【正文】 氣泡。但是，薄膜內部應力和光致衰減效應的關系不大。如果直接用重摻雜的 p+和 n+材料形成 p+n+結 ,由于重摻雜非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高 ,少子壽命低 ,電池性能會很差。影響非晶硅電池轉換效率和穩(wěn)定性的主要因素有 :透明導電膜、窗口層性質 (包括窗口層光學帶隙寬度、窗口層導電率及摻雜濃度、窗口層激活能、窗口層的光透過率 )、各層之間界面狀態(tài) (界面缺陷態(tài)密度 )及能隙匹配、各層厚度 (尤其 i層厚度 )以及太陽能電池結構等。 另外，電池結構的改變也能夠降低 SW 效應的影響。 等離子體增強化學氣相沉積 （ rfPECVD） aSi:H最普遍的沉積方法是射頻 PECVD技術（頻率是 ）。 aSi:H薄膜的厚度大概是半微米，因此必須沉積在適合大小的襯底之上。 2. 氣 體控制系統(tǒng)包括質量流量控制器和幾個氣閥來控制氣體流 37 動，而氣體用來 沉積本征層和摻雜層和控制反應室的壓強。 :H的 PECVD沉積可以分四個步驟： 1. 主要的氣相反應， SiH4分子由于電子碰撞激發(fā)被分解產生不同中性激發(fā)源，分子，正負離子和電子。 4． 下表面氫釋放以及硅網絡馳豫。3SiH 聯(lián)結到生長表面需要合適的懸掛鍵，而懸掛鍵產生于 氫離開表面。然而，這些激勵源在生長上的作用會導致質量差的薄膜，因此這些激勵源在等離子體中的影響應該忽略。典型沉積速率是 121 ?? sA? 。 控制沉積速率的中心系數(shù)是由等離子體吸收的能量，高能量產生高的電子密度和溫度，便于 4SiH 原子的分解。這可以通過降低等離子體中電子溫度或增加沉積溫度來實現(xiàn)。為了獲得更高沉積速率，兩種方法需要采用。 ） 非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，非晶硅太陽電池也得到很大發(fā)展，其商品穩(wěn)定效率已達到 8%， 表 4概括了非晶硅太陽電池的發(fā)展情況， 但目前非晶硅電池仍然存在一些問題，主要集中在以下兩個方面： ； 表 4 非晶硅薄膜電池產量及市場份額情況統(tǒng)計 。 1. 透明導電膜 (TCO) 透明導電膜在太陽能電池上主要用作電池的透明電極 ,有些還可同時作為減反射膜。 2. 窗口層性質 提高非晶硅太陽能電池轉換效率一般要求窗口材料光學帶隙寬且較低的電阻率和激活能。為了減少入射光在窗口層處的損失 ,要求窗口層盡可能地薄 ,減少對光的吸收 ,但 窗口層過薄 ,會降低 pi 結內建電場 ,這對提高開路電壓不利。在 HIT 電池中 ,一般采用非晶硅作為緩沖層 ,電池通常具有較高的開路電壓 ,但降低了電流的收集 ,因此為改善電流收集 ,也可采用納米微晶作為緩沖層。對于 aSi∶ H 太陽能電池 ,由于空穴擴散長度很小 ,決定了光電導主要來自耗盡層的貢獻 ,光生載流子的生成主要在 。一般非晶硅電池的結構均采取 pin 結構 ,p 層和 n 層的選擇要保證內建電場達到 i 層厚度內所需最小電場 ,同時還要保證i 層有充分的光吸收。 42 3． aSi電池各層界面 由于界面處容易產生缺陷、懸掛鍵等復合中心 ,所以界面態(tài)狀況對電池的開路電壓和填充因子有非常顯著的影響 ,對界面有效地處理利于薄膜的沉積和減少界面的復合損失 ,利于提高電池的短路電流和開路電壓 VOC,因此高效率太陽能電 池必須盡可能降低界面層的缺陷態(tài)密度。