a_Si_H薄膜太阳能电池

a-Si󰀁H薄膜太阳能电池

倪󰀁嘉,鲍󰀁田,王󰀁芸(中国建材国际工程有限公司研发中心,蚌埠233018)

摘󰀁要:󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正得到迅猛发展,该文阐述了a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的原理、结构、研究进展及应用前景。关键词:󰀁非晶硅;󰀁太阳能电池;󰀁薄膜

a-Si󰀁HThinFilmSolarCell

NIJia,BAOTian,WANGYun(ResearchandDevelopmentCenterofCTIEC,Bengbu233018,China)Abstract:󰀁Asakindofnewenergymaterials,thea-Si󰀁Hthinfilmsolarcellisintherapiddevelopment,thispaperde-scribesthetheory,structure,progressandprospectofthea-Si󰀁Hthinfilmsolarcell.Keywords:󰀁amorphoussilicon;󰀁solarcell;󰀁thinfilm󰀁󰀁20世纪60年代,辉光放电法(glowdischarge)薄膜制备技术取得一系列重大进展,使人们认识到可以将同样具有光伏效应的非结晶状态的硅以薄膜形式镀制在廉价的玻璃基板上。在美国RCA实验室Carlson和Wronski的共同努力下,第1块a-Si󰀁H(非晶硅)薄膜太阳能电池于1976年问世,从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕,目前非晶硅薄膜太阳能电池正在进入显著的技术进步和规模化应用阶段。1󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的原理a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的工作原理是基于P󰀁N结的光生伏打效应:当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时,在二者的交界处就形成了P󰀁N结;由于多数载流子的扩散,形成了空间电荷区,并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场,导致多数载流子反向漂移;达到平衡后,扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。如果光照在P󰀁N结上,而且光能大于P󰀁N结的禁带宽度,则在P󰀁N结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在,产池两侧引出电极并接上负载,负载中就有󰀁光生电流󰀁通过,得到可利用的电能,这就是太阳能电池发电的基本原理[1,2]。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来,组成太阳能电池组件;在太阳光的照射下,便可获得相当可观的电能。2󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的结构目前,非晶硅太阳能电池的结构类型有很多,基本的结构形式有肖特基势垒型(包括MIS)、异质结构型和pin型等。其中最重要的是pin型,其典型的结构如图1所示,它是在玻璃(Glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO),然后依次用等离子体增强化学气相法(PECVD)沉积p型、i型、n型3层a-Si,接着再蒸镀金属电极铝/钛(Al/Ti)。它具有以下优点:1)pin结构是利用p层和和i层形成的体结,因而能避免金属和非晶硅之间的界面状态对电池特性的影响,这样制备电池的重复性好,性能稳定;2)电池的各层全部由非晶硅构成,材料便宜,工艺简便且可连续生产;3)设计的灵活性大。正因为pin结构有这4建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年󰀁第30卷󰀁第5期些优点,所以近几年来人们主要集中于pin电池的研究,出现了几种形式的pin结构,转化效率大为提高。pin型结构是伴随a-Si󰀁H的发展而产生的一种电池结构,它与c-Si󰀁H太阳能电池的主要差别是增加了一个本征层-i层。在a-Si󰀁H结构中,载流子的扩散长度很短,光生载流子一旦产生,如果该处或邻近没有电场存在时,则这些光生载流子由于扩散长度的限制将会很快复合而不能被收集[5]。根据a-Si󰀁H的这一特点,要对光生载流子产生有效的收集,就要求在a-Si󰀁H太阳能电池中光注入所及的整个范围内尽量布满电场,因此就设计出带有本征层的pin结构。在pin结构的电池中,由pi结和in结形成的内建场几乎跨越整个本征层,该层中的光生载流子完全置于该电场之中,一旦产生即可被收集,从而可以明显地提高电池效率。显然,这同时也要求本征层有较高的光生载流子产生率、低缺陷态密度和合适的厚度,制备高质量的i层以及寻找合适的i层厚度是关键。不算玻璃衬底,这种结构的电池厚度大约在1󰀁m以内。

