【正文】 導(dǎo)率，光電導(dǎo)和遷移率產(chǎn)品壽命來(lái)描述。這些特性是判別aSi:H材料質(zhì)量的重要因素。aSi:H中固有的按電導(dǎo)率小于。測(cè)量其按電導(dǎo)率需要對(duì)一個(gè)很小的電流進(jìn)行測(cè)定，為了不影響電流的測(cè)量采取除潮或擴(kuò)散雜質(zhì)的方法。因此，測(cè)量通常是在真空或惰性氣體的環(huán)境中進(jìn)行，樣品需要退火半小時(shí)到來(lái)蒸發(fā)所有薄膜表面的潮氣。應(yīng)用100V電壓來(lái)控制1μm厚的aSi:H樣品接收10個(gè)微安的電流，便于測(cè)量。暗電導(dǎo)決定于： （2） U是外施電壓，I是測(cè)得電流，l是電極長(zhǎng)度（～12cm），w是兩電極間的距離（），d是薄膜的厚度。ii. 光電導(dǎo)率光電導(dǎo)率可以給予測(cè)量按電導(dǎo)率的樣品材料通以合適的光照進(jìn)行測(cè)量。aSi:H的光電流可以用等式（2）進(jìn)行計(jì)算，且應(yīng)該高。光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)的比率稱為光電靈敏度。這個(gè)系數(shù)給出了一種材料是否適合作為太陽(yáng)能電池光敏材料重要依據(jù)。aSi:H中比較良好的光電靈敏度系數(shù)應(yīng)高于。量子效率遷移率產(chǎn)品壽命十分有用，包含著aSi:H薄膜的光吸收，運(yùn)輸和再?gòu)?fù)合的數(shù)據(jù)。這個(gè)量可以根據(jù)在照射到樣品的波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)的單色光測(cè)量下的光電流計(jì)算得到。通常，600nm波長(zhǎng)的光被選為探測(cè)光束，且其值由以下式子得到：。當(dāng)假設(shè)非晶硅中的=1時(shí)，意味著一個(gè)吸收的光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，遷移率產(chǎn)品壽命在600nm是 ≥。在含氫的非晶硅中，氫能夠很好地和懸掛鍵結(jié)合，飽和懸掛鍵，降低其缺陷密度，去除其電學(xué)影響，達(dá)到鈍化非晶硅結(jié)構(gòu)缺陷的目的。氫的加入還可以改變非晶硅的能隙寬度，隨著非晶硅中氫含量的增加。如在硅烷中摻入5%15%的氫氣，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的非晶硅，懸掛鍵缺陷密度為。但是，氫在非晶硅中也會(huì)引起負(fù)面作用。研究指出，含氫非晶硅中能夠產(chǎn)生光致亞穩(wěn)缺陷。非晶硅在長(zhǎng)期光照下，其光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)同時(shí)下降，然后才保持穩(wěn)定，其中暗電導(dǎo)可以下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而導(dǎo)致非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低；然后，經(jīng)短時(shí)間熱處理，其性能又可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這種效應(yīng)被稱為是StablerWronski效應(yīng)（SW效應(yīng)）。沒(méi)有摻雜的非晶硅薄膜由于其結(jié)構(gòu)缺陷,存在懸掛鍵、斷鍵、空穴等,導(dǎo)致其電學(xué)性能差而很難做成有用的光電器件。所以,必須對(duì)其進(jìn)行氫摻雜飽和它的部分懸掛鍵,降低其缺陷態(tài)密度,這樣才能增加載流子遷移率,提高載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度,延長(zhǎng)載流子壽命,使其成為有用的光電器件。然而,氫化非晶硅薄膜經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)光照射或電流通過(guò)，由于SiH鍵很弱,H很容易失去,形成大量的Si懸掛鍵,從而使薄膜的電學(xué)性能下降,而且這種H行為還是一種“鏈?zhǔn)健狈磻?yīng),失去H的懸掛鍵又吸引相鄰鍵上的H,使其周圍的SiH鍵松動(dòng),致使相鄰的H原子結(jié)合為H2,便于形成的氣泡。硅懸掛鍵的產(chǎn)生和缺陷的形成是制約氫化非晶硅薄膜應(yīng)用的主要原因,只有正確理解光致衰退效應(yīng)的機(jī)理,才能解決好氫化非晶硅薄膜的穩(wěn)定性問(wèn)題。不同條件制備的非晶硅薄膜的光致衰減效應(yīng)是不同的，薄膜生長(zhǎng)參數(shù)和光照條件對(duì)光致衰減有著不同的影響。