低的激活能有利于增大電池的內建電勢和開路電壓 。如有人發(fā)現(xiàn)用ZnO∶ Al 膜作 TCO/naSi∶ H/iaSi∶ H/pcSi/A 結構的異質結太陽能電池的前電極時短路電流比 ITO 作前電極的短路電流要大 ,而開路電壓要低一些。此外還可采取有效方法減少 i 層缺陷，改善各層間的能隙匹配，改善各種界面接觸，這些都有可能提高轉化效率。第二種方法的是研究和發(fā)展新的沉積技術，如熱絲化學氣相沉積（ HWCVD）技術，接觸反應化學氣相沉積和熱膨脹等離子體化學氣相 40 沉積（ ETPCVD）技術。然而，吸收層的如此高沉積溫度會對太陽能電池下面各層產生溫度危害。這些沉積狀況增加了的氫和 2SiH 鍵會產生 質量差的薄膜 。當需要擴大化生產時，沉積速率需要在 120xx ?? sA? 。 因此，沉積過程是一個氣體和表面反應的復雜 過程，可以由沉積系數(shù)控制，如：氣體成分，流速和壓強，能量密度和頻率，襯底溫度，電極幾何形狀等等。盡管其他激勵源對于生長貢獻很少，但是它們在薄膜特性上起著重要作用。因為襯底生長被氫終止， 3SiH 激勵源沒有形成生長薄膜但是分布在表面擴散直到它遇到懸掛鍵。中性的組分擴散到襯底，正離子轟擊 到活性膜， 負離子被等離子體收集。 4. 廢棄處理系統(tǒng)，由一個洗滌器 來處理出氣口的氣體。 PECVD的重要優(yōu)勢是沉積溫度通常在 CC 00 250200 ? ，低溫過程允許低價材料作為襯底，例如玻璃，不銹鋼和柔性塑料箔。由等離子體中的二次電子在電場內加速獲得能量而發(fā)生碰撞完成。 34 圖 7 雙結非晶硅電池結構示意圖 關鍵技術內容 i．非晶硅的光吸收系數(shù)比晶硅大一個數(shù)量級，非晶硅電池的厚度很小，約為晶硅電池厚度 300 分之一，節(jié)省硅材料； PIN 結（無論是單層還是多層），可以在薄膜的生產過程中同時完成； PIN結是在約 Co200 左右的溫度下制造的（單晶硅電池， 多晶硅電池約在 Co800 — Co1400 進行擴散和拉單晶），能源消耗小； 有較高的光電導，較低的暗電導 ； ，如下表 2 列舉了三種電池的能耗、材耗及能量回收期： 單晶電池 多晶電池 非晶電池 厚度 / m? 400 400 1 35 溫度 / Co 1 000 1 000 200 能耗 / 2mhkW ?? 2 000 1 000 100 能耗回收期 /年 表 2 三種電池能耗、材耗和能量回收期 ，對于同樣峰瓦數(shù)的太陽電池，非晶硅電池可比單晶硅、多晶硅電池產生更多的電能，下表 3 列出了不同廠家生產的四種類型的太 陽電池，在相同地點安裝，每千瓦電池一年內的實際發(fā)電量數(shù)據(jù)： Corporations Cells Efficiency Gross Capacity of cells BP Solar cSi 13． 5% 977 Siemens cSi % 930 Kyocera pSi % 964 ASE pSi % 966 Shell pSi % 961 UniSolar aSi % 1 164 Free Energy aSi % 1 084 BP Solar aSi % 1 001 36 Siemens CIGS % 963 表 3 不同廠家的四類電池發(fā)電總量比較 非晶硅的制備需要很快的冷卻速率，一般要大于 sC/105? ，所以，其制備通常利用物理和化學氣相沉積技術。 