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薄膜硅太阳能电池的研究状况作者：訾威王辉摘要：薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。
本文主要总结了提高薄膜硅太阳能电池效率的主要技术与进展，如TCO技术、窗口层技术、叠层电池技术和中间层技术等，这些技术用在产业化中将会进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。
一引言在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。
光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。
当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。
薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。
但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。
为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本。
本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电池的研究现状。
二、提高薄膜硅太阳能电池效率的措施提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；提高电池的开压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（µc-Si）的开压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。
提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究3张晓丹 赵 颖 高艳涛 陈 飞 朱 锋 魏长春 孙 建 耿新华 熊绍珍(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,天津 300071)(南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,天津 300071)(2006年3月29日收到;2006年8月15日收到修改稿) 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列微晶硅薄膜太阳电池,指出了气体总流量和背反射电极的类型对电池性能参数的影响.电池的I 2V 测试结果表明:随反应气体总流量的增加,对应电池的短路电流密度、开路电压和填充因子都有很大程度的提高,结果使得电池的光电转换效率得以提高.另外,ZnO ΠAg ΠAl 背反射电极能明显提高电池的短路电流密度,进而也提高了电池的光电转换效率.对气体总流量和背反射电极类型影响电池效率的原因进行了分析.关键词:微晶硅薄膜太阳电池,气体流量,ZnO ΠAg ΠAl 背反射电极PACC :8630J ,8115H ,7360F3国家重点基础研究发展规划(批准号:G 2000028202,G 2000028203)、国家自然科学基金(批准号:60506003)、天津市自然科学基金(批准号:05Y F JM JC01600)、科学技术部国际合作计划(批准号:2005197)和教育部新世纪优秀人才支持计划资助的课题. E 2mail :xdzhang @11引言微晶硅薄膜太阳电池已成为硅基薄膜太阳电池的研究热点[1—3].这是由于微晶硅薄膜太阳电池与非晶硅薄膜太阳电池组成叠层电池可充分地利用太阳光谱,使得电池的光电转换效率提高.要获得更高效率的非晶硅Π微晶硅叠层电池[4],制备出高效率的单结微晶硅薄膜太阳电池是前提条件之一.在国外,单结微晶硅太阳电池的效率虽然已接近10%[5],但有许多问题尚未解决.在国内,经过近几年的研究,对微晶硅材料的认识已逐步深入[6—10],同时在微晶硅薄膜太阳电池的研究方面也取得了一定的成果[11,12].本文主要通过改变气体总流量和背反射电极的类型,研究制备微晶硅薄膜太阳电池性能参数的变化规律,为进一步提高微晶硅薄膜太阳电池的效率提供依据.21实 验实验中所有电池都是在辐射型多功能化学气相沉积系统(cluster C VD )中制备.实验的本底真空保持在5.0×10-6Pa 左右.其中电池中的p 层和i 层所用的激发频率为60MH z ,而n 层采用的是射频(13.56MH z )激励源.每个硅烷浓度系列电池中的p 层和n 层的条件都固定不变.电池有源i 层硅烷浓度的变化范围为4%—515%.B 系列电池有源i 层的气体总流量是A 系列电池的2.4倍,其他条件相同.电池的结构是p 2i 2n 型,电池的I 2V 特性测试所用光强为AM115(100mW Πcm 2).电池的厚度通过X p 22型台阶仪测试.31结果及讨论3111气体总流量对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响 图1给出了两个不同硅烷浓度系列(4%—515%),在辉光功率和气体压力相同而流量不同的条件下制备微晶硅薄膜太阳电池各性能参数测试结果.电池的基本结构是玻璃Π氧化锌Π微晶硅p 层Π微晶硅i 层Π非晶硅n 层Π铝.A 系列电池的厚度小于第55卷第12期2006年12月100023290Π2006Π55(12)Π6697204物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.55,N o.12,December ,2006ν2006Chin.Phys.S oc.110μm ,B 系列电池的厚度都在1.2μm 左右.从图1(a )可以看出:总的趋势是电池的开路电压V oc 随硅烷浓度的增加而逐渐增加,相同的硅烷浓度条件下,随气体总流量增大对应电池的开路电压V oc 提高.这样的结果来源于材料的结构变化,即材料的晶化程度随硅烷浓度或气体流量的增加而逐渐减小.从图1(b )短路电流密度J sc 的结果也可看出,流量增大对应电池的短路电流密度J sc 增大,原因是由于流量增大制备的电池质量得到了改善.实际上,电池的短路电流密度J sc 与电池厚度有一定关系[13].由于B 系列电池的厚度比A 系列电池的厚度大,因此,一定程度上也提高了电池的短路电流密度J sc .图1(c )表明,随气体流量的增加,对应电池的填充因子也得到了改善.由此可见,气体总流量增大后电池的各个性能参数都得到了明显改善,结果使得电池光电转换效率得到了很大提高.在没有使用ZnO ΠAg 背反射电极的情况下,电池的效率达到了7.1%. 实际上,气体流量增加后主要是减少了反应物图1 不同流量条件下电池开路电压(a )、短路电流密度(b )、填充因子(c )和转换效率(d )随硅烷浓度的变化在反应室里的滞留时间τres ,而滞留时间τres 与电极面积A 、电极间距离d el 、沉积气压p dep 和气体总流量f total 有关[14],τres =Ad el p depf total p 0,式中p 0为标准大气压.气体滞留时间的减少,降低了高硅烷产生概率,这样反应室中的气体就比较新鲜,结果提高了制备电池的质量,从而表现为各个性能参数都得到了提高.3121背反射电极对微晶硅薄膜太阳电池性能的影响作为微晶硅薄膜太阳电池的背反射电极,在很大程度上决定着器件的性能[15].常用的背反射电极是Ag ,Al 以及ZnO 与它们的组合.图2给出了采用两种不同的背反射电极制备电池的I 2V 特性曲线,其中ZnO ΠAl 背反射电极是采用溅射的方法制备ZnO 后再热蒸发Al.从图2可以看出,采用ZnO ΠAl背反射电极后,电池的短路电流密度得到了大幅度的提高,从1915mA Πcm 2增加到了23mA Πcm 2.这说明采用ZnO ΠAl 背反射电极后,增强了光在有源层中的吸收,使得电池的短路电流密度得以提高.从图2还可以看出,电池的背反射电极采用ZnO ΠAl 时,其填充因子降低.这是由于采用溅射技8966物 理 学 报55卷图2 采用ZnOΠAl和Al背反射电极制备电池的I2V曲线 曲线a为ZnOΠAl背反射电极,曲线b为Al背反射电极术制备ZnO薄膜过程中,离子轰击使电池的iΠn结特性变差所致.