1、太陽電池太陽電池 測試分測試分析析 太陽電池測試標準條件為：太陽電池測試標準條件為：25、AM1.5、1000W/m2 太陽電池關鍵參數太陽電池關鍵參數 開路電壓開路電壓Voc：open circuit voltage 短路電流短路電流Isc：short circuit current 填充因子填充因子FF：filling factor 轉換效率轉換效率Eff：conversion efficiency 最大最大工作電流工作電流Im：maximum current 最大最大工作電壓工作電壓Vm：maximum Voltage 最大最大工作工作功率功率Pm：maximum power 假設太陽電

2、池的理論模型是由一理想電流源（光假設太陽電池的理論模型是由一理想電流源（光 照產生光電流的電流源）、一個理想二極管、一照產生光電流的電流源）、一個理想二極管、一 個并聯電阻個并聯電阻Rsh 與一個電阻與一個電阻Rs 所組成，如下圖所組成，如下圖 所示。圖中，所示。圖中， Iph 為太陽電池在光照時該等效電源輸為太陽電池在光照時該等效電源輸 出電流，出電流，Id 為光照時通過太陽電池內部為光照時通過太陽電池內部 二極管的電流。二極管的電流。 在沒有光照時其通過電流在沒有光照時其通過電流I與正向偏壓與正向偏壓U的關的關 系為：系為： I=Isexp(qU/kT)-1 (1) 式中，式中，Is 是二

3、極管飽和電流。是二極管飽和電流。 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 電流定律電流定律 電壓定律電壓定律 對于直流情況對于直流情況 u1+u2=u3+u4 u4+uab=u5，則：，則：uab=u5-u4 由基爾霍夫定律得：由基爾霍夫定律得： IRs+U-(Iph-Id-I)Rsh=0 （2） 式中，式中，I 為太陽電池的輸出電流，為太陽電池的輸出電流，U 為為 輸出電壓。由于輸出電壓。由于U=IRL， I(RL+ Rs+Rsh)=(Iph-Id) Rsh （3） 或或 I(RL+ Rs+Rsh)/ Rsh =Iph-Id (4) I(RL+ Rs+Rsh)/ Rsh =Iph-Id 因為因為RsU /

4、 Rsh , Iph =Isc 所以所以 ) 1ln( s ph oc I I q kT V 利用利用I-V測試可以獲得太陽電池的短路電路、開路測試可以獲得太陽電池的短路電路、開路 電壓、填充因子和光電轉換效率等參數。電壓、填充因子和光電轉換效率等參數。 太陽電池太陽電池 測試標準測試標準 條件為：條件為： 25、 AM1.5、 1000W/ m2 SP FFVI ph ocsc 并聯電阻對轉換效率的影響并聯電阻對轉換效率的影響 串聯電阻對轉換效率的影響串聯電阻對轉換效率的影響 小結：晶體硅太陽電池工藝路線小結：晶體硅太陽電池工藝路線 硅片清洗硅片清洗 制絨工藝制絨工藝擴散工藝擴散工藝邊緣刻蝕

5、工藝邊緣刻蝕工藝 氫氟酸清洗工藝氫氟酸清洗工藝 PECVD鍍膜工藝鍍膜工藝印刷燒結印刷燒結工藝工藝測試測試工藝工藝 組件工序組件工序 Graph of cell output current (red line) and power (blue line) as function of voltage. Also shown are the cell short-circuit current (Isc) and open-circuit voltage (Voc) points, as well as the maximum power point (Vmp, Imp). Click on

6、the graph to see how the curve changes for a cell with low FF. 1976年卡爾松和路昂斯基報告了無定形硅（簡稱年卡爾松和路昂斯基報告了無定形硅（簡稱a一一Si） 薄膜薄膜太陽電池太陽電池的誕生。當時光電轉換效率為的誕生。當時光電轉換效率為24。時。時 隔隔20多年，多年，a一一Si太陽電池現在已發展成為最實用廉價的太陽電池現在已發展成為最實用廉價的 太陽電池品種之一。世界上總組件生產能力每年在太陽電池品種之一。世界上總組件生產能力每年在50MW 以上，組件及相關產品銷售額在以上，組件及相關產品銷售額在10億美元以上。億美元以上。 3

7、.2 薄膜硅太陽電池基本結構薄膜硅太陽電池基本結構 非晶硅非晶硅太陽電池在太陽電池在70年代中期誕生，這是科學家力年代中期誕生，這是科學家力 圖使從事的科研工作適應社會需求的一個范例。圖使從事的科研工作適應社會需求的一個范例。 他們在報告中提出了發明非晶硅太陽電他的兩大目他們在報告中提出了發明非晶硅太陽電他的兩大目 標：標：與昂貴的晶體硅太陽電池競爭；利用非晶硅太與昂貴的晶體硅太陽電池競爭；利用非晶硅太 陽電池發電，與常規能源競爭陽電池發電，與常規能源競爭。 70年代曾發生過年代曾發生過嚴重嚴重的能源危機，這種背景催促科的能源危機，這種背景催促科 學家把對學家把對a-Si材料的一般性研究轉向廉

8、價太陽電池材料的一般性研究轉向廉價太陽電池 應用技術創新，這種創新實際上又是非晶半導體向應用技術創新，這種創新實際上又是非晶半導體向 晶體半導體的第三次挑戰。晶體半導體的第三次挑戰。 太陽電池本來是晶體硅的應用領域，挑戰者稱，太太陽電池本來是晶體硅的應用領域，挑戰者稱，太 陽電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用陽電池雖然是高品位的光電子器件，但不一定要用 昂貴的晶體半導體材料制造，廉價的非晶硅薄膜材昂貴的晶體半導體材料制造，廉價的非晶硅薄膜材 料也可以勝任。料也可以勝任。 無定形材料第一次在光電子器件領域嶄露頭角無定形材料第一次在光電子器件領域嶄露頭角 是在是在1950年。年。 當時人們

