硅薄膜太阳电池研究

注　疗赴■●　

瘟簿膜太阳电　研　

廖华刘祖明陈庭金　云南师范大学太阳能研究所昆明６５ＤＤ９２　

摘　要本文介绍了硅薄膜太阳电池的制备、研究现状及发展趋势。比较了非晶硅、多晶硅和单晶硅薄　

膜太阳电池的优缺点，阐明了其发展方向。指出多晶硅薄膜太阳电池具有最好的发展潜力和应用前景。　关键词硅薄膜太阳电池发展潜力应用前景　

ｌＮｖＥｓＴ｜ＧＡＴｌｏＮ　ｏＮ　ＳＩＬｌＣｏＮ　ＴＨ｜Ｎ　ＦｌＬＭ　ｓｏＬＡＲ　ｃＥＬＬＳ　

ＬｉａｏＨｕａ　ＬｉｕＺｕｍ｛ｎｑ　Ｃｈｅｎ　Ｔｉｎｇｊｉｎ　Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９２，Ｃｈｉｎａ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｈａｖｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏ几ｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｔｒｅｎｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｓｉｌｉｃｏｎ，　

ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎａｎｄｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｉｔ　ｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈａｔｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉＩｍ　ｓｏ｜ａｒｃｅｌｌｓｗｉｌｌｂｅｈａｖｅ　

ｍｏｒｅｐａｔｅｎｔｉａＩａｎｄｂｒｉｇｈｔｆｕｔｕｆｅｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｍ　ｓｏｌａ，ｃｅｌｌｓ　ｐｏｔｅｎｔｉａｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