为此,采用金属有机物化学气相沉积方法制备了ZnO背反射电极,为进一步提高电池的短路电流密度,又热蒸发了Ag背反射电极.图3给出了Al背反射电极和ZnOΠAgΠAl背反射电极制备电池的I2V特性测试结果.从图3中可以看出, ZnOΠAgΠAl背反射电极的使用,明显地提高了电池的开路电压和短路电流密度,最终使电池的光电转换效率达到了817%.图3 采用ZnOΠAgΠAl和Al背反射电极制备电池的I2V曲线—□—为ZnOΠAgΠAl背反射电级,—●—为Al背反射电极图4 高效率微晶硅薄膜太阳电池的I2V曲线(背反射电极为ZnOΠAgΠAl)3131高效率微晶硅太阳电池的制备通过以上分析可知,气体流量和背反射电极对微晶硅薄膜太阳电池的性能有很大的影响.在上述参数综合优化的基础上,采用溅射腐蚀的ZnO薄膜作为前电极、在气体流量为240cm3Πmin、背反射电极为ZnOΠAgΠAl的情况下,获得了光电转换效率达912%的单结微晶硅薄膜太阳电池.从图4可以看出,电池的短路电流密度Jsc达到了2615mAΠcm2、开路电压Voc为0155V、填充因子为63%.41结 论采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了系列微晶硅薄膜太阳电池.结果表明:反应气体总流量增加,即反应物在反应室中滞留时间的减小,有利于提高微晶硅薄膜太阳电池的各个性能参数,结果使得电池的光电转换效率得到了提高.另外,与Al电极和ZnOΠAl电极相比,ZnOΠAgΠAl背反射电极很大程度地提高了电池短路电流密度,与此同时,还能使其他的性能参数保持不变或有所提高,从而明显地提高了电池的光电转换效率.通过对各个参数的综合优化,获得了光电转换效率达912%的单结微晶硅薄膜太阳电池.996612期张晓丹等:提高微晶硅薄膜太阳电池效率的研究[1]Shah A,M eier J,Vallat2Sauvain E et al2002Thin Solid Films403—404179[2]Saitoh K,Ishiguro N,Y anagawa N et al1996J.Non2cryst.Solids198—2001093[3]Rech B,R oschek T,Muller J et al2001Solar Energy Mater.SolarCells66267[4]M eier J,Dubail S,G olay S et al2002Solar Energy Mater.SolarCells74457[5]M ai Y,K lein S,Carius R et al2005J.Appl.Phys.97114913[6]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Appl.Sur f.Sci.2451[7]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Acta Phys.Sin.54445(inChinese)[张晓丹、赵 颖、朱 锋等2005物理学报54445] [8]Zhu F,Zhang X D,Zhao Y et al2004Chin.J.Semicond.251700(in Chinese)[朱 锋、张晓丹、赵 颖等2004半导体学报251700][9]G ao X Y,Li R,Chen Y S et al2006Acta Phys.Sin.5598(inChinese)[郜小勇、李 瑞、陈永生等2006物理学报5598] [10]Zhou B Q,Liu F Z,Zhu M F et al2005Acta Phys.Sin.542173(in Chinese)[周丙卿、刘丰珍、朱美芳等2005物理学报542173][11]Zhang X D,Zhao Y,G ao Y T et al2005Acta Phys.Sin.541899(in Chinese)[张晓丹、赵 颖、高艳涛等2005物理学报541899][12]Zhang X D,Zhao Y,Zhu F et al2005Chin.J.Semicond.2652(in Chinese)[张晓丹、赵 颖、朱 锋等2005半导体学报2652[13]Vetterl O,Lambertz A,Dasgupta A et al2001Solar Energy Mater.Solar Cells66345[14]R oschek T,Rech B,Muller T et al2004Thin Solid Films451—452466[15]K eppner H,M eier J,T orres P et al1999Appl.Phys.A69169Inve stigation of improved conversion efficiency of microcrystallinesilicon thin film solar cells3Zhang X iao2Dan Zhao Y ing G ao Y an2T ao Chen Fei Zhu Feng W ei Chang2ChunSun Jian G eng X in2Hua X iong Shao2Zhen(Institute o f Photo2electronic Thin Film Devices and Technology,Nankai Univer sity,Tianjin 300071,China)(K ey Laboratory o f Photo2electronic Thin Film Devices and Technology o f Tianjin,Nankai Univer sity,Tianjin 300071,China)(Received29M arch2006;revised manuscript received15August2006)AbstractA series of m icrocrystalline silicon thin films solar cells were fabricated by very high frequency plasma enhanced chem ical vapor deposition at different total gas flow rates and on different back reflectors.The results of I2V measurements of solar cells showed that the characteristic parameters of solar cells were all im proved w ith the increase of total flow rate,so conversion efficiency of solar cells were increased.In addition,short circuit current(J sc)of solar cells was greatly reduced,as a result, conversion efficiency of solar cells were im proved when ZnOΠAgΠAl back reflector were incorporated into solar cells.The details can be seen in the paper.K eyw ords:m icrocrystalline silicon thin film solar cells,total gas flow rate,ZnOΠAgΠAl back reflectorPACC:8630J,8115H,7360F3Project supported by the S tate K ey Development Program for Basic Research of China(G rant N os.G2000028202,G2000028203),the National Natural Science F oundation of China(G rant N o.60506003),the Natural Science F oundation of T ianjin,China(G rant N o.05Y F JM JC01600),the InternationalC ooperation Program of M inistry of Science and T echnology,China(G rant N o.2005197)and the Program for the New Century Excellent T alents inUniversity of M inistry of Education,China.E2mail:xdzhang@0076物 理 学 报55卷。