9、在尋找適用于電視攝像管和復印設備當時人們在尋找適用于電視攝像管和復印設備 用的光電導材料時找到了無定形硒（用的光電導材料時找到了無定形硒（a-Se）和）和 無定形三硫化銻（無定形三硫化銻（a-SbS3）。）。 當時還不存在非晶材料的概念及有關的領域，當時還不存在非晶材料的概念及有關的領域， 而晶體半導體的理論基礎而晶體半導體的理論基礎能帶理論，早在能帶理論，早在 30年代就已成熟，晶體管已經發明，晶體半導年代就已成熟，晶體管已經發明，晶體半導 體光電特性和器件開發正是熱點。體光電特性和器件開發正是熱點。 而而a-Se和和a-SbS3這類材料居然在沒有基礎理論這類材料居然在沒有基礎理論 的情況下

10、發展成為產值在的情況下發展成為產值在10億美元的大產業，億美元的大產業， 非晶材料的這第一次挑戰十分成功，還啟動了非晶材料的這第一次挑戰十分成功，還啟動了 對非晶材料的科學技術研究。對非晶材料的科學技術研究。 1957年斯皮爾成功地測量了年斯皮爾成功地測量了a一一Se材料的漂材料的漂 移遷移率；移遷移率； 1958年美國的安德松第一次在論文中提出，年美國的安德松第一次在論文中提出， 無定形體系中存在電子局域化效應：無定形體系中存在電子局域化效應： 1960年，前蘇聯人約飛與熱格爾在題為年，前蘇聯人約飛與熱格爾在題為“非非 晶態、無定形態及液態電子半導體晶態、無定形態及液態電子半導體”的文章的文

11、章 中，提出了對非晶半導體理論有重要意義的中，提出了對非晶半導體理論有重要意義的 論點，即論點，即決定固體的基本電子特性是屬于金決定固體的基本電子特性是屬于金 屬還是半導體、絕緣體的主要因素是構成凝屬還是半導體、絕緣體的主要因素是構成凝 聚態的原子短程結構，即最近鄰的原子配位聚態的原子短程結構，即最近鄰的原子配位 情況。情況。 從從1960年起，人們開始致力于制備年起，人們開始致力于制備a-Si和和a- Ge薄膜材料。薄膜材料。最最先采用的方法主要是濺射法先采用的方法主要是濺射法 。 1965年斯特林等人第一次采用輝光放電（年斯特林等人第一次采用輝光放電（ GD）或等離子體增強化學氣相沉積（簡

12、為）或等離子體增強化學氣相沉積（簡為 PECVD）制備了氫化無定形硅（）制備了氫化無定形硅（a-Si：H） 薄膜。薄膜。 這種方法采用射頻（直流）電磁場激勵低壓這種方法采用射頻（直流）電磁場激勵低壓 硅烷等氣體，輝光放電化學分解，在襯底上硅烷等氣體，輝光放電化學分解，在襯底上 形成形成a-Si薄膜。開始采用的是電感耦合方式薄膜。開始采用的是電感耦合方式 ，后來演變為電容耦合方式，這就是后來的，后來演變為電容耦合方式，這就是后來的 太陽電池用太陽電池用a-Si材料的主要制備方法。材料的主要制備方法。 1960年發生了非晶半導體在器件應用領域年發生了非晶半導體在器件應用領域 向晶體半導體的第二次挑

13、戰。向晶體半導體的第二次挑戰。 這就是當年美國人歐夫辛斯基發現硫系無這就是當年美國人歐夫辛斯基發現硫系無 定形半導體材料具有電子開關存儲作用。定形半導體材料具有電子開關存儲作用。 這個發現在應用上雖然不算成功，但在學這個發現在應用上雖然不算成功，但在學 術上卻具有突破性的價值。術上卻具有突破性的價值。 諾貝爾獎獲得者莫特稱，這比晶體管的發諾貝爾獎獲得者莫特稱，這比晶體管的發 明還重要。它把科學家的興趣從傳統的晶明還重要。它把科學家的興趣從傳統的晶 體半導體材料引向了非晶半導體材料，掀體半導體材料引向了非晶半導體材料，掀 起了研究非晶半導體材料的熱潮。起了研究非晶半導體材料的熱潮。 由于非晶硅材

14、料是亞穩固體，其晶格的近由于非晶硅材料是亞穩固體，其晶格的近 程配位與相應晶體的相當。程配位與相應晶體的相當。 但它是長程無序，原子間的鍵長與鍵角存但它是長程無序，原子間的鍵長與鍵角存 在隨機的微小變化，它的實際結構為硅原在隨機的微小變化，它的實際結構為硅原 子組成的網絡結構；網絡內的硅懸掛鍵密子組成的網絡結構；網絡內的硅懸掛鍵密 度比較高。度比較高。 這些是非晶硅結構的兩個基本特點。這樣這些是非晶硅結構的兩個基本特點。這樣 復雜的體系的電子能帶結構與晶體能帶既復雜的體系的電子能帶結構與晶體能帶既 有相似之處，也存在巨大的差別。其相似有相似之處，也存在巨大的差別。其相似 之處在于，價電子能態也

15、可分為導帶、價之處在于，價電子能態也可分為導帶、價 帶和禁帶，但導帶與價帶都帶有伸向禁帶帶和禁帶，但導帶與價帶都帶有伸向禁帶 的帶尾態。的帶尾態。 帶尾態與鍵長、鍵角的隨機變化有關，導帶帶尾態與鍵長、鍵角的隨機變化有關，導帶 底價帶頂被模糊的遷移邊取代，擴展態與局底價帶頂被模糊的遷移邊取代，擴展態與局 域態在遷移邊是連續變化的，高密度的懸掛域態在遷移邊是連續變化的，高密度的懸掛 鍵在隙帶中引進高密度的局域態。鍵在隙帶中引進高密度的局域態。 通常隙態密度高于通常隙態密度高于1017cm3，過剩載流子通，過剩載流子通 過隙態復合，所以通常非晶材料的光電導很過隙態復合，所以通常非晶材料的光電導很 低