０引言　

目前　太阳电池光伏发电技术越来越受到世界各　

国的极大关注。提高太阳电池的光电转换效率和降　低太阳电池成本，仍然是太阳电池研究的主要方向。　采用直接带隙跃迂，吸收系数大的半导体材料制作　

薄膜太阳电池能够大幅度降低材料的用量，是降低　太阳电池成本最有效的手段。具近些年来的研究表　

明，已获得好的研究成果的薄膜太阳电池是：碲化镉　

（ＣｄＴｅ）、铜铟硒（ＣｕｌｎＳｅ　）、砷化镓（ＧａＡｓ）和硅薄　膜太阳电池等。　

ＣｄＳ－ＣｄＴｅ薄膜太阳电池达到了近商业化应用的　程度。该电池可以用电沉积、高速蒸发等低成本的生　

产工艺和技术制造，具有较好的应用前景。目前组件　的效率超过　，实验室器件的效率为１６％。然而，大　

规模使用ＣｄＴｅ光伏技术的一大问题和Ｃｄ的毒性　有关。有效地处理废弃和破损的ＣｄＴｅ组件，技术上　

很简单。而Ｃｄ是重金属．有毒，Ｃｄ的化合物与Ｃｄ　

一样有毒。主要危险是其尘埃通过呼吸造成对人类　和其它动物的危害。因此对破损的玻璃　

片上的Ｃｄ和Ｔｅ应去除并回收。损坏或　废弃的组件必须妥善处理或用６０％　Ｈ２Ｓｏ　＋１　５％Ｈ　：处理。　

ＣｕｌｎＳｅ　薄膜通常采用真空蒸发的方　

法制备。ＣｄＳ／Ｃｕｌｎ｛Ｇａ）Ｓｅ　薄膜太阳电　池经过多年的研究开发，ＣｄＳ／ＣｕｌｎＳｅ　

薄膜太阳电池已经开始进行商业化试生　产，组件的稳定效率达１１％。而ＣｄＳ／　ＣｕｌｎＧａＳｅ　太阳电池的效率达到了　８％　（接近多晶硅太阳电池的效率）。但存在　

的最大问题是全世界铟资源有限，能否　满足该太阳电池的大规模生产的要求仍　

然有疑问，同时也存在镉的污染问题。　维普资讯 http://www.cqvip.com 疗业●●　立足北京放眼全球艘好观在把＿嚣　

硅在自然界中储量丰富（硅是地球上储量第二　太元素），而且无毒、无污染，是人们研究最多，技术　

最成熟的材料。可以采用硅烷气体的辉光放电分解　沉积制备非晶态硅，并通过改变反应气体组分就可　

以方便地生长各种导电类型的硅薄膜材料，实现ｐｉｎ　和各种叠层结构的电池，节省了许多工序，便于实现　

太面积、全自动化连续生产。硅薄膜太阳电池的厚度　可以薄到１　２０微米，只有目前晶体硅太阳电池厚度　

（２００　３００微米）的１／１０左右。这样，太阳电池硅材料　的用量就可　太大降低，能够有效的降低太阳电池　

的成本．进一步促进太阳电池的太规模生产及应用。　本文主要阐述硅薄膜太阳电池的研究现状及其未来　

的发展。　

１硅薄膜太阳电池的制备及其现状　

目前的硅　薄膜太阳电池　

有非晶硅薄膜　

ｃ　ａ—Ｓｉ：Ｈ】、多　晶硅薄膜　（ｐｏｌｙ—Ｓｉ，也包　

括ｎｃ—Ｓｉ及　ｕ　ｃ—Ｓｉ）和单晶　

硅　薄　膜　（ＩｎＯＨＯ—Ｓｉ）太　

阳电池三种。　７．７非晶硅　

薄膜太阳　电池　

非晶硅薄　

膜可以在低温　光注八所及的整个范围内尽量布满电场，故采用Ｐ—　

ｒｎ型的电池结构。其中ｉ为本征层，处在Ｐ和ｎ产　

生的整个内建电场中。　ａ～Ｓｉ：Ｈ薄膜的制备通常用气相沉积形成。如辉　

光放电分解（ＧＤ）、溅射法（ＳＰ）、光化学气相沉积　（ｐｈｏｔｏ—ＣＶＤ】和热丝化学气相沉积（Ｈｗ—ＣＶＤ】　

等。而非晶硅薄膜太阳电池的制备通常采用硅烷　（Ｓｉｌ　）的辉光放电分解法。它是通过Ｓｉｌ　的辉光放　电分解：即ＳｉＨａ－＋Ｓｉ＋２Ｈ　（，分解形成的硅在衬底材料　上沉积形成ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜。如果在原料气体Ｓｉｌ　中加　

八硼烷（　Ｈ　），即可获得Ｐ型非晶硅（ｐａ～Ｓｉ：Ｈ），如　果在原科气体Ｓｉｌ　中￣３Ｄ７，磷烷（ＰＨ　），即可获得ｎ　

型非晶硅ｃ　Ｈａ—Ｓｉ：Ｈ）。这样就可　制备出ｐ—ｉ—ｎ非　

晶硅薄膜太阳电池。ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜的质量与沉积条件　

下沉积，选用廉价的衬底材料，如：玻璃、不锈钢或者　是塑料类的柔性材料。但是，纯粹的ａ—ｓｉ薄膜含有大　量的结构缺陷，并造成费米能级的钉扎，从而使ａ—ｓ　

材料没有杂质的敏感效应，难于通过掺杂形成Ｐ型　或ｎ型。１９７５年，Ｓｐｅａｒ等人…利用硅烷（Ｓｉｌ　）的直　

流辉光放电技术制备了ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜，Ｈ补偿了悬挂　键等缺陷态，才能对ａ—Ｓｉ：Ｈ进行掺杂。１９７６年，　

Ｃａｄｓｏｎ和Ｗｒｏｎｓｋｉ制备出第一个效率为２　４％的非　晶硅薄膜太阳电池　Ｉ，立即在全世界范国内掀起对非　

晶硅薄膜太阳电池的研究热潮。由于ａ—Ｓｉ：Ｈ中少子　迁移率很低，寿命短，为了使太阳电池中光生载流子　

能够有效地被收集，就要使ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳电池中　有关，一般来　

说，衬底温度Ｔｓ　约２００（Ｃ，反应　

气体压力为　６０Ｐａ一９０Ｐａ．辉　光放电功率密　

度约２００ＷＡｎ　一　５００ＷＡｎ　，可以　

获得较好的薄　膜质量。　

非晶硅薄膜　可　在较低的　

温度下沉积，所　

可　使用廉　价的衬底材料，　容易实现工业　

化太面积生产，有利于降低太阳电池的成本，自从其　问世　来发展迅速。然而非晶硅薄膜太阳电池存在　

严重的光致衰退效应，这一效应使得非晶硅薄膜太　阳电池光电转换效率在光照后严重衰退，使初始的　

效率降低１０％　３０％，长期　来成为非晶硅太阳电池　

应用的主要障碍。主要认为是ａ—Ｓｉ：Ｈ材料结构中存　在一种光致亚稳变化效应，光照使ａ—Ｓｉ：Ｈ材料中产　

生悬挂键等亚稳缺陷态，这种缺陷态在电池中起复　合中心作用，从而降低材料和电池的性能。为了提高　

非晶硅薄膜太阳电池的稳定效率，各国投八了大量　的人力、物力进行了大量的研究工作。其中在薄膜制　备中进行了一些技术改进，如氘（Ｄｚ）稀释技术ｉ　，　

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即用Ｈ的同位素Ｄ：代替Ｈ　，可得到ａ—Ｓｉ：Ｄ薄膜，　提高了太阳电池的填充因子和稳定性　在原料气体　