在非晶硅薄膜太陽電池的 pin結構中，由于本征層的厚度最大，受 SW 效應的影響最大，因此要克服非晶硅薄膜材料和電池中的 SW效應，主要是要減少本征非晶硅硅層中的氫含量。非晶硅太陽能電池光生載流子主要產生于未摻雜的 i層 ,與晶態(tài)硅太陽能電池載流子主要由于擴散而移動不同 ,在非晶硅太陽能電池中 ,光生載流子由于擴散長度小主要依靠電池內 電場作用做漂移運動。為了提高非晶硅太陽能電池轉換效率和穩(wěn)定性 ,一般不采取單晶硅太 能電池 的pn結構。 不同條件制備的非晶硅薄膜的光致衰減效應是不同的，薄膜生長參數(shù)和光照條件對光致衰減有著不同的影響。 沒有摻雜的非晶硅薄膜由于其結構缺陷 ,存在懸掛鍵、斷鍵、空穴等 ,導致其電學性能差而很難做成有用的光電器件。如在硅烷中摻入 5%15%的氫氣，利用等離子增強化學氣相沉積技術制備的非晶硅，其光學帶隙為 ，懸掛鍵缺陷密度為 11615 1010 ?? cm 。通常， 600nm 波長的光被選為探測光束，且其值由以下式子得到 ：))e xp (1)(1()( 0600 dRqU l wI phg ??? ?? ????。這個系數(shù)給出了一種材料是否適合作為太陽能電池光敏材料重要依據(jù)。 暗電導決定于： ldwUId ?? （ 2） U 是外施電壓， I是測得電流， l 是電極長度（ ～12cm）， w是兩電極間的距離（ ） ， d是薄膜的厚度。 aSi:H中固有的按電導率 d? 小于 1110101 ??? ?? cm 。在可見光部分， aSi:H 吸收率大概是晶體硅的 100 倍，這意味著 1um厚的非晶 硅薄膜太陽能電池 可以吸收 90%的太陽能。對于位于 費米能級以下的導帶帶尾，由于都被電子占據(jù)，從而顯示負電性；而位于費米能級以上的價帶帶尾，由于沒有被 29 電子占據(jù)，是空著的，所以顯示正電性。 進一步而言，對于非晶態(tài)半導體價帶的帶尾，如果沒有被電子占據(jù)，則呈正電性，起施主作用；如果被電子占據(jù)，則呈電中性。在這個模型中，價帶和導帶由一條能量拋物線表示，并且出現(xiàn)價帶和導帶的帶尾能態(tài)的指數(shù)衰減。這種在定態(tài)中嚴重衰減的載體移動的特點與 在 拓寬能態(tài) 中的對比用來定義aSi:H的帶寬，這種帶寬叫做遷移率， Emob。也就是在 aSi:H中能帶密度是連續(xù)分布。 對于本征晶體硅，價帶和導帶被精確的 27 帶寬分離， Eg，并且?guī)拑葲]有能態(tài)。 氫擴散和演變觀測技術幫助分析 aSi:H中氫的運動。這個系數(shù) R*經常用來表征 aSi:H 網絡中的微觀結構 ，它粗略的代表兩個不同“態(tài)”，即密集網絡和包含空隙的斷裂網絡。因此這個峰用來判斷 aSi:H中的 X。 aSi:H的特性不僅與氫的含量也與氫在硅中的結合形式有關 ,因此研究膜中氫的含量和結合方式與淀積工藝條件之間的關系是薄膜制備中的重要問題。因此，ESR的結果十分依賴于費米能級的位置，因為它影響著電子自旋產生的缺陷。電子自旋共振只能鑒別與中性懸掛鍵有關的一種形式的缺陷。當非晶硅摻雜氫沉積后（利用輝光放電），氫原子聯(lián)結了絕大多數(shù)的硅的懸掛鍵，作用力強的硅氫鍵就形成了。