16、，摻雜對費米能級的位置的調節作用也很低，摻雜對費米能級的位置的調節作用也很 小，這種小，這種a-Si材料沒有有用的電子特性。材料沒有有用的電子特性。 氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償氫化非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償 ，形成硅氫鍵，可以使隙態密度降至，形成硅氫鍵，可以使隙態密度降至1016 cm3以下，這樣的材料才表現出良好的器件級以下，這樣的材料才表現出良好的器件級 電子特長。電子特長。 Thin film Si:H advantages Abundantly available raw materials Low Si and energy consumption Flexibl

17、e, Roll-to-Roll Large area, low temperature (ND, 對于對于p-n+結，結， ND NA, ) 1 )( 2 ( 0 D r DnD Nq VxX )( 2 ( 0 AD ADr DD NN NN q VX ) 1 )( 2 ( 0 A r DpD Nq VxX a-Si 太陽電池結構太陽電池結構: p-i-n 非晶態半導體的能隙非晶態半導體的能隙: 稱為遷移率隙（稱為遷移率隙（EC EV） 帶尾狀態與帶尾狀態與 弱弱Si-Si鍵有鍵有 關，也因此關，也因此 帶尾的寬度帶尾的寬度 可看成是非可看成是非 晶硅薄膜無晶硅薄膜無 序度的一種序度的一種 量

18、度。量度。 局域態在正常狀態下是電中性的，對于價帶尾局域態在正常狀態下是電中性的，對于價帶尾 的態，當它失去電子時即帶正電，故呈現為施的態，當它失去電子時即帶正電，故呈現為施 主性質；主性質； 而對于導帶尾的態，當它獲得電子時即帶負電而對于導帶尾的態，當它獲得電子時即帶負電 ，故呈現為受主性質。因此，價帶尾和導帶尾，故呈現為受主性質。因此，價帶尾和導帶尾 的局域態分別是類施主能級和類受主能級。的局域態分別是類施主能級和類受主能級。 非晶硅的懸掛鍵態非晶硅的懸掛鍵態缺陷態（一種局域態）缺陷態（一種局域態） 分布在能隙之中，懸掛鍵密度的峰值位置對應分布在能隙之中，懸掛鍵密度的峰值位置對應 著著Fe

19、rmi能級的位置。能級的位置。 因為因為Si的懸掛鍵只有一個電子，呈現為電中性的懸掛鍵只有一個電子，呈現為電中性 ，所以懸掛鍵相當于起著施主作用，它的分布，所以懸掛鍵相當于起著施主作用，它的分布 常常使得常常使得Fermi能級偏向與導帶靠近，從而導能級偏向與導帶靠近，從而導 致一般的非晶硅總是呈現為致一般的非晶硅總是呈現為n型導電性。型導電性。 遷移率隙中的局域態是嚴重影響電子遷移率的遷移率隙中的局域態是嚴重影響電子遷移率的 重要因素。因此，為了提高非晶硅的載流子遷重要因素。因此，為了提高非晶硅的載流子遷 移率，就應該設法降低局域態密度。移率，就應該設法降低局域態密度。 采用等離子體增強采用等

20、離子體增強CVD方法、分解硅烷（方法、分解硅烷（SiH4 ）而得到非晶硅時，實際上在所得到的非晶硅）而得到非晶硅時，實際上在所得到的非晶硅 中含有相當數量的氫原子，這種材料就是非晶中含有相當數量的氫原子，這種材料就是非晶 硅硅-氫合金（氫合金（a-Si H），常稱為氫化非晶硅。），常稱為氫化非晶硅。 a-Si H的密度約低于單晶硅的的密度約低于單晶硅的1%3%。 在氫含量約為在氫含量約為10%的優質的優質a-Si H中，主中，主 要由懸掛鍵引起的局域態密度可以降到要由懸掛鍵引起的局域態密度可以降到 1016cm 3/eV以下。以下。 a-Si H中電子遷移率的典型值達到了中電子遷移率的典型值達

21、到了5 10 cm2/(Vs)。 雖然摻氫非晶硅（雖然摻氫非晶硅（a-Si H）中的載流子遷）中的載流子遷 移率較高于未摻氫的非晶硅，但是總的說來移率較高于未摻氫的非晶硅，但是總的說來 ，終究因為，終究因為a-Si H不是晶體，其中存在大不是晶體，其中存在大 量的缺陷，它的載流子遷移率還是很低的，量的缺陷，它的載流子遷移率還是很低的， 特別是與單晶硅比較起來更是如此（單晶硅特別是與單晶硅比較起來更是如此（單晶硅 的電子遷移率約為的電子遷移率約為1400 cm2/(Vs)）。）。 a-Si H的一個重大缺點就是其性能不穩定的一個重大缺點就是其性能不穩定 ，即具有一種所謂亞穩特性。導致，即具有一種

22、所謂亞穩特性。導致a-Si H 出現亞穩特性的原因是其結構缺陷的問題。出現亞穩特性的原因是其結構缺陷的問題。 亞穩效應：亞穩效應：因為在因為在a-Si H結構中存在著結構中存在著 較弱的較弱的Si-Si鍵、以及懸掛鍵和氫鍵，它鍵、以及懸掛鍵和氫鍵，它 們之間將達到亞穩平衡；因此，就很容易們之間將達到亞穩平衡；因此，就很容易 通過外加能量使通過外加能量使a-Si H結構偏離其原始結構偏離其原始 平衡狀態而產生衰退，同時也可以通過加平衡狀態而產生衰退，同時也可以通過加 熱使它又從衰退狀態回到原始狀態，這種熱使它又從衰退狀態回到原始狀態，這種 狀態之間的變化稱為狀態之間的變化稱為 “亞穩效應亞穩效應