Yang等研究了不同條件下光致衰減的情況，指出光照強(qiáng)度、光照時(shí)的電池溫度都影響光致衰減，而且電池在500C以上光照時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)光致衰減的飽和現(xiàn)象。但是，薄膜內(nèi)部應(yīng)力和光致衰減效應(yīng)的關(guān)系不大。由于非晶硅結(jié)構(gòu)是一種無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有長(zhǎng)程無(wú)序性,所以對(duì)載流子有極強(qiáng)的散射作用,導(dǎo)致載流子不能被有效地收集。為了提高非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,一般不采取單晶硅太能電池的pn結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)?輕摻雜的非晶硅費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)較小,如果兩邊都采取輕摻雜或一邊是輕摻雜另一邊用重?fù)诫s材料,則能帶彎曲較小,電池開路電壓受到限制。如果直接用重?fù)诫s的p+和n+材料形成p+n+結(jié),由于重?fù)诫s非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高,少子壽命低,電池性能會(huì)很差。因此,通常在兩個(gè)重?fù)诫s層中淀積一層未摻雜非晶硅層(i層)作為有源集電區(qū),即pin結(jié)構(gòu)。非晶硅太陽(yáng)能電池光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i層,與晶態(tài)硅太陽(yáng)能電池載流子主要由于擴(kuò)散而移動(dòng)不同,在非晶硅太陽(yáng)能電池中,光生載流子由于擴(kuò)散長(zhǎng)度小主要依靠電池內(nèi)電場(chǎng)作用做漂移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)非晶硅電池采取pin結(jié)構(gòu)以后,電池在光照下就可以工作了,但因存在光致衰退效應(yīng),電池性能不穩(wěn)定,電池轉(zhuǎn)換效率隨光照時(shí)間逐漸衰退,所以電池的結(jié)構(gòu)與工藝還要進(jìn)一步優(yōu)化。影響非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的主要因素有:透明導(dǎo)電膜、窗口層性質(zhì)(包括窗口層光學(xué)帶隙寬度、窗口層導(dǎo)電率及摻雜濃度、窗口層激活能、窗口層的光透過(guò)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(yáng)能電池結(jié)構(gòu)等。非晶硅薄膜電池的結(jié)構(gòu)一般采取疊層式或進(jìn)行集成或構(gòu)造異質(zhì)結(jié)等形式。在非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的pin結(jié)構(gòu)中，由于本征層的厚度最大，受SW效應(yīng)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(yīng)，主要是要減少本征非晶硅硅層中的氫含量。在材料制備方面，研究者開發(fā)了電子回旋共振化學(xué)氣相沉積（ECRCVD），氫化學(xué)氣相沉積（HRCVD）和熱絲（HW）化學(xué)氣相沉積等技術(shù)；在制備工藝方面，采用了氫等離子體化學(xué)退火法等，都可以有效地減弱SW效應(yīng)。另外，電池結(jié)構(gòu)的改變也能夠降低SW效應(yīng)的影響。利用多帶隙疊層電池結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)疊層子電池的本征非晶硅i層的厚度降低，相對(duì)使每個(gè)子電池的內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，增加了各子電池的收集效率，從而可以有效地克服部分SW效應(yīng)的作用，如下圖56所示。圖56 雙結(jié)非晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖i．非晶硅的光吸收系數(shù)比晶硅大一個(gè)數(shù)量級(jí)，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；（無(wú)論是單層還是多層），可以在薄膜的生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)完成；（單晶硅電池，多晶硅電池約在—進(jìn)行擴(kuò)散和拉單晶），能源消耗??