中加八ＳｉＦ　气体　，在沉积过程中Ｆ会腐蚀掉薄膜中　的ｓ　ｓ　弱键和ｓ　一Ｈ弱键，获得较低缺陷态的ａ—ｓ　：　Ｈ薄膜，也是提高太阳电池的稳定性；Ｈ　稀释技术　

，利用足够的　产生大量的氢原子团，在薄膜沉积　

过程中腐蚀消除ｓ　一ｓ　弱键及增加生长表面的均匀　性，改进电池性能，提高稳定效率。另外，采用一些新　

的太阳电池结构来改进电池性能，提高电池稳定性。　如ａ　ｓ　ｃ—Ｓｉ和ａ—Ｓｉ￣ｏｌｙ—Ｓｉ太阳电池，用（ｃ　，　

ｐｏｌｙ—Ｓｉ的稳定性代替非　

晶硅太阳电池中的ｉ层，同　时ｆｃ—Ｓｉ，ｐｏｌｙ—Ｓｉ的带隙低　

于ａ—ｓ－带隙，因而将扩展　电池的光谱响应。获得了　

ａ—ｓＲｃ—Ｓｉ太阳电池的效　率达１３１％ｉ　。日本Ｓｕｎｙｏ　

公司用薄本征层异质结太　阳电池结构（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃ—　

ｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｉｎｓｔｒｉｎｓｉｃ　Ｔｈｉｎ　ｌａｙｅｒ，ＨＩＴ）　，制备了ａ—ｓ　

ｐｏｌｙ—ＳＶ　ａ—ｓｉ结构的太阳　

电池，效率已达２０％。采用　不锈钢衬底形成ＩＴＯ／ｐ—　

ｉ—ｒ币一ｉ—Ｉ坤一ｉ—ｒ，／ＺｎＯ／Ａ　不锈钢，获得初始效率为　

ｉ４　６％ｌ８Ｊ（Ｖｏｃ　２．３５７ｖ，　

Ｊｓｃ：８　５７ｍＡ／ｃｍ２．ＦＦ＝　７２．３％），稳定效率为１３％　（Ｖｏｃ＝２．２９４ｖ，Ｊｓｃ　８．２７ｍＡ／　ＣＥｉｌ：，ＦＦ＝６８．４％）的三叠层　硅薄膜太阳电池。　后用激光加热晶化　０或固相结晶　”０等多种方法形成，　衬底可以采用玻璃甚至是塑料类的柔性材料，但生　

长的薄膜结晶性差，晶粒很小（ｎｌＴｌ量级）。也可以直　

接在高温下生长形成多晶硅薄膜，生长温度较高［＞　１０００￣Ｃ），ｓ１的沉积速率约为５ｎｍｄｎｉｎ。生长温度高　

就需要选择耐高温的衬底材料，目前通常用低质量　的硅、石墨或陶瓷材料。由于在高温下生长薄膜，获　

得的多晶硅薄膜具有较好的结晶性，晶粒尺寸较大。　但是目前仍然未找到具有优良特性而价格低廉的衬　

底材料　。为了寻求较好的衬底材料，德国的Ｆｒａｕｎ　

Ｔ．２多晶硅薄膜太阳电池　多晶硅薄膜是由在衬底上生长的具有不同晶粒　

取向的很多小晶粒组成。已经形成结晶态的多晶硅　薄膜比ａ—ｓｉ具有更好的稳定性能。实验证明，用（ｃ—　

ｓ　和ｐｏｌｙ—Ｓｉ薄膜代替ａ—ｓｉ薄膜作为太阳电池的活　性层制备的薄膜太阳电池，在长期的光照下材料及　电池性能没有任何衰退现象。因此，晶化多晶硅薄膜　

太阳电池是实现高稳定、高效率、低成本最有前途的　方法　因而成为目前国际光伏界研究的热点。　

多晶硅薄膜可以在低温下沉积（６００￣（２以下），随　ｈｏｆｅｒ太阳能研究所，中科院　

广州能源所在进行颗粒硅带　作为衬底材料的研究；低纯　

度的冶金级硅为衬底材料的　多晶硅薄膜太阳电池研究，　

云南师范大学太阳能研究所　

也在开展以陶瓷硅作为衬底　

材料及其多晶硅薄膜太阳电　池的研究。　低温过程制备多晶硅薄　

膜太阳电池，一般还是采用　ＣＶＤ方法，如ＶＨＦ—ＰＥＣＶＤ　『ｌ　沉积多晶硅薄膜，制备类似　

于ａ—Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳电池Ｐ—　ｉ－ｎ结构的多晶硅薄膜太阳　

电池，电池效率达８　５％¨　。　Ｋａｎｏｋａ公司采用称为ＳＴＡＲ　

结构的太阳电池（Ｓｕｒｆａｃｅ　

Ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ａｂ－　ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｂａｃｋ　Ｒｅｆｌｅｃ—　ｔｏ／＂）…，在太阳电池上制备了　

有效的光陷阱和表面织构，获得了１．２ｃｍ　面积的多　

晶硅薄膜太阳电池效率为１０．１％。热丝ＣＶＤ方法　制备多晶硅薄膜，沉　

积速率达Ｏ　８（ｎｒｔｎｉｎ，衬底温度５５０—６５０＇Ｃ，在塑料衬　底上获得的电池效率为６．３％ｆ　。由于低温沉积的薄