23、”（ metastability effect）。）。 a-Si H的亞穩特性也就是造成它的器件性能的亞穩特性也就是造成它的器件性能 不穩定的重要原因。不穩定的重要原因。 例如，例如， a-Si H太陽電池，在受到太陽光照射太陽電池，在受到太陽光照射 之后，其暗電導和光電導會隨著光照時間的延之后，其暗電導和光電導會隨著光照時間的延 長而不斷下降，但若在長而不斷下降，但若在200oC下退火幾小時之下退火幾小時之 后，又會恢復到原來的數值，這種現象往往稱后，又會恢復到原來的數值，這種現象往往稱 為為SW效應（效應（stabler-wronski effect）。）。 又如，對于又如，對于a-Si

24、H TFT，在較長時間施加柵，在較長時間施加柵 偏壓以后，閾值電壓以及亞閾斜率將發生漂移偏壓以后，閾值電壓以及亞閾斜率將發生漂移 ，就是這種亞穩特性的表現。，就是這種亞穩特性的表現。 也正是由于這個原因，采用也正是由于這個原因，采用a-Si H制作的有制作的有 源選址液晶顯示器（源選址液晶顯示器（AMLCD），不能在太陽），不能在太陽 光照射下長時間地工作。光照射下長時間地工作。 a-Si H出現亞穩特性的重要過程就是外界作出現亞穩特性的重要過程就是外界作 用使得用使得a-Si H中產生出新的懸掛鍵。中產生出新的懸掛鍵。 因此，引起因此，引起a-Si H性能不穩定的根本原因就性能不穩定的根本原

25、因就 在于較弱的在于較弱的Si-Si鍵的存在以及氫鍵的參與。鍵的存在以及氫鍵的參與。 可見，可見，a-Si H中中10%左右的氫，可以起到使左右的氫，可以起到使 懸掛鍵飽和的良好作用，但與此同時氫又將引懸掛鍵飽和的良好作用，但與此同時氫又將引 起不良的亞穩衰退效應。起不良的亞穩衰退效應。 總之，總之，a-Si H的穩定性仍然是一個有待解決的穩定性仍然是一個有待解決 的重要問題。的重要問題。 非晶硅太陽電池的工藝過程非晶硅太陽電池的工藝過程 玻璃襯底多晶硅太陽電池結構玻璃襯底多晶硅太陽電池結構 玻璃襯底多晶硅太陽電池工藝過程玻璃襯底多晶硅太陽電池工藝過程 玻璃玻璃清洗清洗 鍍導電膜鍍導電膜 TC

26、O 導電膜清導電膜清 洗洗(離線離線) 激光劃線激光劃線(1) PE-CVD p-i-n 激光劃線激光劃線(2) 濺射濺射 背電極鍍膜背電極鍍膜 激光劃線激光劃線(3) 組件工序組件工序 TCO（Transparent conducting oxide）玻）玻 璃，即透明導電氧化物鍍膜玻璃，是在平板玻璃，即透明導電氧化物鍍膜玻璃，是在平板玻 璃表面通過物理或者化學鍍膜的方法均勻鍍上璃表面通過物理或者化學鍍膜的方法均勻鍍上 一層透明的導電氧化物薄膜，主要包括一層透明的導電氧化物薄膜，主要包括In、Sn 、Zn和和Cd的氧化物及其復合多元氧化物薄膜的氧化物及其復合多元氧化物薄膜 材料。材料。 最初

27、最初TCO為為ITO(Indium Tin Oxide -InSnO), 首先被應用于平板顯示器中，現在首先被應用于平板顯示器中，現在ITO類型的類型的 導電玻璃仍是平板顯示器行業的主流玻璃電極導電玻璃仍是平板顯示器行業的主流玻璃電極 產品。產品。 ITO是所有電阻技術觸屏及電容技術觸摸屏都是所有電阻技術觸屏及電容技術觸摸屏都 用到的主要材料，實際上電阻和電容技術觸摸用到的主要材料，實際上電阻和電容技術觸摸 屏的工作面就是屏的工作面就是ITO涂層。涂層。 薄膜太陽電池占世界光伏市場份額已超過薄膜太陽電池占世界光伏市場份額已超過10 ，由于，由于ITO成本較高，光伏用成本較高，光伏用TCO逐漸被

28、逐漸被 SnO2所替代。所替代。 SnO2鍍膜也簡稱鍍膜也簡稱FTO，目前主要是用于生產，目前主要是用于生產 建筑用建筑用Low-E玻璃。即低輻射玻璃，其鍍膜玻璃。即低輻射玻璃，其鍍膜 層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反 射的特性，使其與普通玻璃及傳統的建筑用射的特性，使其與普通玻璃及傳統的建筑用 鍍膜玻璃相比，具有優異的隔熱效果和良好鍍膜玻璃相比，具有優異的隔熱效果和良好 的透光性。的透光性。 其導電性能比其導電性能比ITO略差，但具有成本相對較低略差，但具有成本相對較低 ，激光刻蝕容易，光學性能適宜等優點。通過，激光刻蝕容易，光學性能適宜等優點。通

29、過 對普通對普通Low-E的生產技術進行升級改進，制造的生產技術進行升級改進，制造 出了導電性比普通出了導電性比普通Low-E好，并且帶有霧度的好，并且帶有霧度的 產品。產品。 利用這一技術生產的利用這一技術生產的TCO玻璃已經成為薄膜光玻璃已經成為薄膜光 伏電池的主流產品。伏電池的主流產品。 TCO薄膜的制備方法薄膜的制備方法 反應磁控濺射鍍膜：反應磁控濺射鍍膜：濺射過程中，在高氧流濺射過程中，在高氧流 量的情況下，從靶材中轟擊出的金屬量的情況下，從靶材中轟擊出的金屬In、Sn 原子在真空室內或襯底表面能充分和氧反應原子在真空室內或襯底表面能充分和氧反應 生成生成In2O3和和SnO2。 絲