薄膜电池市场发展预测［２］。
预计到２０１０年，ａ－Ｓｉ、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅ三种电池将分别占有薄膜光伏市场的６０％、２０％和２０％［２］。
可见，硅基薄膜电池在中长期发展阶段仍将占据薄膜光伏市场的主导地位。
本文将重点介绍硅基薄膜太阳电池的发展现状及其未来发展趋势。
硅基薄膜太阳电池研发现状硅基薄膜太阳电池的第一代技术——非晶硅太阳电池的单条生产线规模已达到２０～４０ＭＷ（Ｋａｎｅｋａ２０ＭＷ， Ｕｎｉ－Ｓｏｌａｒ ２５ＭＷ，ＡＭ４０ＭＷ），产品稳定效率达到５％～７％。
国际上硅薄膜太阳电池主要生产厂商及产量如表１所示［２］，各个公司所采用的电池技术如表２所示［１］。
从表１看出，２００６年全球硅薄膜电池产能总和已经达到２００ＭＷ，２００７年预计达到３５０ＭＷ。
从表２看出，目前大部分硅薄膜电池厂商的产品还是以第一代非晶硅电池为主，但是已经有不少传统硅薄膜电池公司开始第二代非晶硅／微晶硅叠层电池技术产业化和设备的研发（Ｃａｎｏｎ，ＳＡＮＹＯ，ＳＨＡＲＰ，ＵＮＡＸＩＳ ｓｏｌａｒ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｏｌａｒ），计在不远的将来第二代硅薄膜电池生产线就会登场。
中国非晶硅电池新增产能５０（津能８ ＭＷ，广东中山１０ ＭＷ，福建泉州１０ ＭＷ，宁波慈溪５ ＭＷ，北京世华１０ ＭＷ，山东蓝星５ ＭＷ，山东东营２．５ＭＷ）。
为了进一步提高效率和稳定性，发展了硅基薄膜电池的第二代技术——微晶硅薄膜电池。
和非晶硅电池相比，微晶硅具有两大优点，一是微晶硅具有类似于单晶硅的低光学带隙，因此可明显拓展长波光谱响应，从而实现高的电流密度；二是具有图３ 图２ 全球薄膜电池发展趋势预计：２０２０年总产量３４ＧＷ，其中薄膜电池７．５ＧＷ（２２％） ２０３０年总产量３８０ＧＷ，其中薄膜电池１３３ＧＷ（３５％）国之一。
硅薄膜太阳能电池的制备及性能研究太阳能是一种清洁、安全的可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的优势。
而太阳能电池则是将太阳能转换成电能的关键设备，它的高效、稳定性能对太阳能利用的效率具有重要意义。
在太阳能电池的种类中，硅薄膜太阳能电池因其具有较高效率和低成本而备受关注。
硅薄膜太阳能电池制备的关键在于硅薄膜的制备。
它相对于传统的硅片太阳能电池，在工艺上更为简单，因而成本更低。
当然，硅薄膜太阳能电池的转换效率较低仍是制约它普及的重要因素。
硅薄膜太阳能电池一般采用热处理硅基底或化学气相沉积硅基底，然后在硅基底上涂覆非晶硅或微晶硅成薄膜。
在硅薄膜太阳能电池的制备中，硅薄膜材料的选择起到了关键的作用。
传统硅片太阳能电池一般采用单晶硅或多晶硅作为材料，然而这些材料在制备过程中存在高耗能、大污染等问题。
相比之下，硅薄膜太阳能电池采用的是非晶硅或微晶硅等材料，其耗能和污染程度要小很多，因而在加工过程中更加环保。
并且硅薄膜太阳能电池还具有更高的光吸收系数，能够将更多的太阳能转换成电能。
然而，硅薄膜太阳能电池也存在一些缺陷，主要表现在电池转换效率与稳定性上。
目前，硅薄膜太阳能电池的转换效率仍然比起传统的硅片太阳能电池要低。
其次，由于硅薄膜材料的特性使得硅薄膜太阳能电池存在长时间使用后效率下降等稳定性问题。
因此，硅薄膜太阳能电池制备及性能研究显得尤为重要。
如何提高硅薄膜太阳能电池的转换效率和稳定性？一个常见的方法就是采用多层硅薄膜结构。
与单层结构相比，多层结构具有更好的光吸收能力、更高的电池转换效率以及更好的稳定性等优势。
同时，多层结构还能够通过设计和优化材料参数，进一步提高硅薄膜太阳能电池的性能和稳定性。
除了多层硅薄膜结构外，提高硅薄膜太阳能电池的转换效率还可以通过设计和优化电池中各个层面的结构和材料参数。
例如，可以通过选择合适的透明电极、提高电子传输效率、充分利用光的吸收等措施，进一步提高硅薄膜太阳能电池的效率。
同时，还需要通过优化电池材料组成、表面形貌、界面结构等方面，提高硅薄膜太阳能电池的稳定性。
太阳能电池用硅材料的研究现状与发展趋势一、本文概述随着全球能源结构的转型和环保意识的日益增强，可再生能源的开发和利用已经成为当今世界的重要议题。
其中，太阳能作为一种清洁、无污染、可持续的能源形式，受到了广泛关注。
太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键设备，其性能与材料的选择密切相关。
硅材料因其优异的半导体性能、丰富的储量以及相对成熟的生产工艺，成为了太阳能电池的主流材料。
本文旨在探讨硅材料在太阳能电池领域的研究现状，分析其在不同应用场景下的性能特点，并展望其未来的发展趋势。
本文将对硅材料的基本性质进行介绍，包括其晶体结构、电子特性以及光学性质等，为后续的研究提供理论基础。
我们将详细分析当前硅材料在太阳能电池中的应用现状，包括不同类型的硅太阳能电池（如单晶硅、多晶硅、非晶硅等）的优缺点、制造工艺以及光电转换效率等方面的内容。
我们还将探讨硅材料在柔性太阳能电池、异质结太阳能电池等新型电池技术中的应用前景。
在此基础上，本文将深入探讨硅材料研究的最新进展，包括纳米硅材料、硅基复合材料以及表面改性技术等新型硅材料的开发与应用。
这些新技术和新材料的出现，为硅太阳能电池的性能提升和成本降低提供了新的可能性。
我们将对硅材料在太阳能电池领域的发展趋势进行展望，探讨未来硅材料研究的方向和重点，以期为推动太阳能电池的持续发展和广泛应用提供参考。
二、硅材料的性质及其在太阳能电池中的应用硅是一种半导体材料，具有独特的电子结构，使其成为太阳能电池的理想选择。
硅的禁带宽度适中（约为1电子伏特），可以吸收可见光及近红外光区的太阳光，使其具有较高的光电转换效率。
硅材料还具有丰富的储量、良好的稳定性和相对较低的成本，这些因素使得硅成为商业化太阳能电池中最广泛使用的材料。
硅材料主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种类型。
单晶硅具有最高的光电转换效率，但成本也相对较高；多晶硅成本较低，效率略低于单晶硅；非晶硅则以其低廉的成本和易于大规模生产的特性而受到关注，但其光电转换效率相对较低。
微晶硅薄膜电池的发展现状及制备技术研究作者：程华赵新明来源：《科技资讯》2016年第33期摘要：微晶硅薄膜能够克服非晶硅与多晶硅不足，在光照条件下性能稳定，禁带宽度较低，具有良好的光电转化效率，因此微晶硅薄膜电池是一种非常具有发展前景的薄膜电池。
该文综述了微晶硅薄膜电池的发展过程，总结了微晶硅薄膜的制备方法，并根据国内外研究成果，分析了提高微晶硅薄膜转化效率的技术发展方向。
关键词：微晶硅薄膜发展现状制备技术中图分类号：O469 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（c）-0038-021 微晶硅薄膜电池的发展过程实际上，在太阳能电池中，很薄的半导体膜就能够满足吸收太阳光能量的需要。
以硅材料为例，在太阳光谱峰值500～600 nm附近，吸收系数值为100/cm数量级，而非晶硅对太阳光具有强烈的吸收能力，从原理上讲只需要厚度为0.5～1 μm的硅膜，就能够实现对绝大部分能量的吸收。
因此，为了降低制备块体硅太阳能电池的成本，人们先后研制出了非晶硅以及多晶硅薄膜电池。
但是随着研究的逐渐深入，人们发现非晶硅薄膜电池的转化效率较低，且存在光致衰退效应，多晶硅薄膜的晶粒尺寸要达到100 μm以上时才具有良好的性能，而大晶粒、转化效率高的高质量多晶硅薄膜的生产工艺比较复杂。
基于这种情况，人们开始了微晶硅薄膜电池的研究。
其实，微晶硅薄膜早在1968年就首次由Veprek和Marecek采用CVD方法沉积出来了，但是很长一段时间微晶硅薄膜并没有得到重视。