另外缺陷結構是一個硅原子與五個近鄰原子聯(lián)結成鍵造成的。當一個原子有太多或太少束縛鍵時容易發(fā)生配位缺陷。在連續(xù)的無規(guī)網絡 ,缺陷的定義被有關于晶體的結構修正。 由于短程有序，通常的半導體能帶觀念（由倒帶和價帶表示）能仍然被用于 c。然而，在原子規(guī)模上有相似的原子組態(tài) , 即有四個 硅原子組成相鄰的共價鍵，在其近鄰的原子也有規(guī)則排列，但更遠一些的硅原子其排列就沒有規(guī)律了。 我們也能說硅原子是四重配位。 23 圖 3 單晶硅和 aSi:H 原子結構示意圖 圖 3 舉例說明不同在單晶硅和 aSi:H原子結構的不同 . 每個硅原子以共價以聯(lián)結四個鄰近的原子。非晶硅雙結玻璃薄膜電池組件的結構如圖 2 所示，自上到下依次為頂面玻璃、 2SiO 導電膜、雙結非晶硅薄膜電池（非晶硅薄膜電池還可做成單結或三結非晶硅薄膜電池）、背電極、 EVA（乙烯醋酸乙烯共聚物）、底面玻璃。項目實施后年出口額 115 萬美元，對青海省出口創(chuàng)匯具有重要的意義。本項目可提供直接就業(yè)崗位 若干 個，通過項目建設和運營，每年還可增加更多的間接就業(yè)崗位和就業(yè)機會。 預期效益分析 （ 1）社會效益 項目的實施符合國家產業(yè)政策，是青海省重點建設項目，項目建成后可促進和帶動地方經濟的發(fā)展。其中硅基薄膜新增產能將集中在中國和臺灣，而 CdTe和 CIGS新增產能將集中在美國、歐洲和日本。通用電氣公司最近 宣布，他們將改以薄膜太陽能作為集團未來的太陽能項目發(fā)展重點，并在 20xx年開始生產。 項目可行性簡要分析 項目的可行性研究依據(jù) 由于薄膜太陽電池的成本優(yōu)勢，始終是我國政府在光伏發(fā)電方面重點支持的領域，早在“七五”期間，國家科委就投入 20xx多萬元，在北京有色金屬研究院建成年產 100kW非晶硅太陽電池生產線。通常相對厚的含氟聚合物封裝技術被應用來保證一個模塊具有 20年的壽命。 5. 降低材料成本。太陽電池結構和組件設計 取決于應用的制造步驟和沉積順序的選擇。除了無線電頻率的 等離子體增強的化學氣相沉積（ PECVD） 技術 ，以下幾種沉積技術也被探究具有可以制造出沉積速率很高的吸收層，如高頻 等離子體增強的化學氣相沉積技術 ， 熱絲化學氣 相沉積技術和夸大化的熱等離子體化學氣相沉積技術。然而， 為了提供充足的光吸收能力， 薄的吸收層 必須依賴于 太陽電池中 高效的 光誘導技術 。 非晶硅薄膜太陽電池更進一步發(fā) 17 展與光電質量的提高非晶硅吸收層，摻雜層和介于摻雜層和內置層之間的分界層。但是 ,非晶硅薄膜 太陽能電池光電效率會隨著光照時間延續(xù)而衰減 ,即所謂的光致衰退 (SW效應 )效應 ,主要是因為 SiH鍵很弱 ,在光照下 H 很容易失去 ,形成大量 Si 懸掛鍵 ,并且非晶硅薄膜電池轉換效率低 ,一般在 10%左右。 1976年研究人員成功實現(xiàn)了對非 晶硅材料的 p型和 n型摻雜 ,實現(xiàn)了 aSipn 結的制作。它具有較高的光吸收系數(shù) ,在 m 的可見光波段 ,其吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級 ,比單晶硅對太陽能輻射的吸收率要高 40 倍左右 ,用很薄的非晶硅膜 (約 1μ m厚 )就能吸收約 80%有用的太陽能 ,且暗