30、印或噴墨打印法：絲印或噴墨打印法：目前僅日本住友有絲目前僅日本住友有絲 印法的實用技術，在該公司自有產品上印法的實用技術，在該公司自有產品上 使用。使用。絲印方法采用微晶絲印方法采用微晶ITO粉劑；噴粉劑；噴 墨打印采用納米級墨打印采用納米級ITO粉劑。粉劑。 A-Si 薄膜制備方法薄膜制備方法 非晶非晶硅硅薄膜薄膜太陽電池制造太陽電池制造程程 (玻璃基材玻璃基材) 非晶非晶硅硅薄膜薄膜太陽電池制造太陽電池制造程程 (玻璃基材玻璃基材) “Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell” UniSolar 非晶硅太陽電池的工藝過程非晶硅太陽電池的工藝過程 玻璃襯底多晶硅

31、太陽電池結構玻璃襯底多晶硅太陽電池結構 激光劃線（激光劃線（ 1） 工藝：這一步主要是劃刻工藝：這一步主要是劃刻 氧化錫，使用的氧化錫，使用的1064納納 米波長的紅外激光器米波長的紅外激光器 激光劃線（激光劃線（ 2） 工藝：這一步主要是劃刻非晶硅工藝：這一步主要是劃刻非晶硅a-Si，使用的，使用的532納納 米波長的綠光激光器米波長的綠光激光器 工藝：這一步主要是劃刻工藝：這一步主要是劃刻 鋁或者銀以及氧化鋅膜，使鋁或者銀以及氧化鋅膜，使 用的用的532納米波長的綠激光器納米波長的綠激光器 激光劃線（激光劃線（ 3） 集成型非晶硅太陽能電池 集成型非晶硅太陽能電池是有 若干分立小電池組合而

32、成的， 類似與太陽能電池組合板。不 過它與太陽能電池組合板并不 完全相同，其分立電池并非完 全獨立，而是共用一塊襯底。 實際上，它們原本是一個整體， 是用光刻技術將它們組合而成 的大面積太陽能電池。 “Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell” UniSolar 不銹鋼襯底不銹鋼襯底a-Si太陽電池結構太陽電池結構 單結非晶硅單結非晶硅異質結太陽電池異質結太陽電池 非晶硅太陽電池內光生載流子的生成主要在非晶硅太陽電池內光生載流子的生成主要在i層，層， 入射光在到達入射光在到達i層之前，一部分被摻雜層所吸收。層之前，一部分被摻雜層所吸收。 因為對于非晶硅材料，摻雜將

33、會使材料帶隙降低，因為對于非晶硅材料，摻雜將會使材料帶隙降低， 造成對太陽光譜中的短波部分的吸收系數變大。造成對太陽光譜中的短波部分的吸收系數變大。 研究表明，即使摻雜層厚度僅有研究表明，即使摻雜層厚度僅有10nm，仍會將入，仍會將入 射光的射光的20%左右吸收掉。從而削弱了電池對短波左右吸收掉。從而削弱了電池對短波 長光的響應，限制了短路電流的大小。長光的響應，限制了短路電流的大小。 為了減少入射方向摻雜層對光的吸收以使到達為了減少入射方向摻雜層對光的吸收以使到達i層層 的光增加的目的，人們提出了的光增加的目的，人們提出了單結非晶硅異質結單結非晶硅異質結 太陽能電池結構。太陽能電池結構。 單

34、結非晶硅異質結太陽電池，是指在迎光面采用寬單結非晶硅異質結太陽電池，是指在迎光面采用寬 帶隙的非晶碳化硅膜來代替帶隙較窄的非晶硅做窗帶隙的非晶碳化硅膜來代替帶隙較窄的非晶硅做窗 口的結構。利用寬帶隙的非晶碳化硅膜可以明顯改口的結構。利用寬帶隙的非晶碳化硅膜可以明顯改 善太陽能電池在短波區域的收集效率。善太陽能電池在短波區域的收集效率。 下圖是一個實際的三層太陽電池的例子，該結構是用寬帶下圖是一個實際的三層太陽電池的例子，該結構是用寬帶 隙的非晶碳化硅薄膜為第一層，用窄帶隙的非晶鍺硅作為隙的非晶碳化硅薄膜為第一層，用窄帶隙的非晶鍺硅作為 第三層，中間夾以非晶硅層。其轉換效率理論上最高可達第三層，

35、中間夾以非晶硅層。其轉換效率理論上最高可達 24%，基本上與單晶硅太陽電池的理論最高值一樣。，基本上與單晶硅太陽電池的理論最高值一樣。 利用寬帶隙材料做成異質結利用寬帶隙材料做成異質結 結構，不僅是通過窗口作用結構，不僅是通過窗口作用 提高短路電流，還可以通過提高短路電流，還可以通過 內建電勢的升高提高開路電內建電勢的升高提高開路電 壓。因為在壓。因為在p層中加碳，能層中加碳，能 隙變寬，隙變寬， p、i兩層中的費米兩層中的費米 能級的相對位置被相應拉開，能級的相對位置被相應拉開， 因而對升高內建電勢也有好因而對升高內建電勢也有好 處。處。 在非晶硅太陽電池的發展過程中，轉換效率的一次幅度較大

36、的在非晶硅太陽電池的發展過程中，轉換效率的一次幅度較大的 提高就是用提高就是用p型的非晶碳化硅膜代替型的非晶碳化硅膜代替p型的非晶硅的結果。對于型的非晶硅的結果。對于 帶隙為帶隙為1.7eV左右的左右的i層，要求層，要求p層材料的帶隙最好在層材料的帶隙最好在2.0eV左右。左右。 當非晶碳化硅膜中碳的成分比在當非晶碳化硅膜中碳的成分比在20-30%時，就能滿足這一要求，時，就能滿足這一要求， 而且并沒有給電池的制造工藝增加多少麻煩，而電池的性能卻而且并沒有給電池的制造工藝增加多少麻煩，而電池的性能卻 得到很大改善。得到很大改善。 Staebler-Wronski Effect 1977 年，年