直到1993年，IMT团队（瑞士）研究发现，利用微晶硅作为p-i-n电池的i层（本征层）时，可以有效提高太阳能电池的效率；1994年，Yamamoto小组和Meier小组都通过研究得出结论：当薄膜具有微晶组织时，也具有良好的性能。
这一研究成果，促进了各国科研人员对微晶硅薄膜电池的研究。
1998年，Yamamoto等人研制出了转换效率较高的微晶硅薄膜电池，其本征效率达10.7%，且表观效率达10.1%。
新型太阳能电池技术研究及应用展望1. 前言太阳能电池是目前最为广泛推广和应用的一种可再生能源，具有无限的发展潜力。
本文将介绍新型太阳能电池技术的研究进展和应用展望。
2. 硅基太阳能电池硅基太阳能电池是太阳能电池中最为成熟的一种技术，其效率已达到22%以上，但是其制造成本较高。
近年来，研究人员在硅基太阳能电池的结构和材料方面做出了一系列改进，如采用多晶硅、单晶硅、薄膜硅等新材料，以及引入光子晶体等结构优化手段，使硅基太阳能电池的效率和成本都有了进一步的提升。
3. 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池通常采用非晶硅、铜铟镓硒、铜铟镓硫等新材料制成，与传统硅基太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的制造成本更低，生产工艺也更加简单，适用于大规模生产。
当前薄膜太阳能电池的效率仍然较低，但是随着材料性能的不断提升和制造工艺的进步，其效率也将有望实现突破。
4. 有机太阳能电池有机太阳能电池采用有机半导体材料制成，具有制造成本低、机械柔性好等优点，具有巨大的应用前景。
然而，目前有机太阳能电池的效率仍然较低，通常在5%以下。
未来有机太阳能电池的发展方向主要包括提高光电转换效率、提高材料稳定性和实现大规模生产，这将极大地推动有机太阳能电池的应用和发展。
5. 纳米太阳能电池纳米太阳能电池是指利用纳米技术制造的太阳能电池，其特点是材料利用率高、能量转换效率高以及成本低廉。
目前纳米太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池和纳米线太阳能电池等。
染料敏化太阳能电池的效率已达到15%以上，但是其经久耐用性较差；而纳米线太阳能电池相对稳定性较好，但是仍存在制造成本高的问题。
未来纳米太阳能电池的发展方向主要包括提高效率和稳定性、降低制造成本和实现大规模生产。
6. 应用展望太阳能电池已经广泛建立在日常生活和市政、工业、农业等各个领域。
未来，随着新型太阳能电池技术的发展和成熟，太阳能电池应用将越来越广泛，将成为替代传统能源的重要手段。
在新能源汽车、智能建筑、便携电子设备等方面，太阳能电池也将发挥越来越重要的作用。
薄膜硅太阳能电池的研究状况分析摘要：薄膜硅太阳能电池具有广阔的前景，但是当前大规模产业化的非晶硅薄膜电池效率偏低，为了实现光伏发电平价上网，必须对薄膜硅太阳能电池进行持续的研究。
本文主要总结了提高薄膜硅太阳能电池效率的主要技术与进展，如TCO技术、窗口层技术、叠层电池技术和中间层技术等，这些技术用在产业化中将会进一步提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，进而降低薄膜硅电池的生产成本。
一引言在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源短缺并造成环境污染的形势下，可持续发展战略普遍被世界各国接受。
光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。
当前基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池组件市场占有率高达90%，但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下，这为薄膜硅太阳能电池的发展创造了机遇。
薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于厚度为200微米左右的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制程相对简单，成本较为低廉，因此在过去的几年里薄膜硅太阳能电池产业发展迅猛。
但是当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-7%，是晶体硅太阳能电池组件的一半左右，这在一定程度上限制了它的应用范围，也增加了光伏系统的成本。
为了最终实现光伏发电的平价上网，必须进一步降低薄膜硅太阳能电池的生产成本，因此必须对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本。
本文着重从提高薄膜硅太阳能电池的转换效率方面介绍当前薄膜硅太阳能电池的研究现状。
二、提高薄膜硅太阳能电池效率的措施提高薄膜硅太阳能电池效率的途径包括：提高进入电池的入射光量；拓宽电池对太阳光谱的响应范围；提高电池的开压尤其是微晶硅薄膜太阳能电池（?c-Si）的开压；抑制非晶硅薄膜太阳能电池（a-Si）的光致衰退效应等。
多晶硅薄膜太阳能电池材料及其制备技术研究进展评述1前言1.1研究背景近年来，随着可持续发展，环境保护等观念的深入人心，以及常规化石能源的日渐枯竭，太阳能的光伏应用已给我们展示了非常广阔的前景。
因此，可将太阳能转化为电能的太阳能电池的研制和发展，正日益引起关注硅太阳能电池是最有发展前景的。
目前,晶体硅太阳电池因其丰富的原材料资源和成熟的生产工艺而成为太阳电池研发和产业化的主要方向,但大规模应用需要解决两大难题：提高光电转换效率和降低生产成本。
工艺成熟的晶体硅太阳电池具有相对较高的转换效率, 但成本较高,硅晶体的尺寸也不能满足大面积的要求晶体硅太阳电池的硅材料占太阳电池成本的45%以上,大幅度降低晶体硅太阳电池成本非常困难。
高效低成本的薄膜太阳电池代表了未来太阳电池工业的发展方向。
薄膜化(或薄层化)是降低太阳能电池成本的主要手段和发展趋势[1]。
非晶硅薄膜太阳电池虽在成本上具有一定优势, 但光疲劳效应严重制约了其发展。
多晶硅薄膜电池是兼具单晶硅和多晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简单等优点的新一代电池。
早在上世纪80年代，就有人提出了晶体硅薄膜太阳电池的设计思想，认为它是一种可大幅度减小太阳电池制造成本的有效途径[2]。
但是由于种种原因，这种设想一直以来并未受到人们的重视。
近年来随着人们在陷光技术、钝化技术以及载流子束缚等技术方面不断取得进展，多晶硅薄膜电池的研究日益受到人们的重视。
世界各国的科学家对各种不同的方法制备的多晶硅薄膜及薄膜太阳电池进行了广泛而深入的研究。
在不远的将来，多晶硅薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本降低, 从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争。
1.2原理及存在问题目前晶体硅薄膜电池的晶粒大小从纳米直到毫米级都有，为了方便，光伏界将它们统称为多晶硅(polycrystalline Si)薄膜太阳电池。
多晶硅薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。
