机公司的a-Si电池2008年达到30MW。欧洲SchottSolar公司2007年达到30MW。美国Uni-solar公司2010年的目标是300MW。泰国2007年达到10MW/年。国内，天津津能公司2006年在原有年产5MW非晶硅薄膜太阳能电池组件生产能力的基础上，再增加了一条5MW电池组件生产线，并在未来3年持续投入，至2010年具备年产30兆瓦电池生产能力及20兆瓦组件封装能力。山东威海蓝星泰瑞光电公司一期工程已建成一条5