37、，D.L.Staebler 和和 C.R.Wronski 發現非晶硅樣品發現非晶硅樣品 在經過長時間光照后，其光電在經過長時間光照后，其光電 導和暗電導都顯著減小，將照導和暗電導都顯著減小，將照 樣品放在樣品放在150度下退火度下退火30分鐘分鐘 ，再冷卻到室溫，樣品又恢復，再冷卻到室溫，樣品又恢復 原來狀態。這一現象被稱為原來狀態。這一現象被稱為 Staebler-Wronski 效應，簡稱效應，簡稱 S-W效應。研究表明在光照后效應。研究表明在光照后 非晶硅中缺陷密度明顯增加。非晶硅中缺陷密度明顯增加。 S-W效應的機制還是一個有待進一步研究解決的效應的機制還是一個有待進一步研究解決的 問

38、題，人們提出了各種模型進行解釋。問題，人們提出了各種模型進行解釋。 有的認為是光照在樣品中產生了新的缺陷，這種有的認為是光照在樣品中產生了新的缺陷，這種 缺陷增加了隙態密度，降低了光電導和暗電導。缺陷增加了隙態密度，降低了光電導和暗電導。 有的認為是光照產生了亞穩態缺陷。有的認為是光照產生了亞穩態缺陷。 還有的認為是光照引起了非晶硅結構的變化，如還有的認為是光照引起了非晶硅結構的變化，如 H-Si鍵的斷裂。鍵的斷裂。 以及材料中的雜質變化等等。以及材料中的雜質變化等等。 由于由于S-W效應效應 ，非晶硅太陽，非晶硅太陽 電池在光照后電池在光照后 ，非晶硅膜中，非晶硅膜中 缺陷態密度增缺陷態密度

39、增 加，導致電池加，導致電池 內的光生電子內的光生電子 和空穴復合幾和空穴復合幾 率增加，電池率增加，電池 的轉換效率下的轉換效率下 降。降。 非晶硅太陽電池的不穩非晶硅太陽電池的不穩 定性集中反映在其能量定性集中反映在其能量 轉換效率隨輻照時間的轉換效率隨輻照時間的 延長而變化，直到數百延長而變化，直到數百 或數千小時后才穩定?；驍登r后才穩定。 這個問題在一定程度上這個問題在一定程度上 影響了這種低成本太陽影響了這種低成本太陽 電池的應用。電池的應用。 作為解決方案作為解決方案 可以將電池中可以將電池中i層的厚度減薄，同時為了避免層的厚度減薄，同時為了避免 厚度減薄帶來的對入射光吸收的減

40、弱，可以厚度減薄帶來的對入射光吸收的減弱，可以 用多個電池串聯的方式，形成多級太陽能電用多個電池串聯的方式，形成多級太陽能電 池組以保證足夠的光吸收。池組以保證足夠的光吸收。 微晶硅接觸層微晶硅接觸層 在單結非晶硅太陽電池中，利用微晶硅來做摻雜層的在單結非晶硅太陽電池中，利用微晶硅來做摻雜層的 電池結構也是較為常用的一種。微晶硅有較高的摻雜電池結構也是較為常用的一種。微晶硅有較高的摻雜 效率，在同樣的摻雜水平下，其費米能級遠離帶隙中效率，在同樣的摻雜水平下，其費米能級遠離帶隙中 央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的帶隙不會央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的帶隙不會 因為摻雜而有明顯的降低

41、，因此用微晶硅做太陽電池因為摻雜而有明顯的降低，因此用微晶硅做太陽電池 的接觸層，既可減小串聯電阻，也可增加開路電壓，的接觸層，既可減小串聯電阻，也可增加開路電壓， 是理想的是理想的n+或或p+材料。材料。 非晶硅疊層電池非晶硅疊層電池 對于單結太陽電池，即便是用晶體材料制備的，對于單結太陽電池，即便是用晶體材料制備的， 其轉換效率的理論極限一般在其轉換效率的理論極限一般在AM1.5的光照條件的光照條件 下也只有下也只有25%左右。左右。 因為，太陽光譜的能量分布較寬，而任何一種半因為，太陽光譜的能量分布較寬，而任何一種半 導體只能吸收其中能量比自己帶隙值高的光子。導體只能吸收其中能量比自己帶

42、隙值高的光子。 其余的光子不是穿過電池被背面金屬吸收轉變為其余的光子不是穿過電池被背面金屬吸收轉變為 熱能，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子，熱能，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子， 使材料發熱。使材料發熱。 不僅如此，這些光子產生的熱效應還會升高電池不僅如此，這些光子產生的熱效應還會升高電池 工作溫度而使電池性能下降。工作溫度而使電池性能下降。 為了最大程度的有效為了最大程度的有效 利用更寬廣波長范圍利用更寬廣波長范圍 內的太陽光能量。人內的太陽光能量。人 們把太陽光譜分成幾們把太陽光譜分成幾 個區域，個區域， 用能隙分用能隙分 別與這些區域有最好別與這些區域有最好 匹配的材料做成電池，

43、匹配的材料做成電池， 使整個電池的光譜響使整個電池的光譜響 應接近與太陽光光譜，應接近與太陽光光譜， 如圖所示，如圖所示， 具有這具有這 樣結構的太陽電池稱樣結構的太陽電池稱 為疊層電池。為疊層電池。 從迎光面開始，材料的帶從迎光面開始，材料的帶 隙依次下降，即最外面的隙依次下降，即最外面的 材料帶隙寬，有利材料帶隙寬，有利于于吸收吸收 短波長的光，而透過的長短波長的光，而透過的長 波長的光則被里層帶隙較波長的光則被里層帶隙較 窄的材料吸收，這樣可以窄的材料吸收，這樣可以 最大限度的吸收太陽光能最大限度的吸收太陽光能 量，同時。由于各個子電量，同時。由于各個子電 池是串聯在一起的，總的池是串聯