收稿日期:20082092113基金项目:韩山师范学院青年科研基金资助项目(0503)作者简介:陈城钊(1975—),男,广东潮州人,讲师,硕士.第2卷 第4期材 料 研 究 与 应 用Vo1.2,No.42008年12月MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TIONDec .2008文章编号:167329981(2008)0420450205优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展3陈城钊1,邱胜桦1,刘翠青1,吴燕丹1,李 平1,余楚迎2,林璇英1,2(1.韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州 521041;2.汕头大学物理系,广东汕头 515063)摘 要:纳米晶硅薄膜是集晶体硅材料和氢化非晶硅薄膜优点于一体,可望广泛应用于薄膜太阳能电池、光存储器、发光二极管和薄膜晶体管等光电器件的一种新型功能材料.本文综述低温制备优质纳米晶硅薄膜技术的研究进展及其在薄膜硅太阳能电池上的应用.关键词:纳米晶硅薄膜;太阳能电池;低温制备;进展中图分类号:TM914.4 文献标识码:A纳米晶硅(nc 2Si ζH )薄膜就是硅的纳米晶粒镶嵌在a 2Si ζH 网络里的一种硅纳米结构.由于它具有较高的电导率(10-3～10-1Ω-1・cm -1)、宽带隙、高光敏性、高光吸收系数等优良的光电特性而引起学术界的重视.纳米晶硅薄膜同时具备宽带隙和高电导这两种太阳能电池窗口材料所需的优良性质,现已成为研究探索的热门纳米薄膜材料[1].除用于制备薄膜太阳能电池外,在发光二极管、光存储器、隧穿二极管、薄膜晶体管以及单电子晶体管等光电器件方面也有潜在应用[2].1 低温制备纳米晶硅薄膜的技术为了制备适用于以玻璃为衬底的太阳能电池的纳米晶硅薄膜,近年来发展了低温(<450℃)制膜技术.按成膜过程可分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为纳米晶硅;另一类是直接在玻璃衬底上沉积纳米晶硅薄膜[2].1.1 固相晶化法固相晶化(SPC )法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度.低造价太阳能电池的纳米晶薄膜,一般以廉价的玻璃作衬底,以硅烷气为原材料,用PECVD 法沉积a 2Si ∶H 薄膜,然后再用热处理的方法使其转化为纳米晶硅薄膜.这种方法的优点是能制备大面积的薄膜,可进行原位掺杂,成本低,工艺简单,易于批量生产.常规的高温炉退火、金属诱导晶化、快速热退火、区域熔化再结晶等都属于固相晶化法.1.1.1 常规高温炉退火该方法是在氮气保护下把非晶硅薄膜放入炉腔内退火,使其由非晶态转变为纳米晶态[3].非晶硅晶化的驱动力是晶相相对于非晶相较低的G ibbs 自由能.固相晶化过程主要由晶核的形成及晶核长大两步完成.形核率和生长速率都受温度的影响,所以纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸受温度的影响很大.晶硅薄膜的晶粒尺寸除受温度的影响外,与初始非晶硅膜的结构状况也有密切的关系.有研究者采用“部分掺杂法”来增大晶粒尺寸,即在基底上沉积两层膜,下层进行磷掺杂,作为成核层,上层不掺杂,作为晶体生长层,退火后可获得较大的晶粒[4].1.1.2 金属诱导晶化金属诱导晶化就是在非晶硅薄膜上镀一层金属膜或在镀有金属膜的基片上再镀一层非晶硅膜,使非晶硅与金属接触,这样可大大降低非晶硅的晶化温度(300℃左右就能发生晶化),缩短晶化时间.可作诱导的金属有Al,Au,Ni,Pt,Ti,Cr,Pd等,不同的金属诱导晶化效果略有不同.由于Al的含量丰富、价格便宜,因此铝诱导晶化备受青睐[5].对于产生低温晶化的原因,比较一致的解释是:在a2Si∶H与Al的界面处,由于Al扩散到非晶硅中,形成了间隙原子,使Si—Si共价键转变为Si—Al金属键,极大地降低了激发能.界面处的这些硅化物加速了Al和Si原子的相互扩散,导致了Al—Si混合层的形成.由Al2Si相图可知,低温下(<300℃),硅在铝中的固溶度几乎可以忽略,因此铝中的超饱和硅以核的形式在a2Si∶H和Al的界面析出.这些固体沉淀物逐渐长大,最后形成了晶体硅和铝的混合物.与传统的固相晶化技术相比,该技术能大大降低退火温度,缩短退火时间,制备出较大晶粒的纳米晶硅薄膜[6].然而,有研究发现利用该技术制备的纳米晶硅薄膜会引入大量的金属原子,在很大程度上破坏了硅薄膜的电特性.这是一个不太容易解决的问题.1.1.3 快速热退火快速热处理技术(R TP)是近年来发展很快的半导体工艺新技术.快速热退火属于快速热处理的范畴,是一种新的退火方式,它的热源是卤钨灯.与传统的退火炉相比,该方法有很多优点,除了用时短、耗热少、产量大、过程易控外,晶化后的纳米晶硅膜缺陷较少、内应力小.一些研究发现对非晶膜进行快速热退火时,温度的改变、时间的延长对晶粒尺寸的影响不大;但升温速率对晶粒尺寸的影响很大,升温速率较大时,硅晶粒较小,升温速率较小时,硅晶粒较大[7].1.1.4 区域熔化再结晶区域熔化再结晶是将一束很窄的能量源在硅薄膜的表面移动使硅薄膜材料的不同区域依次熔化而结晶.比较成熟和用得较普遍的是激光加热,即激光晶化法.该晶化技术的特点是可以采用不同类型的激光在很短的时间内将非晶硅材料加热到很高的温度使其熔化然后结晶,由于熔化结晶的时间很短,因此衬底的温度不太高,从而能够使用廉价的玻璃作为衬底.准分子激光由于其脉冲时间极短(10～30 ns),且波长处于超紫外范围,因而是在玻璃衬底上制备硅薄膜材料理想的能量束.在硅薄膜上所照射的激光束频率、受光次数以及激光能量密度等都会影响非晶硅薄膜的结晶状况.另外,激光束的形状和扫描方向也会影响晶化过程中晶粒的生长方向[829].该技术的缺点是设备昂贵、工艺的重复性较差、难以实现大面积制备等.1.2 直接沉积纳米晶硅薄膜采用固相晶化法制备纳米晶硅薄膜,由于需先沉积非晶硅薄膜,再转化为纳米晶硅薄膜,所需时间较长.如果沉积非晶硅薄膜和热处理不在同一系统中,则在转移非晶硅薄膜的过程中,容易造成薄膜的氧化,生成SiO2,或引入其它杂质,对薄膜的性能产生不良的影响.近几年来,许多科研工作者都在探索不经退火,直接在同一系统中制备纳米晶硅薄膜的新技术,这些技术包括:热丝化学气相沉积(HWCVD),高压rf2PECVD和采用新气源等.1.2.1 热丝化学气相沉积法当硅烷或其它源气体通过装在衬底附近、温度高达2000℃的钨丝时,源气体的分子键发生断裂,形成各种中性基团,在衬底上沉积成纳米晶硅薄膜.沉积时衬底的温度约175～400℃,可用廉价的玻璃作衬底[10].用HWCVD法制备的纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸约0.3～1.0μm,具有柱状结构,择优取向于(110)晶面,可应用于光伏打器件.由于钨丝的温度很高,对部分设备的耐热要求较高.而且晶粒尺寸较小,不适宜大面积均匀薄膜的制备,所以应用范围受到较大限制.1.2.2 高压高氢稀释硅烷PECVD法最近,我们用常规的13.56M Hz的rf2PECVD 系统,采用较高的反应气压,匹配比较高的激励功率.以0.7nm/s制备出优质的氢化纳米晶硅薄膜[11].薄膜的晶化率约60%,平均晶粒尺寸约6.0 nm,暗电导率为10-3～10-4Ω-1・cm-1,薄膜的SEM图如图1所示.在本实验室的条件下,制备纳米晶硅薄膜时有以下结论:(1)射频功率太小薄膜中没有晶态成分.在其他条件不变的情况下,功率太大晶化率反而下降.在一定的射频功率范围内,薄膜中的晶态成分随功率增大而增加.(2)在一定的温度范围内,薄膜中的晶态成分随温度的升高而增加,晶粒随温度的升高而增大.(3)随着H2稀释度R H= H2/(Si H4+H2)的增加,薄膜晶化率变大,生长速率变小.结合Raman和F TIR谱,认为在高氢条件下,氢的作用在于通过刻蚀反应表面弱的Si-Si・154・第2卷 第4期陈城钊,等:优质纳米晶硅薄膜的低温制备技术及其在太阳能电池中的应用进展键,形成牢固的Si -Si 键,从而调整nc 2Si ζH 薄膜的微观结构及其键合特征.(4)反应气压在一定程度上能提高薄膜的晶化率和沉积速率,但太高的压强所造成的反应离子对薄膜表面的轰击反而会降低晶化率和沉积速率.图1 纳米晶硅薄膜的表面形貌(a )三维原子力显微镜(AFM )图;(b )表面SEM 图1.2.3 采用新原材料的PECVD 技术有人把研究方向转向寻找适合PECVD 低温生长的新材料组合,试图采用PECVD 直接沉积纳米晶硅薄膜.目前,普遍采用卤硅化合物(如Si F 4或SiCl 4)来代替硅烷气体.还有用混合气体(SiCl 4/H 2)作为源气体,使直接沉积纳米晶硅薄膜的衬底最低温度下降到200℃,所获得的纳米晶硅薄膜具有择优取向[12214].但SiCl 4气体有强烈的腐蚀性,在沉积过程中形成的HCl 对仪器有较大的腐蚀性,对系统的防腐性要求高,提高了生产成本.2 纳米晶硅薄膜太阳能电池在太阳能利用方面,太阳光伏电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域.