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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。
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。