；，較低的暗電導(dǎo)；，如下表51列舉了三種電池的能耗、材耗及能量回收期：?jiǎn)尉щ姵囟嗑щ姵胤蔷щ姵睾穸?4004001溫度/1 0001 000200能耗/2 0001 000100能耗回收期/年表51 三種電池能耗、材耗和能量回收期，對(duì)于同樣峰瓦數(shù)的太陽(yáng)電池，非晶硅電池可比單晶硅、多晶硅電池產(chǎn)生更多的電能，下表52列出了不同廠家生產(chǎn)的四種類型的太陽(yáng)電池，在相同地點(diǎn)安裝，每千瓦電池一年內(nèi)的實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)：CorporationsCellsEfficiencyGross Capacity of cellsBP SolarcSi13．5%977SiemenscSi%930KyocerapSi%964ASEpSi%966ShellpSi%961UniSolaraSi%1 164Free EnergyaSi%1 084BP SolaraSi%1 001SiemensCIGS%963表52 不同廠家的四類電池發(fā)電總量比較第二節(jié) 工藝路線非晶硅的制備需要很快的冷卻速率，一般要大于，所以，其制備通常利用物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)。制備非晶硅主要利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）、光化學(xué)氣相沉積（photoCVD）和熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD）等，而最常用的技術(shù)是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，即輝光放電分解氣相沉積技術(shù)。（rfPECVD）aSi:H最普遍的沉積方法是射頻PECVD技術(shù)（）。等離子體的作用是提供能量使得硅和硅烷氣體分離。由等離子體中的二次電子在電場(chǎng)內(nèi)加速獲得能量而發(fā)生碰撞完成。aSi:H薄膜的生長(zhǎng)由分離的硅烷原子的反應(yīng)顆粒吸附到生長(zhǎng)膜表面。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。在碰撞中傳遞給硅烷原子的能量由可見光輻射產(chǎn)生，因此沉積方法與輝光放電有關(guān)。PECVD的重要優(yōu)勢(shì)是沉積溫度通常在，低溫過(guò)程允許低價(jià)材料作為襯底，例如玻璃，不銹鋼和柔性塑料箔。ii. PECVD沉積系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由五部分組成（如圖57所示）1. 有雙電極的不銹鋼高真空反應(yīng)室，射頻饋入裝置，基片座和基底加熱部件。2. 氣體控制系統(tǒng)包括質(zhì)量流量控制器和幾個(gè)氣閥來(lái)控制氣體流動(dòng)，而氣體用來(lái)沉積本征層和摻雜層和控制反應(yīng)室的壓強(qiáng)。3. 泵浦系統(tǒng)，通常由渦輪分子泵和回轉(zhuǎn)機(jī)械泵組成，可以控制反應(yīng)氣體。4. 廢棄處理系統(tǒng)，由一個(gè)洗滌器來(lái)處理出氣口的氣體。5. 一個(gè)電控制部分，由一個(gè)直流發(fā)電機(jī)或射頻發(fā)電機(jī)組成帶有真空，壓強(qiáng)，壓力和溫度測(cè)定功能。:H的PECVD沉積可以分四個(gè)步驟：1. 主要的氣相反應(yīng)，SiH4分子由于電子碰撞激發(fā)被分解產(chǎn)生不同中性激發(fā)源，分子，正負(fù)離子和電子。2．原子、離子和激勵(lì)源在等離子體中第二個(gè)反應(yīng)將形成活性組分并最終形成大的硅氫基團(tuán)，被稱為粉末顆粒。中性的組分?jǐn)U散到襯底，正離子轟擊到活性膜，負(fù)離子被等離子體收集。3．激勵(lì)源與生長(zhǎng)膜表面反應(yīng)，例如激勵(lì)源擴(kuò)散，化學(xué)鍵，氫吸附或逃逸表面。4．下表面氫釋放以及硅網(wǎng)絡(luò)馳豫。圖57 射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)示意圖激勵(lì)源通常被認(rèn)為是aSi:H生長(zhǎng)最主要的激勵(lì)源。因?yàn)橐r底生長(zhǎng)被氫終止，激勵(lì)源沒(méi)有形成生長(zhǎng)薄膜但是分布在表面擴(kuò)散直到它遇到懸掛鍵。因此聯(lián)結(jié)著懸掛鍵，對(duì)于生長(zhǎng)有著重要作用。聯(lián)結(jié)到生長(zhǎng)表面需要合適的懸掛鍵，而懸掛鍵產(chǎn)生于氫離開表面。氫可以由熱激發(fā)或提取獲得，懸掛鍵和原子則形成。盡管其他激勵(lì)源對(duì)于生長(zhǎng)貢獻(xiàn)很少，但是它們?cè)诒∧ぬ匦陨掀鹬匾饔?。和更高硅烷激?lì)源比有更高吸附系數(shù)并且可以直接合并到氫終端表面。