目前,虽然晶体硅太阳能电池仍处于主导地位,但它的高温扩散工艺限制了其生产效率的提高和产品成本的进一步降低,难以普及.1976年,非晶硅薄膜太阳能电池问世以来逐渐显示出其强大的生命力,但其稳定性和光电转换效率却比不上单晶硅,由于它具有亚稳态结构,长时间发光后会出现明显的不稳定性(称为S 2W 效应).纳米晶硅薄膜太阳能电池基本上克服了S 2W 效应,制备纳米晶硅薄膜时无须高温扩散,与现代半导体工业技术相匹配可以降低成本,从而激发了国内外对纳米硅薄膜的研究兴趣.Sukti Hazra 等人首次用纳米硅薄膜作为太阳能电池的本征层,做成了本征型纳米硅p 2i 2n 单结太阳电池[15].电池结构为glass/TCO/a 2Si ζH/nc 2Si ζH/Back contact/Al (图2).实验结果表明,所制作的太阳能电池在长时间光照条件下具有优良的稳定性,而且开路电压也比较高,达到了0.93V.胡志华等人运用美国宾州大学开发的AM PS 程序模拟分析并计算了n 型纳米硅(n +2nc 2Si ζH )/p 型晶体硅(p 2c 2Si )异质结太阳能电池的光伏特性[16].此结构电池是用纳米硅薄膜作为太阳电池窗口层的.运用AM PS 程序计算出这种电池在理想情况下的理论极限效率ηmax =31.17%.这个高效率主要由于宽带隙窗口层的引入,引入宽带隙窗口层提高了光子的吸收效率,从而提高了电池的开路电压和填充因子.中国科学院研究生院物理科学学院张群芳等人采用HWCVD ,系统地研究了纳米晶硅层的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对nc 2Si ζH/c 2Si 异质结太阳能电池性能的影响,通过优化工艺参数,在p 型晶体硅衬底上制备出转换效率为17.27%的n 2nc 2Si ∶H/i 2nc 2Si ∶H/p 2c 2Si 异质结电池[17].・254・材 料 研 究 与 应 用2008图2 纳米晶硅/非晶硅薄膜叠层电池结构及其光谱响应谱线另外,胡志华等人还制备出了纳米非晶硅太阳能电池,此电池是glass/ITO/p 2a 2SiC :H/i 2na 2Si ζH/n 2nc 2Si ζH/Al 结构的p 2i 2n 太阳能电池[18],同样也是利用纳米晶硅薄膜的高电导性和高光敏性,电池的开路电压高达0.94V ,同时还能保证72%以上的填充因子,光电转换效率达到8.35%.开路电压和填充因子都高于Sukti Hazra 等人的报道.中国科学院半导体研究所的郝会颖用这种含有少量纳米晶相的相变域硅薄膜作为本征层制备了太阳能电池[19].其结构为glass/SnO 2/p 2a 2SiC :H/i 2a 2Si ζH/n 2a 2Si ζH/Al.初始时电池的开路电压V oc =0.912V ,填充因子F F =0.690,短路电流密度J sc =15.894mA/cm 2,光电转换效率为10.008%.在AM 1.5(100mW/cm 2)的光强下曝光820min 后,开路电压升高了5.2%,而光电转换效率仅衰减了2.9%,显示出优良的光电性质和稳定性.3 结 语固相晶化需要高温退火过程,激光晶化和热丝化学气相沉积等方法不适合大面积均匀成膜,这些方法均不适用于大规模工业化生产.射频等离子体化学气相沉积因其在制备大面积、高均匀度的薄膜方面具有工艺简单、成熟及成本低廉的优势,已成为重要的半导体薄膜沉积技术,目前已有完整的沉积非晶硅薄膜的工业化生产线.低温条件下在同一系统中直接在衬底上高速沉积光电性能优良的纳米晶硅薄膜是一种产业化前景较好的方法.目前,纳米硅太阳能电池的转换效率还不到10%,应通过优化设计纳米硅太阳能电池的结构,精确控制工艺参数,使其转换效率接近理论极限.如何提高纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率、大幅度降低生产成本,使其进入民用,是研究热点之一.参考文献:[1]ECOFFEY S ,BOUV ET D ,ION ESCU A ,et al.Low 2pressure chemical vapour deposition of nano grain poly 2silicon ultra 2thin films [J ].Nanotechnology 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thin f ilm solar cellsCH EN Cheng 2zhao 1,Q IU Sheng 2hua 1,L IU Cui 2qing 1,WU Yan 2dan 1,L I Ping 1,YU Chu 2ying 2,Lin Xuan 2ying 1,2(1.De pt.of Physics and Engineering ,H anshan N ormal University ,Chaoz hou 521041,China;2.Dept.of Physics ,S hantou Universit y ,S hantou 515063,China )Abstract :Nanocrystalline silicon film is a new f unctional material ,which has bot h t he advantages of c 2Si and a 2Si ζH films and widely applied in optoelect ronic devices such as t hin film solar cells ,optical memo 2ries ,light emitting diodes and t hin film t ransistors.In t his paper ,t he recent research p rogress of t he prep 2aration techniques of t he high quality nanocrystlline film at low temperat ure and it s application to solar cell is summarized.K ey w ords :nanocrystalline silicon t hin films ;solar cells ;low 2temperat ure preparation ;p rogress・454・材 料 研 究 与 应 用2008。
微晶硅薄膜太阳电池关键技术的研究与模拟的开题报告一、课题背景和意义太阳能电池是一种将光能转化为电能的器件，其应用已经涉及到了生活的方方面面。
对于太阳能电池而言，提高其光电转换效率是提升其实际利用价值的有效手段。
微晶硅薄膜太阳电池在光电转换效率、制造成本等方面具备优势，因此是目前研究较为活跃的太阳能电池类型之一。
针对微晶硅薄膜太阳电池的制造工艺和关键技术进行研究是提高其光电转换效率的基础。
在科学研究中，常常会利用计算机进行建模和模拟，研究形成该结构的关键因素，进而确定如何实现最佳性能。
本文旨在研究微晶硅薄膜太阳电池的关键制造工艺和技术，通过数值模拟对其光电转换性能进行分析，为其实际应用提供理论依据和技术支持。
二、研究内容和方法1. 研究目标：（1）理解微晶硅薄膜太阳电池的制造原理和关键技术；（2）研究微晶硅材料的光学性质，并建立光学模型；（3）使用有限元方法对微晶硅材料的电学性质进行建模；（4）结合微晶硅材料的光学和电学性质，建立微晶硅薄膜太阳电池的模型；（5）利用该模型对微晶硅薄膜太阳电池的光电转换性能进行分析。
2. 研究方法：（1）文献调研：对微晶硅薄膜太阳电池的制造原理和关键技术进行综述，并对目前已有的研究成果进行梳理；（2）光学建模：使用光学软件对微晶硅材料的光学特性进行建模；（3）电学建模：采用有限元分析软件对微晶硅材料的电学性质进行建模；（4）模型建立：结合微晶硅材料的光学和电学模型，建立微晶硅薄膜太阳电池的模型；（5）性能分析：利用该模型对微晶硅薄膜太阳电池的光电转换性能进行分析，包括光吸收率、光电转换效率等指标，并对其优化方法进行讨论。
三、预期成果本研究将通过对微晶硅薄膜太阳电池的制造工艺和关键技术进行分析，建立微晶硅薄膜太阳电池模型，通过数值模拟对其光电转换性能进行分析，进一步了解微晶硅薄膜太阳电池的特性，为其在实际应用中提高光电转换效率提供技术支持。
预期成果包括：（1）建立微晶硅薄膜太阳电池光学和电学模型；（2）对微晶硅薄膜太阳电池的光学和电学性能进行建模和分析；（3）提出微晶硅薄膜太阳电池的优化策略，为其实际应用提供技术支持。