图1󰀁a-Si󰀁H太阳电池的典型结构示意图3󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的进展、存在问题及改进3.1󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池的发展现状在光伏市场中,a-Si电池是目前最实用化的薄膜电池,它易于进行大面积自动化生产,制造过程能耗低,原材料消耗少,非晶硅(a-Si)的PV产品大部分用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费产品,但近几年也开发了非晶硅太阳能电池模块发电。由于其极低的生产成本,在日本󰀁新阳光计划󰀁下的PV推广项目已对非晶硅薄膜太阳能电池进行了约20年的探索开发[9,11]。目前非晶硅(a-Si)单结薄膜太阳能电池的最高转换效率为13.2%,然而,在太阳光照射下早期的a-Si太阳能电池模块的转换效率的衰减一般达到30%~50%。因此主要的科研力量已从提高初始转换效率转到稳定的转换效率上来,并且a-Si太阳能池的结构也从单结研究转到多结研究上来,以改进其稳定性并提高转换效率。多结非晶硅a-Si太阳能电池是使用对应于不同太阳光谱部分的不同光伏材料膜层来制作的,现在已有若干研究指出,a-Si光伏系统在经过1年或2年的10%初始功率衰减后可望获得可靠和恒定的功率输出。目前,最好的电池和组件的稳定化转换效率已超过10%,而稳定化效率达到10%是a-Si电池能得以大规模应用的转折点。表1列出了最近报道的有关数据。表1󰀁a-Si薄膜太阳能电池和组件的最高稳定效率[3,4]结构面积/cm2稳定效率/%来源a-Si0.259.2USSCa-Si/a-Si0.2510.1USSCa-Si/a-SiGe0.2511.2USSCa-Si/a-SiGe/a-SiGe0.2513.0USSCa-Si/a-Si12008.9Fujia-Si/a-SiGe9029.5USSCa-Si/a-Si/a-SiGe8638.8Solarexa-Si/a-SiGe/a-SiGe90310.2USSC3.2󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池存在的主要问题为了使薄膜太阳能发电能够与其它商业化的发电方式进行竞争,假设模块的稳定转换效率为8.5%,那么非晶硅太阳能电池模块的生产成本就必须低于每瓦1.4美元,才具有竞争力[11]。在可见光范围内,非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数,因此实现光伏转换所需的膜层厚度仅为0.3~0.45󰀁m,且每瓦所需硅的量极少。在每一阶段,制造非晶硅太阳能电池所需消耗的电能比生产单晶硅太阳能电池少,对于非晶硅太阳能电池,制造电池所需消耗的电能成本的回报时间约为0.6~1.5年。目前尽管在a-Si太阳能电池的开发中取得的进步给人留下了深刻的印象,但尚有一些为确保技术上长期成功必须解决的问题。现在非晶硅薄膜太阳能电池的研究和开发一般分为:1)提高转换效率;2)提高稳定性;3)开发批量生产技术。在提高非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率和稳定性方面,人们开展了许多制造方法、材料和器件结构方面的研究,其中叠层薄膜太阳能电池是一个重要的开发方向。3.3󰀁a-Si󰀁H薄膜太阳能电池制备方法、材料和结构的改进在制造方法方面有:电子回旋共振法、光化学气相沉积法、直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅谢法和热丝法等。特别是射频辉光放电法由于其低温过程(~200󰀁),易于实现大面积和大批量连续生5建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年󰀁第30卷󰀁第5期产,现成为国际公认的成熟技术。在制备工艺上采用了用H等离子体化学退火法、H2稀释法、He稀释法以及掺入氟等惰性气体法等,均取得了一定效果。在材料研究方面,先后研究了用a-SiC或󰀁C-SiC代替a-Si做窗口层、采用梯度界面层、󰀁C-SiC做p层等,明显改善了电池的短波光谱响应。这是由于a-Si太阳能电池光生载流子的生成主要在i层,入射光到达i层之前部分被p层吸收对发电是无效的。而a-SiC和󰀁C-SiC材料比p型a-Si具有更宽的光学带隙,因此减少了对光的吸收,使到达i层的光增加;加之梯度界面层的采用,改善了a-SiC/a-Si异质结界面光电子的输运特性。在增加长波响应方面,采用了绒面TCO膜代替平面、并采用绒面多层背反射电极和多带隙叠层结构,即lass/TCO/p1-i-lnl/p2-i2-n2/p3-i3-n3/ZnO/Ag/Al结构[12,14]。绒面TCO膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失,并增加了光在i层的传播路程,从而增加了光在i层的吸收。多带隙结构中,i层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小,以便分段吸收太阳光,达到拓宽光谱响应、提高转换效率之目的。在提高叠层电池效率方面还采用了渐变带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等,以改善载流子收集。为了适应实际应用中高输出电压的需要,又发展了集成型a-Si太阳电池子组件,其中多个子电池可通过蒸发法实现内部联接在一个绝缘衬底上而不需要任何导线。激光切割技术的使用使有效面积达到90%以上,所有这些新技术的采用使小面积a-Si太阳电池的转换效率和大面积太阳电池子组件的效率不断提高。集成型a-Si󰀁H太阳电池的内部结构如下图2所示。下面重点介绍叠层型非晶硅薄膜太阳能电池。

