硅系太陽能薄膜電池的最新研究進展材料科學與工程學院1305班姓名0603130500摘要隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，太陽能電池的研制技術(shù)也在不斷提高。其中，硅系太陽能電池作為早期的發(fā)展重點，技術(shù)方面較為成熟，應(yīng)用較為廣泛。而近期興起的薄膜類電池更是在生產(chǎn)成本上具有較強優(yōu)勢。本文將重點介紹非晶硅薄膜電池、微晶硅薄膜電池以及多晶硅薄膜電池的最新研究進展。關(guān)鍵詞太陽能電池非晶硅薄膜微晶硅薄膜多晶硅薄膜一、引言由于能源限制和環(huán)境污染的壓力日益加劇，我國正在逐漸轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，積極探索可再生能源和新能源領(lǐng)域。其中，光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電的根本要素是太陽能電池，根據(jù)材料的不同，可以大致分為：硅系太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池。目前在這四類中發(fā)展最成熟的屬硅系太陽能電池。自20世紀50年代發(fā)明硅太陽能電池以來，太陽能光電技術(shù)中新工藝、新材料和新結(jié)構(gòu)都在不斷更新，但是從形態(tài)上來看，只劃分為兩大類：晶塊類和薄膜類。由于成本低、電耗低和用料少等優(yōu)點而廣受歡迎的薄膜硅太陽能電池，同樣也面臨著穩(wěn)定性差和效率低的問題。因此，我們應(yīng)該持續(xù)關(guān)注對薄膜硅太陽能電池的研究，努力提高其轉(zhuǎn)換效率。本文將主要介紹了三種硅系太陽能薄膜電池太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀，包括材料成分、制作工藝、研究進展、生產(chǎn)現(xiàn)狀等方面的內(nèi)容。二、硅太陽電池的基本工作機理太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導體p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)就是當光照射到p-n結(jié)上時，產(chǎn)生電子-空穴對，在半導體內(nèi)部p-n結(jié)附近生成的載流子沒有被復合而達到空間電荷區(qū)，受內(nèi)部電場的吸引，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，結(jié)果使n區(qū)儲存了過剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴。它們在p-n結(jié)附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢。當太陽光或其他光照射半導體的p-n結(jié)時，就會在p-n結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。三、國內(nèi)外有關(guān)于硅系薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀1976年。世界上第一個非晶硅太陽能電池由美國的RCA實驗室研制成功。目前，主要用來制備硅系太陽能電池的方法有化學氣相沉積法、濺射法、熱絲法和輝光放電法等等。其中較為成熟的制備途徑是輝光放電法。在材料方面，先后研究了寬度隙窗口層、梯度界面層、納米晶窗口層等。為了適應(yīng)實際應(yīng)用中高輸出電壓的需求，又發(fā)展了集成型硅薄膜太陽電池組件。另一方面，疊層電池的概念被提出，逐漸發(fā)展成為倍受關(guān)注的硅基薄膜太陽能電池。疊層電池是當下普遍認為最有潛力提高效率和穩(wěn)定性并同時降低生產(chǎn)成本的的硅系太陽能電池。