高气压下微晶硅薄膜的生长及微结构研究
微晶硅薄膜是一种具有应用潜力的新型薄膜材料，用于制备太阳能电池、显示屏幕等。
但是，其生长过程以及微结构的讨论仍是一个重要课题。
为此，本文的研究重点是在极高
气压下生长微晶硅薄膜，考察其微结构的变化。
在本文的研究中，采用动态高温还原（DHR）一步法从氢氟酸溶液中气相沉积，在适
当的条件下制备了微晶硅薄膜样品，用极高气压下的热反应技术生长。
经过仔细分析，发
现样品中形成了许多不同结构微粒。
研究发现，当反应温度和气压分别为750℃和2.2 GPa时，微晶硅薄膜的氧化物层具
有极佳的均匀性、高标准的熔融行为和良好的光学性能。
因此，在此条件下可以得到良好
的样品，微晶硅薄膜的晶粒大小也得到了一定程度的改善。
从X射线衍射（XRD）曲线来看，所生长的微晶硅薄膜具有立方晶体结晶相形态，而
且晶胞参数也可以获得。
此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）等表征技
术对微晶硅/氧化物界面的粗糙度和表面能做出了详细的表征，也能观察到晶格的调整。
综上所述，本文的研究开展了一项重要的研究，微晶硅薄膜在极高气压下的生长及微
结构的研究取得了不错的成果，为今后微晶硅薄膜的应用提供技术支持以及更完善的研究
基础。
薄膜太阳能电池的研究进展一、薄膜太阳能电池的概念和特点薄膜太阳能电池，是指利用柔性、轻薄的基底，经过一系列工艺制成的太阳能电池。
与传统硅基太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有更高的转换效率和更低的制造成本，具有以下几个特点：1. 薄：薄膜太阳能电池普通厚度为几微米至几十微米，比传统硅基太阳能电池薄数百倍。
2. 轻：以柔性基底材料为载体，相比硅基太阳能电池更加轻便。
3. 稳定：薄膜太阳能电池利用化学合成的方法，能够获得更稳定的太阳能转化效率并且具有更长的使用寿命。
4. 透光：薄膜太阳能电池能够透过光线实现电能输出，因此可以将其应用于建筑物玻璃等透明材料上。
二、薄膜太阳能电池的制造工艺薄膜太阳能电池的制造工艺是比较繁琐的，需要经过多个步骤，包括材料准备、电极制备、活性层制备、光学上光学下层的制备等。
其中，最主要的是活性层的制备，这个层面的制备对于薄膜太阳能电池的光能转换效率和稳定性有关键作用。
三、薄膜太阳能电池的研究进展随着科技的进步，薄膜太阳能电池的研究也在不断发展。
近年来，许多新材料被应用于薄膜太阳能电池的制备，从而实现更高效率的光电转换和更低的制造成本。
以下是一些最近的研究进展：1. 多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其利用了工业废料硅粉或硅产生，使其在高温环境下沉积到基底上，形成具有多晶结构的硅薄膜，然后在薄膜上沉积电极材料，组成太阳能电池元件。
这种太阳能电池的光电转换效率达到了16.5%。
2. 有机-无机混合体薄膜太阳能电池有机-无机混合体薄膜太阳能电池是利用有机化合物与无机化合物结合，制成的光电材料，其特点是制备简单，成本较低。
这种太阳能电池的光电转换效率已经达到了12%，同时也能够透过玻璃等材料进行光电转化，适用于建筑物外墙等光电系统。
3. 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池的制备与传统的硅基太阳能电池大不相同，是通过染料吸收光子归就当能够发生电荷对分离，进而形成电子和空穴的过程，实现光能转化。
新型晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：新型晶硅太阳能电池是目前市场上最常见的太阳能电池类型之一。
它主要由硅材料制成，具有较高的转换效率和稳定性。
晶硅太阳能电池已经经过多年的研发和市场验证，技术成熟，具有较高的可靠性和生产规模。
它们可以广泛应用于家庭和商业光伏发电系统，为建筑物提供清洁能源。
随着技术的不断改进，新型晶硅太阳能电池的转换效率也在不断提高，成本逐渐降低，为其在未来能源市场中的竞争力提供了保障。
与新型晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池采用了新型材料和制备工艺，具有较轻薄、柔性、可弯曲等特点。
薄膜太阳能电池适用于一些特殊场景，如建筑物、汽车车顶等曲面结构上的应用。
由于其相对轻薄灵活，因此可以更方便地安装在各种不同形状的表面上，为建筑物提供美观且高效的能源利用方式。
薄膜太阳能电池的生产工艺相对较简单，制造成本也相对较低，为其大规模应用提供了便利。
尽管新型晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池有着各自的优势和应用领域，但它们都面临着一些共同的挑战。
在提高转换效率和降低生产成本的还需要不断改进光电转换技术、材料研发和生产工艺，以满足日益增长的市场需求。
太阳能电池的环保性和可再生性也是亟待解决的问题，需要进一步优化循环利用和回收利用的技术和政策。
新型晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池作为太阳能电池领域的两大主流技术，将在未来的能源转型中发挥重要作用。
它们各自具有独特的特点和优势，在不同的应用场景中有着广阔的前景。
通过持续的研发和创新，太阳能电池技术将不断进步，为实现清洁能源的可持续利用做出更大的贡献。
我们有理由相信，太阳能电池技术将成为未来能源领域的重要支柱，助力人类建设更美好的未来。
第二篇示例：新型晶硅太阳能电池是一种采用新技术制造的太阳能电池，具有高效率、长寿命、稳定性好等特点。
薄膜太阳能电池则是一种以轻薄柔性的材料制成的太阳能电池，具有重量轻，易安装等特点。
本文将分别介绍新型晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池的技术原理、应用前景及现状。
微晶硅p2i2n薄膜太阳电池研究进展3李新利1,卢景霄1,李 瑞1,2(1.郑州大学物理工程学院材料物理重点实验室,河南郑州450051;2.河南工业大学,河南郑州450052)摘 要: 相对于单晶硅和非晶硅来说,微晶硅薄膜太阳电池具有更多的优势。
高速沉积高效微晶硅太阳电池已经成为当前研究的热点。
综合介绍了微晶硅p2 i2n太阳电池的结构以及基本原理、研究现状和存在的问题,并对其发展前景进行了展望。
关键词: 太阳能电池;微晶硅;高速沉积中图分类号: O469文献标识码:A 文章编号:100129731(2010)05207462051 引 言随着世界人口的急剧增加,对能源的需求量也越来越大,从20世纪70年代以来,太阳能的利用得到了长足的发展。
太阳能作为一种可再生能源,具有其它能源所不可比拟的优点。
相对于单晶硅、多晶硅等片状电池来说,薄膜太阳电池对昂贵的半导体材料需求较小,并且可以在廉价的玻璃、不锈钢、甚至塑料衬底上大面积沉积,所以被认为是一种非常有前途的产品。
硅薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中最早被商业化生产的品种,它们由地球上储备丰富、无毒无污染的材料制造,而且可以在相当低的衬底温度下沉积,大大节省了生产过程中的能源消耗,所以被认为是一种有良好发展前景的太阳电池。
微晶硅材料的沉积首先由Veprek和Marecek[1]于1968年在600℃采用氢等离子体与化学转移方法实现。
后来,人们发现使用等离子体化学气相沉积(PECVD)法[2],在高的氢稀释情况下也可以沉积出微晶硅材料。
Mat suda[3]通过改变反应气体的氢稀释度和沉积温度等生长条件,发现材料的生长可以实现从非晶到微晶的转变。
由于微晶硅材料具有低吸收系数和高掺杂效率,使它非常适用于硅薄膜太阳电池的掺杂层。
因此,掺杂微晶硅材料在20世纪80年代和90年代初期成为人们研究的最主要对象。
甚高频技术[4～9]的应用使高速生长本征微晶硅光吸收层成为可能。
使用本征微晶硅材料作为吸收层的硅薄膜太阳电池出现在90年代初期。
随后,Meier等人[10]发现这种微晶硅太阳电池在长时间光照的情况下,并没有发生像非晶硅太阳电池所具有的光致衰退现象,而且它可以替代非晶硅锗电池与非晶硅电池一起组成叠层电池。
这种新型硅基薄膜太阳电池的研制成功大大促进了对微晶硅材料的进一步研究。
