非晶硅太阳能电池研究毕业论文

-1-非晶硅太阳能电池赵准（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首416000）摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。目前太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池-2-1.引言1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。2.太阳能电池概述2.1.太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。-3-2.2太阳能电池种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）,铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。3.硅基太阳能电池3.1非晶硅薄膜太阳能电池开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电池设计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n边，形成光生电流和光生电压。非晶硅光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，衬底可以为玻璃、不锈钢、特种塑料、陶瓷等（图3.2为非晶硅薄膜电池结构的示意图）。玻璃衬底的非晶硅电池，光从玻璃面入射，电池的电流从透明导电膜（TCO）和铝电极引出。不锈钢-4-衬底的非晶硅电池与单晶硅电池类似，在透明导电膜上制备梳状银电极，电池的电流从银电极和不锈钢引出。双叠层的结构有两种：一种是两层结构使用相同的非晶硅材料；一种是上层使用非晶硅合金，下层使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收；上层使用宽能隙的非晶硅合金做本征层，以吸收蓝光光子；中间层用含锗约15%的中等带隙的非晶硅锗合金，以吸收红光。三叠层的结构与双叠层的结构类似。非晶硅材料由气相沉积法形成的。根据离解和沉积方法的不同，可分为辉光放电分解法（GD）、溅射法（SP）、真空蒸发法、光化学气相沉积法（CVD）和热丝法（HW）等多种。其中等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是已被普遍采用的方法，在PECVD沉积非晶硅的方法中，PECVD的原料气一般采用SiH4，和H2，制备叠层电池时用SiH4，和GeH4，加入B2H6，和PH5可同时实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a－Si或a—SiCe薄膜。此法具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点，适合于大规模生产。非晶硅电池具有如下优点：（1）制造成本低。这是因为：①半导体层光吸收系数比晶体硅大一个数量级，电池厚度只需1μm左右，约为晶体硅电池的1/300，可节省大量硅材料。②可直接沉积出薄膜，没有切片损失。③可采用集成技术在电池制备过程中一次完成组件，工艺过程简单。④电池的pin结是在20.0℃左右的温度下制造的，比晶体硅电池的800～1000℃的高温低得多，能源消耗小。⑤电池的单片面积可大到0.7~1.0m2，组装方便，易于实现大规模生产。（2）能源消耗的回收期短。每平方米非晶硅电池的生产能耗仅为l00kW·h左右，能源回收期仅为l～1.5a，比晶体硅低得多。（3）发电量多。据测试，在相同条件下，非晶硅电池的发电量较单晶硅电池高8%左右，较多晶硅电池高13%左右。（4）售价低。目前约比晶体硅电池的售价约低1/4－1/3。3.2太阳能电池性能分析和亟待解决的问题3.2.1性能分析种类优势劣势转换效率单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术最为成熟硅消耗量大，成本高，工艺复杂16%-20%多晶硅太阳能电池转化效率较高多晶硅生产工艺复杂，供应受限制14%-16%非晶硅薄膜太阳能电池成本低，可大规模生产转换效率不高，光致衰退效率9%-13%3.2.2需要解决的问题由以上对比可以看出，以后多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的生产成本，会越来越受到投资者的关注。但是它们也面临着一些需要解决的问题。-5-多晶硅薄膜电池具有效率较高、性能稳定及成本低的优点，是降低太阳能电池成本的最有效的方法，但目前尚存在如下问题：①多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。②多晶硅薄膜高温沉积，适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。因而今后应着重研发如下问题：①大面积、大晶粒薄膜的生长技术；②进一步提高薄膜的生长速率；③薄膜缺陷的控制技术；④优质、价廉衬底材料的研发；⑤电池优良设计、表面结构技术及背反射技术等的研究。非晶硅薄膜电池作为地面电源应用的最主要问题，是效率低、稳定性差。目前实验室效率己达15％，但生产中电池组件的稳定效率仅为5.5%～7.5％。引起效率低、稳定性差的主要原因是光诱导衰变，即所谓的S－W效应。用氢稀释硅烷方法生长的a-Si和a-SiGe薄膜可以抑制光诱导衰变，提高效率。使用双叠层、三叠层或多叠层结构可以增加光谱响应，提高效率。但从工业化生产和地面电源应用的要求来看，问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多工作要做。关于非晶硅电池的衰降问题，许多科研人员已进行多年的研究实验，并还在继续进行着，主要内容有：①高质量本征非晶硅材料的研究（包括晶化技术），减少光生亚稳态密度，提高稳定性。②质量n型和p型非晶硅材料的研究，改善薄膜完整性，提高掺杂效率，增强内建电场，提高电池的稳定性。③改善非晶硅电池内部界面，降低界面态，减小界面复合，提高输运效率、转换效率和电池的稳定性。④优质a-Si：Ge合金材料的研究，进一步完善双结、三结、多带隙非晶硅电池，提高效率和电池的稳定性。目前非晶硅太阳能电池的研究已取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13％，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9.3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13％。3.3光伏系统的特殊应用光伏系统具有很多用途，它可以比一个硬币还小也可以比一个足球场那么大，可以为一个手表提供电力也可以为一个小城镇供电，而它所需要的能源仅仅是太阳光。光伏系统的这些优点，结合它的简洁的工作方式，使之成为适用于很多独立特殊应用的能源，前景尤为诱人。本章将着重讨论光伏系统的特殊应用。3.3.1空间应用在应用的早期，由于光伏系统的成本高，它仅仅应用于空间领域。太阳能电池不断地被用来为太空飞船、人造卫星、以及火星探测器进行供电。正如预期的，由于空间应用对可靠性的高要求，应用于空间技术上的产品都执行很高的标准以及非常严格的产品质量控制。同时由于太空船对产品质量以及面积的限制，对太阳能电池的光电转换效率也有很高的要求。由于光伏太阳能板占人造卫星总重量的10%-20%，占总成本的10%-30%，所以太阳能电池的重量及成本的降低成为下一代空间用太阳能电池的研究方向。很多空间太阳能电池采用砷化镓以及相关的化合物制作，砷化镓电池与晶体硅太阳能电池相比具有更