在國際上，德國JuelichGmbH公司制備的微晶硅電池效率為10.3%，Oerlikon公司的非晶硅/微晶硅疊層電池穩(wěn)定效率為11.9%，Unisolar公司非晶硅/非晶硅鍺/微晶硅電池穩(wěn)定效率為12.5%。在國內(nèi)，南開大學研制的硅基薄膜太陽能電池的效率位于前列，單結(jié)非晶硅電池效率達到了9.37%，非晶硅/微晶硅疊層薄膜太陽電池的效率最高達到了11.79%。四、非晶硅太陽能薄膜電池（一）簡介非晶硅薄膜太陽能電池是利用非晶硅半導體材料不同襯底上沉積薄膜的一種薄膜電池。它的主要優(yōu)點有：易于大面積化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，適于大批量生產(chǎn)；能量返回期短，一般為1.5-2年；對低光強光有較好的適應(yīng)，充電效率高。目前，廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù)是等離子體化學氣相沉積法。（二）提高非晶硅太陽能薄膜電池轉(zhuǎn)換效率的方法非晶硅的禁帶寬度為1.7eV左右，最典型特點為呈短程有序性，也就是說是一種無規(guī)則的結(jié)構(gòu)。這種長程無序性決定了非晶硅固體處于亞穩(wěn)態(tài)，所以，非晶硅一般指的是非晶硅薄膜或者薄膜非晶硅。在制備非晶硅薄膜時需要通過摻入雜質(zhì)的方法，得到半導體部件，從而制備成為薄膜太陽能電池。1、采用疊層結(jié)構(gòu)大面積化生產(chǎn)的非晶硅電池組件的效率通常只有5%-7%，所以，單節(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率普遍較低。疊層太陽能電池最早在1994年被IMT小組提出，由于微晶硅的禁帶寬度為1.1eV左右，兩者用于疊層結(jié)構(gòu)是較為理想的搭配。1997年，效率超過10.0%的疊層電池問世了。在2004年，一家日本公司研制出了一種理論效率超過30.0%且穩(wěn)定效率超過9.0%的模塊。當前，這種大面積的a-Si/μ-Si疊層電池正在進行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2、同時采用陷光結(jié)構(gòu)疊層電池中通常會設(shè)計很薄的頂電池非晶硅層來獲得較高的穩(wěn)定性，所以，頂電池層短路電流密度常常較小，從而限制了疊層電池的短路電流密度。為了解決這個問題，IMT小組在1996年提出了一種新結(jié)構(gòu)，即在頂層電池和底層電池間引入了折射率與非晶硅和微晶硅都不相同的中間層。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在不增加電池厚度的情況下提高轉(zhuǎn)換效率。3、使用窗口層材料窗口層材料的光學帶隙較寬，因此光譜響應(yīng)范圍更大，可以提高電池的短路電流和開路電壓。目前非晶硅碳、非晶硅氧和微晶硅等是主要研究的材料。4、引入納米結(jié)構(gòu)光柵AAO模版是一種優(yōu)異的準周期納米結(jié)構(gòu)，將其一如使用后，可以大幅度提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率并降低生產(chǎn)成本，同時，在設(shè)備需求方面，AAO制作工藝相對簡單，因此可以批量化生產(chǎn)，應(yīng)用前景良好。（三）近期研究成果西班牙巴塞羅那大學在溫度低于150攝氏度的條件下利用HWCVD方法制備出轉(zhuǎn)換效率為4.6%的非晶硅薄膜光電池。日本三菱重工制成了1.4m×1.1m世界上面積最大的高效非晶硅薄膜太陽能電池,其轉(zhuǎn)換效率達到8%。目前,穩(wěn)定的單結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高達到9.5%。五、微晶硅太陽能薄膜電池微晶材料通常是指由非晶成分、晶粒、晶粒間界和空洞組成的混合相材料。摻雜微晶硅最早是1997年在日本通過加入氫氣制備而出的，后來人們逐漸將研究方向轉(zhuǎn)向了在太陽能電池中的應(yīng)用。