目前制备微晶硅常用的方法是热丝化学气相沉积(HWCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
Mai等人[11]采用HWCVD制备微晶硅电池的缓冲层可以提高电池的开路电压。
由微晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池组成非晶/微晶叠层电池[12,13],一方面提高了电池的光电转换效率;另一方面也增强了电池的稳定性,使得微晶硅薄膜太阳电池的研究成为硅薄膜太阳电池的热点[14～21]。
硅基薄膜太阳电池按沉积顺序,分为顶衬结构(p2i2n)和底衬结构(n2i2 p)[19,22]。
顶衬结构一般是在透明顶衬底(TCO玻璃)上首先沉积p层,然后沉积i层、n层和背电极;而底衬结构则在电极上先沉积n层,然后顺序沉积i层、p层、ITO和栅电极。
相对于n2i2p结构、p2i2n结构具有许多优点:微晶硅同时具有单晶硅的高稳定性、非晶硅节省材料和低温大面积沉积等优点,而且将光谱响应扩展到红外光(λ>800nm),其效率提高的潜力很大,被国际公认为新一代硅基薄膜太阳电池材料[23]。
目前国内外已发表了大量关于设计和制备微晶硅p2i2n太阳电池的论文[10,11,14～18]。
本文选择微晶硅p2i2n太阳电池为研究对象,就近年来微晶硅太阳电池的最新进展进行了较全面的概括,指出各种关键材料亟待解决的问题,并对微晶硅太阳电池的发展前景进行展望。
2 微晶硅电池的结构以及工作原理常用微晶硅太阳电池的结构为:廉价衬底/透明导电膜(A ZO)/p型微晶硅2i型微晶硅2n型微晶硅/反射膜(ZnO)/Ag/Al电极。
微晶硅p2i2n太阳电池的工作原理是基于p2n结的光伏效应。
由于微晶硅材料中少数载流子扩散长度<1μm,掺杂层中的扩散长度可能更短[24],所以微晶硅电池采用p2n结构是不可行的,因为这种结构的太阳电池是利用扩散来收集光生载流子的。
微晶硅太阳电池采用在p和n层之间加入i层结构,本征层电场的存在有助于光生载流子的收集,而光生载流子的收集依赖于电场作用下的漂移运动,这种漂移运动克服了微晶硅材料内电子的扩散长度小带来3基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2006CB202601)收到初稿日期:2009208219收到修改稿日期:2010203208通讯作者:卢景霄作者简介:李新利 (1981-),女,河南林州人,在读博士,师承卢景霄教授,从事薄膜太阳电池研究。
的限制,从而大大提高了载流子的收集效率。
微晶硅p 2i 2n 太阳电池结构[25]如图1所示。
为了克服p 与i 层之间的界面缺陷,在其间引入了缓冲层(buffer lay 2er )。
图1 微晶硅p 2i 2n 太阳电池的结构图Fig 1Struct ure of p 2i 2n microcrystalline silicon solarcell3 微晶硅薄膜太阳电池各组成部分的研究进展3.1 透明导电膜及背电极电极对微晶硅太阳电池的性能有很大的影响,因此,引起了研究者的广泛关注。
目前微晶硅太阳电池的前电极和背电极主要集中在以下几种材料上:前电极有SnO 2/ZnO 或湿法腐蚀ZnO 薄膜(绒面结构);背电极主要有Al 、ZnO/Al 及ZnO/Ag/Al 。
前电极主要影响电池的填充因子(F F )、开路电压(V oc )、短路电流(J sc )、背电极主要影响电池的J sc 。
透明导电膜是兼具透光性和导电性的特殊薄膜。
目前主要采用掺铝氧化锌(A ZO )作为透明导电膜。
AZO 膜是在ZnO 薄膜中掺入Al 原子,掺入的Al 原子替代了原来晶格中的Zn 原子,产生了一个自由电子,从而使电子浓度增加,电导率上升。
对ZnO 薄膜来说,可以采用直流磁控溅射方法制备,但是表面为绒面织构结构比平面结构更能增强电池的光诱捕作用,提高光的利用。
采用绒面织构的ZnO 为衬底的微晶硅单结p 2i 2n 太阳电池相对于没有采用绒面ZnO 的太阳电池的短路电流密度J sc 提高了20%～25%[26]。
为了得到绒面织构,可以采用湿法腐蚀ZnO 薄膜。
首先采用溅射的方法在Corning 1737玻璃上制备ZnO 透明导电膜,然后用0.5%盐酸腐蚀30s ,制得绒面结构的导电薄膜。
但是腐蚀的绒面衬底形状对太阳电池的性能也有影响,瑞士Martin Pyt hon 等人[27]分析了衬底形貌从V 型到U 型的改变对衬底上沉积的单结微晶硅太阳电池的性能产生的影响。
M.Py 2t hon 等人[28]采用实验和数值模拟同样研究了衬底的几何参数对生长微晶硅薄膜电池的影响。
对透明导电膜,也可以选择p 型ZnO 薄膜,因为p 型透明导电薄膜可以与太阳电池的p 层直接接触起到导电的作用,甚至可以直接在p 型透明导电薄膜上生长i 层和n 层形成新的太阳电池结构。
国内南开大学焦宝臣等[29]采用这种p 型透明导电薄膜制得开路电压为0.47V 的微晶硅太阳电池。
透明导电薄膜的厚度、表面绒度和背反射电极的种类对太阳电池的短路电流密度J sc 和填充因子F F 有很大的影响。
J.Springer 等人[30]发现减小前电极ZnO 的绒度和厚度,在整个光谱范围内量子效率(Q E )有所增加;对于不同的背反射电极ZnO/Ag 、Ag 、ZnO/Al 和Al ,发现ZnO/Ag 电极最好,Al 在光诱捕特性方面最差。
张晓丹等人[31]采用ZnO 湿法腐蚀作为前电极,ZnO/Ag/Al 作为背反射电极,明显提高了电池的V oc 和J sc ,并且电池效率提高了1到2个百分点,最终获得了光电转换效率达9.2%的单结微晶硅薄膜太阳电池。
这与国外J.Springer 等人[30]的研究成果相吻合。
由于背电极增加ZnO 层后,可以和前电极A ZO 形成光学反射腔,增加了光程提高了光的利用效率。
3.2 窗口层p 层是太阳电池的窗口层,本征层的籽晶层。
一般来说,太阳电池窗口材料应具有高电导率、低激活能以及宽光学带隙。
带隙宽,允许更多的太阳光透射到本征吸收层;高电导率,可以增加内建电势和减小串联电阻。
采用微晶硅材料作窗口层,可以明显改善TCO/P 界面的接触特性。
p 型微晶硅材料可通过射频PECVD 方法制备,改变实验条件得到最优的p 型薄膜。
当p 层电导率最高时,电池的各项参数均较大。
这是因为当p 层电导率较高时,电池的内建电势较强,串联电阻较小,因而有助于增加电池的V oc 和J sc 。
采用籽晶技术可以得到质量更好的p 型薄膜,如p 层的厚度减小,电导率提高,光吸收更低。
Arindam Sarker 等人[32]采用未掺杂的微晶硅薄膜作为籽晶层,这种极薄的籽晶层改善了p 型薄膜的质量。
此外,2008年朝鲜Joonghwan Kwak 等人[33]采用p hoto 2CVD 方法沉积p 2a 2Si ∶H 薄膜作为微晶硅太阳电池的窗口层,并且制得了效率为7.76%的单结微晶硅电池,同时发现太阳电池的性能与p 2a 2Si ∶H 的厚度有很大的依赖关系。
因此,在制备太阳电池过程中,如果窗口层较厚则电池的短波Q E 降低,而太薄则使p/i 界面晶格失配,引起缺陷使电池的性能下降。
另外,值得关注的是张晓丹等人[34]最近报道了采用RFPECVD 技术制备用于微晶硅薄膜太阳电池的n 型掺杂的窗口层材料。
由于微晶硅薄膜太阳电池中电子和空穴的迁移率相差比较小,磷掺杂的n 型微晶硅也可以像硼掺杂的p 型微晶硅一样作为微晶硅薄膜太阳电池的窗口层材料。
3.3 p/i 界面对于微晶硅太阳电池,决定性能的关键是材料和界面。
太阳电池要求导电薄膜和p 层之间是欧姆接触。
采用低温处理本征层[35]可以有效减小对p/i 界面的损伤。
Han Xiao2yan等人[36]提出在电池中引入低速沉积p/i界面层的方法,即在p层上先低速沉积一薄层本征微晶硅薄膜,然后再高速沉积本征微晶硅薄膜。
这种低速沉积界面层的方法有效改善了p/i界面特性和i层微结构的纵向均匀性。
随界面层厚度的增加,i层中的缺陷态密度先降低后增加,这使得界面层厚度存在最佳值,实验得到低速沉积界面层的最佳厚度大约为100nm[36],用该厚度制备的电池比没有界面层的电池光电转换效率提高了约1个百分点。
通过优化其它条件,在0.85nm/s的沉积速率下制备了光电转换效率为8.11%的单结微晶硅太阳电池。
除了这种低速沉积界面层的方法外,Joonghwan Kwak等人[33]采用硼掺杂的纳米晶硅作为p/i缓冲层,制得了效率7.76%的微晶硅太阳电池。