44、在一起的，總的 開路電壓比單個電池高很開路電壓比單個電池高很 多，因而有可能大幅度提多，因而有可能大幅度提 高轉換效率高轉換效率。 疊層電池的轉換效率主要受光生電流的限制，疊層電池的轉換效率主要受光生電流的限制， 因此，疊層電池設計和實現的關鍵問題是合理因此，疊層電池設計和實現的關鍵問題是合理 選擇各子電池選擇各子電池i層的能隙寬度和厚度層的能隙寬度和厚度，以獲得最，以獲得最 佳電流匹配佳電流匹配，使轉換效率最大。，使轉換效率最大。 同時也要控制各個摻雜層的厚度，以減少其對同時也要控制各個摻雜層的厚度，以減少其對 入射光子的吸收，也減少光生載流子在這些缺入射光子的吸收，也減少光生載流子在這些缺

45、 陷密度較高的薄層中的復合損失。陷密度較高的薄層中的復合損失。 更重要的是各子電池之間有反型結存在，必須更重要的是各子電池之間有反型結存在，必須 制備隧穿結聯接。制備隧穿結聯接。 空間電荷區寬度：空間電荷區寬度：XD=xn+xp 根據電中性要求，空間電荷區總電荷為零：根據電中性要求，空間電荷區總電荷為零： qxnND=qxpNA 可得：可得： D AD A n X NN N x D AD D p X NN N x 根據半導體物理，可得：根據半導體物理，可得： 隧穿結即隧穿結即p+-n+結，結， 對于對于NA ND 對于對于ND NA, ) 1 )( 4 ( 0 D r DD Nq VX )(

46、2 ( 0 AD ADr DD NN NN q VX ) 1 )( 4 ( 0 A r DD Nq VX HIT太陽電池太陽電池 多晶硅薄膜太陽電池多晶硅薄膜太陽電池 薄膜多晶硅新技術還原硅片薄膜多晶硅新技術還原硅片 降低能耗降低能耗2/3，節省材料，節省材料2/3 多晶硅片多晶硅片 三氯氫硅三氯氫硅 西門子多晶硅西門子多晶硅重熔鑄錠重熔鑄錠切片切片 開發薄膜多晶硅片生產技術是社會發展的必開發薄膜多晶硅片生產技術是社會發展的必 然趨勢。然趨勢。 將集中力量開發薄膜多晶硅片生產技術及相將集中力量開發薄膜多晶硅片生產技術及相 應的電池組件生產技術。應的電池組件生產技術。 電池片制備工藝簡化電池片制

47、備工藝簡化 晶體硅片傳統方法：晶體硅片傳統方法： 薄膜硅簡化方法薄膜硅簡化方法 表面制絨表面制絨擴散擴散鈍化膜鈍化膜表面電極表面電極 表面電極表面電極鈍化膜鈍化膜表面電極表面電極1 2 異質襯底多晶硅薄膜制備技術異質襯底多晶硅薄膜制備技術 由于不同的襯底材料性質不同，制備籽由于不同的襯底材料性質不同，制備籽 晶層的方法也有所不同。晶層的方法也有所不同。 根據對各種襯底性能的分析比較以及目根據對各種襯底性能的分析比較以及目 前的非晶硅薄膜沉積工藝，普遍將籽晶前的非晶硅薄膜沉積工藝，普遍將籽晶 層的制備分為兩種類型：低溫工藝與高層的制備分為兩種類型：低溫工藝與高 溫工藝。溫工藝。 這也分別是我們研

48、究的玻璃襯底與石墨這也分別是我們研究的玻璃襯底與石墨 襯底所將采用的工藝。襯底所將采用的工藝。 低溫制備技術低溫制備技術 低溫制備技術主要應用于耐溫比較低的襯底低溫制備技術主要應用于耐溫比較低的襯底 ，比如普通玻璃等，通常制備溫度控制在，比如普通玻璃等，通常制備溫度控制在 1000以下。以下。 此類工藝通常需要先在襯底上采用低溫沉積此類工藝通常需要先在襯底上采用低溫沉積 方法制作一層非晶硅或者微晶硅，再利相關方法制作一層非晶硅或者微晶硅，再利相關 手段將薄膜轉化為多晶硅。手段將薄膜轉化為多晶硅。 在玻璃襯底上低溫沉積非晶硅的常用方法包在玻璃襯底上低溫沉積非晶硅的常用方法包 括磁控濺射和括磁控濺

49、射和PECVD 沉積。沉積。 l磁控濺射靶材可以根據不同需要進行調整，從磁控濺射靶材可以根據不同需要進行調整，從 而制備出本征硅薄膜或者各種類型及摻雜濃度的而制備出本征硅薄膜或者各種類型及摻雜濃度的 低阻硅薄膜。低阻硅薄膜。 lPECVD 沉積主要是利用硅烷在一定條件下（沉積主要是利用硅烷在一定條件下（ 襯底溫度約襯底溫度約300）裂解生成單質硅沉積在襯底）裂解生成單質硅沉積在襯底 上形成非晶或者微晶薄膜，摻雜可以通過沉積過上形成非晶或者微晶薄膜，摻雜可以通過沉積過 程中通入對應摻雜氣體實現。程中通入對應摻雜氣體實現。 u在低溫條件下將非晶硅薄膜轉變成多晶硅薄膜在低溫條件下將非晶硅薄膜轉變成多

50、晶硅薄膜 的方法包括：的方法包括： 低溫固態結晶法（低溫固態結晶法（500） 金屬誘導法，金屬誘導法，XeCl 準分子激光脈沖法。準分子激光脈沖法。 l 固態結晶法（固態結晶法（Solid Phase Crystallization， SPC） 也就是人們常說的也就是人們常說的“常規退火常規退火”，這種方法是將，這種方法是將 非晶硅薄膜放置在具有一定溫度的真空（或者惰非晶硅薄膜放置在具有一定溫度的真空（或者惰 性氣氛）環境中保持一段時間。性氣氛）環境中保持一段時間。 退火過程中晶界移動、薄膜晶粒逐漸長大，整個退火過程中晶界移動、薄膜晶粒逐漸長大，整個 過程中薄膜都保持在固相，所以這種方法被叫做