微晶硅太陽能薄膜電池具有過渡層結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好等特點，配合非晶硅電池制備的疊層電池是目前較受關(guān)注的薄膜電池發(fā)展方向。研究表明，微晶硅材料具有與非晶硅材料相同的生產(chǎn)優(yōu)點，目前主要存在的問題是其生長速率較低，不利于降低生產(chǎn)成本。盡管當前有報道過器件質(zhì)量微晶硅材料的特性，但在電池方面基本上是用于構(gòu)成疊層電池，單獨作為薄膜電池使用的技術(shù)還不夠成熟。六、多晶硅太陽能薄膜電池（一）簡介多晶硅(pc-Si)薄膜是由許多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的。多晶硅薄膜由于其能對可見光進行有效吸收的優(yōu)點，比晶體硅更能提高光能的利用，因此被認為是近期薄膜電池中最理想的器件材料。與此同時，多晶硅薄膜因其高遷移率而可以進行大面積產(chǎn)業(yè)化，其廣闊的應(yīng)用前景也可見一斑。當前多用液相生長法、固相晶化法和化學氣相沉積發(fā)來制備多晶硅薄膜。理論和實驗都表明，多晶硅薄膜太陽電池有可能成為2l世紀比非晶硅更為優(yōu)越的民用太陽電池。因此，當前對多晶硅薄膜的研究是全世界共同關(guān)注的話題。低溫（<600℃）制膜技術(shù)1、固相晶化（SPC)法該制備方法的特點是非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結(jié)晶的溫度，優(yōu)點是能制備太面積的薄膜，可進行原位摻雜，成本低、工藝簡單、易于形成生產(chǎn)線。部分摻雜法、織構(gòu)襯底、金屬誘導固體晶化是主要用來改進的途徑。2、直接沉積多晶硅薄膜一般固相晶化的方法必須分兩步制備多晶硅薄膜，時間較長。如果沉積非品硅薄膜和熱處理不在同一系統(tǒng)中。則在轉(zhuǎn)移剛沉積的非晶硅薄膜的過程中，容易造成薄膜的氧化，或引入其它雜質(zhì)，這都會對薄膜的性能產(chǎn)生不良的影響。近幾年來，許多科研工作者都在探索不經(jīng)過退火過程，直接在同一系統(tǒng)制備多品硅薄膜的新技術(shù)。目前已見報道的主要有兩大類。第一類是熱絲化學氣相沉積（HWCVD）法，用HWCVD方法制備的多晶硅薄膜的晶粒尺寸約0.3~1.0μm，具有柱狀結(jié)構(gòu)，擇優(yōu)取向（110）晶面，可應(yīng)用于光伏打器件。但是由于鎢絲溫度很高。因此該制備方法對部分設(shè)備的耐熱要求較高。而且晶粒尺寸較小，也不適宜大面積均勻薄膜的制備，所以應(yīng)用范圍仍受很大限制。第二類則是選擇使用新的原材料，并且直接使用PECVD法用于制膜。七、結(jié)語由于受到歐債危機的影響，光伏產(chǎn)業(yè)從2010年起一直處于低迷狀態(tài)。受到原材料緊張限制的晶體硅電池成本持續(xù)上漲，使得薄膜硅材料越來越受到科研工作者的關(guān)注，提高薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率將成為振興光伏產(chǎn)業(yè)的重要途徑。硅系太陽能薄膜電池已經(jīng)發(fā)展了有一段時間，制備工藝相對成熟，可以在此基礎(chǔ)上進入更深一步的改良和更廣泛的應(yīng)用。同時，作為可以大量與建筑物結(jié)合的電池組件，薄膜硅電池具有更開闊的發(fā)展前景。目前，如何制作出低成本。高轉(zhuǎn)換率和長壽面的薄膜硅太陽能電池仍將是我們持續(xù)關(guān)注的話題。其中多晶硅太陽能薄膜電池由于無光致衰退的優(yōu)點，將成為未來薄膜硅電池發(fā)展的重中之重。參考文獻[1]黃創(chuàng)君，林璇英，林揆訓，余楚迎，姚若河。低溫制備高質(zhì)量多晶硅薄膜技術(shù)及其應(yīng)用。功能材料，2001,32(6):561。[2]張曉丹，趙穎，魏長春，孫建，趙靜，耿新華，熊紹珍。微晶硅材料和電池特性的相關(guān)研究。太陽能學報，2007,28(12):1304。[3]胡笑添，章少華。硅基薄膜太陽能電池發(fā)展研究及出路。人工晶體學報，2012,41(