光伏技术14非晶硅薄膜太阳能电池

概论非晶硅薄膜的结构和物理特性非晶硅薄膜的制备方法非晶硅薄膜电池的结构设计和工作原理非晶硅薄膜电池的制备工艺非晶硅薄膜电池的优点与挑战概论硅基薄膜太阳能电池非晶硅薄膜电池微晶硅薄膜电池多晶叠层薄膜电池1.发展薄膜太阳能电池的意义2.薄膜太阳能电池的特点3.薄膜太阳能电池的种类非晶硅薄膜的结构和物理特性1.非晶硅薄膜的结构非晶硅共价键的特点：①键长有长短变化②键角有变化，范围10o③未配位Si原子形成“悬挂”键（danglingbond）描述非晶硅的结构参数：★非晶硅具有“短程有序，长程无序”的结构特征。非晶硅的结构特点决定其能带结构！非晶硅原子排列基本保持sp3键结构和短程有序2.非晶硅薄膜材料的电子态非晶硅电子态具有导带、价带和禁带的基本特征非晶硅的长程无序结构能带边出现定域化带尾态禁带中出现陷阱能级悬挂键键长伸缩键角扭曲非晶硅能带结构只能用电子态密度分布函数来描述！非晶硅电子态密度随能量的分布双占据态：类受主态单占据态：类施主态氢化非晶硅(a-Si:H)的带隙宽度Eg=1.7~1.8eV3.非晶硅的掺杂特性辉光放电法设备非晶硅样品中的掺杂效应1975年，斯皮尔（Spear）等人首次实现非晶硅的掺杂效应，做出pn结。非晶硅掺杂的两个基本问题：①掺杂原子的具体位置？②大量缺陷态钉扎费米能级，如何解决？硅烷辉光放电法制备非晶硅中含有大量氢，它们能钝化悬挂键，减小了缺陷态密度，从而为非晶硅掺杂效应提供基础。n型和p型非晶硅薄膜的主要问题硼和磷的替位式掺杂效率低掺杂引入大量的缺陷态N型和p型非晶硅薄膜只能用来建立内建电势和欧姆接触，不适合做光吸收层原因：2/3的掺杂原子处于三配位的成键态4.非晶硅薄膜的光学特性A区：本征吸收α-Si:H的Eg=1.7~1.8eVB区：带尾吸收α∝exp（hv/Eto)C区：次带吸收价带到带隙态或带隙态到导带的跃迁5.非晶硅的光致衰减效应(S-WEffect)非晶硅薄膜电池的S-Weffect的表现非晶硅薄膜电池在光照下使用几个月后，光电转换效率显著下降的现象。S-Weffect产生原因光子破坏了一部分Si-H共价键，重新形成了悬挂键缺陷S-Weffect抑制方法根本途径：改善α-Si:H的无序网络结构，降低氢含量6.非晶硅的合金合金元素合金带隙Eg符号中文名英文名Ca-SiC:H氢化非晶硅碳Hydrogenaratedamorphoussiliconcarbon较宽Gea-SiGe:H氢化非金硅锗Hydrogenatedamorphoussilicongermanium较窄运用氢化非晶硅的合金可以设计制备多结太阳能电池，从而增加光吸收，提高电池效率。宽禁带a-SiC:H用于异质结太阳电池的p型窗口层；窄禁带a-SiGe:H可用于叠层电池中底电池的本征吸收层。非晶硅薄膜的制备方法化学气相沉积法是制备非晶硅薄膜的主要方法化学气相沉积法（CVD）热分解CVDPECVDHotwire-CVDPhoto-CVD目前应用最多的制备a-Si:H薄膜的工艺方法制备a-Si:H薄膜的常用方法不适合制备a-Si:H薄膜CVD引入激发源的目的：降低衬底温度，便于Si与H原子结合成键按激发源分类：PECVD直流-PECVD射频-PECVD超高频-PECVD微波-PECVD射频等离子体化学气相沉积法（RF-PECVD）的工作原理非晶硅薄膜电池的结构设计和工作原理非晶硅p-i-n电池的能带示意图(a)在暗态；(b)光照条件下的能带分布基本的非晶硅薄膜太阳能电池结构是p-i-n结！非晶硅薄膜电池有两种基本结构：非晶硅薄膜太阳能电池的结构(a)上层设计；(b)衬底设计注意：无论哪种结构设计，受光面都是p型α-Si:HP层i层N层P层i层N层衬顶金属或塑料衬底多结非晶硅薄膜太阳能电池的结构多结非晶硅薄膜电池不但效率高而且稳定性好！非晶硅和微晶硅薄膜组成的新型叠层电池α-Si:H/μC-Si:H双结电池是新一代硅薄膜电池的主要结构转换效率高稳定性好无需锗烷，生产成本低非晶硅薄膜电池组件工艺介绍非晶硅薄膜太阳能电池典型制备工艺非晶硅薄膜太阳能电池典型制备工艺流程非晶硅薄膜太阳能电池的优势和挑战：所需的原料较少，对原料依赖度低。与晶体硅太阳能电池比较，生产成本较低。大面积的沉积，1.1×1.4m2电池板可以沉积到柔性衬底，适合在光伏建筑一体化（BIPV）中应用转换效率较低，三结非晶硅薄膜电池板稳定效率在7.5%~8.5%。存在光诱导衰退效应，单结电池其衰退率可达30%，多结电池的衰退率在10%~15%。生产成本还需要进一步降低。