图2󰀁集成型a-Si:H太阳电池的内部结构图4󰀁叠层型a-Si󰀁H薄膜太阳能电池在单结薄膜电池中由于S-W效应(光致衰退)的存在会使电池效率衰退15%~30%,同时在大面积产业化中非晶硅组件的效率只有5%~7%,严重影响了产业化的发展。提高a-Si󰀁H薄膜电池效率的一个有效途径是使用叠层电池技术。Fuji公司在1cm2的小面积上实现a-Si/a-Si叠层电池的稳定效率达到10.1%,使用a-Si/a-Si叠层电池有利一面是可以降低生产成本,不利的一面是电池的效率偏低,因此并不是叠层电池发展的方向。由于非晶硅的能带结构使其对长波光几乎没有响应,因此为了扩展太阳光谱的利用范围,从20世纪80年代开始,研究人员把比非晶硅带隙低的a-SiGe与a-Si叠在一起形成a-Si/a-SiGe双结或者a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层结构。目前,Sanyo公司的小面积(1cm2)a-Si/a-SiGe电池实现10.9%的稳定效率[8]。USSC公司的小面积(0.25cm2)a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层电池的初始转换效率可达到14.6%,稳定效率为13.0%。但是由于制造能带小于1.5eV的器件级质量的a-SiGe比较困难,同时GeH4的价格昂贵,研究人员开始选择另外的材料代替a-SiGe。1994年,Meier等人首次使用VHF技术沉积微晶硅薄膜太阳能电池,电池的转化效率超过7%,这证明了微晶硅薄膜可以用做电池的吸收层。同年,Meier等人还首次提出a-Si/mc-Si叠层电池概念,并使叠层电池的转化效率达到9.1%。图3左图为a-Si/mc-Si的结构示意图,右图为a-Si/a-Si薄膜叠层电池与a-Si/mc-Si薄膜叠层电池的光谱响应图。由于微晶硅的能带是1.1eV,而非晶硅的能带是1.7eV左右,两者结合比较靠近理想的叠层电池结构。Shah通过计算给出了这种叠层电池的理论效率可达到30%以上。这种新型a-Si󰀁H薄膜太阳电池大大促进了对这种材料和电池的研究。目前大面积a-Si/mc-Si叠层电池作为下一代薄膜电池已经开始大规模产业化。