51、過程中薄膜都保持在固相，所以這種方法被叫做 固態結晶法。固態結晶法。 提高溫度或者延長退火時間都是有效提高固態結提高溫度或者延長退火時間都是有效提高固態結 晶效果的方法。晶效果的方法。 典型的退火過程時間一般為典型的退火過程時間一般為20 到到40個小時。個小時。 l金屬誘導結晶法（金屬誘導結晶法（Metal Induced Crystallization, MIC） 金屬誘導結晶法在近年來逐漸受到人們的關注，被認金屬誘導結晶法在近年來逐漸受到人們的關注，被認 為是制作多晶硅薄膜電池、平面顯示器、薄膜晶體管的為是制作多晶硅薄膜電池、平面顯示器、薄膜晶體管的 極具推廣潛力的方法。極具推廣潛力的方

52、法。 非晶硅薄膜的金屬誘導結晶是指當非晶硅薄膜與某種非晶硅薄膜的金屬誘導結晶是指當非晶硅薄膜與某種 金屬薄膜相接觸時，在一定的溫度條件下進行退火可以金屬薄膜相接觸時，在一定的溫度條件下進行退火可以 讓非晶硅薄膜轉變為多晶硅薄膜的方法。讓非晶硅薄膜轉變為多晶硅薄膜的方法。 常見的鋁、鎳、銅、銀、金等都可以用作金屬誘導結常見的鋁、鎳、銅、銀、金等都可以用作金屬誘導結 晶的材料，不同的材料所對應的金屬誘導結晶溫度各不晶的材料，不同的材料所對應的金屬誘導結晶溫度各不 相同，但一般都不超過相同，但一般都不超過1000，過程完成的退火時間，過程完成的退火時間 通常為幾十分鐘到幾個小時。通常為幾十分鐘到幾個

53、小時。 上世紀上世紀70 年代人們便已經展開對金屬誘導結晶的年代人們便已經展開對金屬誘導結晶的 研究，但是目前為止其機理仍然沒有比較完善的研究，但是目前為止其機理仍然沒有比較完善的 解釋。解釋。 比如金屬誘導結晶過程中的成核機制，以及宏觀比如金屬誘導結晶過程中的成核機制，以及宏觀 上發生的層交換等問題，都還需要更深入的探索上發生的層交換等問題，都還需要更深入的探索 和理解。和理解。 在應用推廣角度來看，金屬誘導結晶法所采用的在應用推廣角度來看，金屬誘導結晶法所采用的 材料以及設備是建立在現有的薄膜太陽電池生產材料以及設備是建立在現有的薄膜太陽電池生產 體系上的，比如非晶硅薄膜沉積時用到的磁控濺

54、體系上的，比如非晶硅薄膜沉積時用到的磁控濺 射或射或PECVD 系統。系統。 金屬層沉積時用到的真空蒸鍍設備或者粒子束輔金屬層沉積時用到的真空蒸鍍設備或者粒子束輔 助沉積系統也是太陽電池底電極制作時常用的設助沉積系統也是太陽電池底電極制作時常用的設 備備 l激光誘導結晶法（激光誘導結晶法（Laser Induced Crystallization，LIC） 近年來被逐漸應用到非晶硅晶化工藝過程中。近年來被逐漸應用到非晶硅晶化工藝過程中。 這種方法是利用聚焦的短脈沖激光束掃描非晶硅（這種方法是利用聚焦的短脈沖激光束掃描非晶硅（ 或者微晶硅）薄膜以達到加熱退火的目的?；蛘呶⒕Ч瑁┍∧ひ赃_到加熱退火

55、的目的。 掃描速率以及入射光的能量都會對退火效果產生影掃描速率以及入射光的能量都會對退火效果產生影 響，退火過程中處在掃描范圍內的薄膜可能處于液響，退火過程中處在掃描范圍內的薄膜可能處于液 相（完全熔化）或者固液混合相（部分熔化），這相（完全熔化）或者固液混合相（部分熔化），這 將影響最終結晶的晶粒大小。將影響最終結晶的晶粒大小。 值得注意的是，因為這種方法采用的是短脈沖激光值得注意的是，因為這種方法采用的是短脈沖激光 ，退火過程中襯底的溫度比薄膜的溫度低很多，這，退火過程中襯底的溫度比薄膜的溫度低很多，這 非常有利于減小襯底雜質向薄膜擴散。非常有利于減小襯底雜質向薄膜擴散。 高溫制備技術高溫

56、制備技術 多晶硅薄膜的高溫制備技術主要針對耐溫較高多晶硅薄膜的高溫制備技術主要針對耐溫較高 的襯底材料。的襯底材料。 與低溫制備技術不同的是，高溫制備選擇襯底與低溫制備技術不同的是，高溫制備選擇襯底 材料時除了價格外還需要重點考慮到以下問題材料時除了價格外還需要重點考慮到以下問題 ： （1）材料的物理性能、化學性質的穩定性（涉及）材料的物理性能、化學性質的穩定性（涉及 雜質擴散）；雜質擴散）； （2）襯底表面粗糙度與厚度均勻性；）襯底表面粗糙度與厚度均勻性； （3）熱膨脹系數（）熱膨脹系數（TEC）匹配性；）匹配性； u通?？晒┪覀冞x用的襯底包括：通常可供我們選用的襯底包括： 石墨、不銹鋼、陶瓷、硅廢料等。石墨、不銹鋼、陶瓷、硅廢料等。 相對低溫方法而言，高溫方法的沉積速率相對低溫方法而言，高溫方法的沉積速率 往往較快，適合高效率的工業化生產。往往較快，適合高效率的工業化生產。 但由于采用異質襯底，所以高溫沉積方法但由于采用異質襯底，所以高溫沉積方法 得到的硅薄膜晶粒也不會太大（通得到的硅薄膜晶粒也不會太大（通 常情況下不超過常情況下不超過5 微米）。微米）。 此外，還可以通過之前提到的沉積工藝在此外，還可以通過之前提到的沉積工藝在 耐高溫襯底上制作一層非晶硅，然后通過耐高溫襯底上制作一層非晶硅，然后通過 高溫條件的結晶方法來制備多晶