然而，這些激勵(lì)源在生長(zhǎng)上的作用會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量差的薄膜，因此這些激勵(lì)源在等離子體中的影響應(yīng)該忽略。據(jù)估計(jì)，離子大約有10%的貢獻(xiàn)在aSi:H生長(zhǎng)方面。因此，沉積過(guò)程是一個(gè)氣體和表面反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，可以由沉積系數(shù)控制，如：氣體成分，流速和壓強(qiáng)，能量密度和頻率，襯底溫度，電極幾何形狀等等。另外典型PECVD沉積系統(tǒng)的參考值如下：硅烷流速2050sccm，襯底溫度，射頻能量密度，電極距離13cm。典型沉積速率是?？梢杂?jì)算用這些傳統(tǒng)條件，沉積一塊300nm厚的aSi:H吸收層需要花費(fèi)25到50分鐘。當(dāng)需要擴(kuò)大化生產(chǎn)時(shí)，沉積速率需要在。因此大量研究和實(shí)驗(yàn)都在做提高沉積速率同時(shí)不影響材料質(zhì)量的努力。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(chǎn)生高的電子密度和溫度，便于原子的分解。然而，增加能量會(huì)導(dǎo)致更高的硅烷激勵(lì)源的產(chǎn)生并最終形成粉末，產(chǎn)生這樣一種沉積狀況。這些沉積狀況增加了的氫和鍵會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量差的薄膜。為了在高沉積速率情況下便于形成緊密的硅網(wǎng)絡(luò)，抑制鍵的形成十分重要。這可以通過(guò)降低等離子體中電子溫度或增加沉積溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高沉積速率下，達(dá)到的高沉積溫度是需要的，用來(lái)促進(jìn)更高硅烷態(tài)的擴(kuò)散和從生長(zhǎng)表面清除氫。然而，吸收層的如此高沉積溫度會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池下面各層產(chǎn)生溫度危害。在氣相高沉積速率下抑制更高硅烷激勵(lì)源和短的激勵(lì)源壽命成為一種普遍的沉積aSi:H的方案。為了獲得更高沉積速率，兩種方法需要采用。首先，就是前面提及的操作PECVD技術(shù)的參數(shù)情況。第二種方法的是研究和發(fā)展新的沉積技術(shù)，如熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD）技術(shù)，接觸反應(yīng)化學(xué)氣相沉積和熱膨脹等離子體化學(xué)氣相沉積（ETPCVD）技術(shù)。第三節(jié) 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn) 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池存在的主要問(wèn)題非晶硅是一種很好的太陽(yáng)能電池材料，非晶硅太陽(yáng)電池也得到很大發(fā)展，其商品穩(wěn)定效率已達(dá)到8%，但目前非晶硅電池仍然存在一些問(wèn)題，主要集中在以下兩個(gè)方面：； 。要提高轉(zhuǎn)化效率，就需要改進(jìn)并探索窗口材料，如：納米硅復(fù)合薄膜。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(zhuǎn)化效率。而穩(wěn)定性不高的問(wèn)題，則主要是由于光致衰退而引起的，即SW效率，近年來(lái)投入了大量的精力來(lái)研究光致衰退問(wèn)題，光衰退隨著i層厚度的增大而增大，這是因?yàn)樵趇層產(chǎn)生的光生載流子復(fù)合因內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度的減少而增大，對(duì)i層內(nèi)建電場(chǎng)分布的計(jì)算，可看出隨i層厚度的減小，最低電場(chǎng)強(qiáng)度增大，因此，解決穩(wěn)定性不高的問(wèn)題則主要集中在i層材料性能的改善上，而解決這些問(wèn)題的一個(gè)較好的途徑就是制備疊層太陽(yáng)能電池，疊層太陽(yáng)電池是使用對(duì)應(yīng)于不同太陽(yáng)光譜部分的不同光伏材料膜層來(lái)制作的。 項(xiàng)目采用疊層太陽(yáng)能電池改善電池穩(wěn)定性不高的問(wèn)題1. 透明導(dǎo)電膜(TCO)透明導(dǎo)電膜在太陽(yáng)能電池上主要用作電池的透明電極,有些還可同時(shí)作為減反射膜。不同透明導(dǎo)電膜的電學(xué)、光學(xué)以及結(jié)構(gòu)等都不相同,亦對(duì)太陽(yáng)能電池的光電特性和輸出特性(如電池的內(nèi)外量子效率、短路電流、開路電壓、填充因子等)產(chǎn)生不同的影響。如有人發(fā)現(xiàn)用ZnO∶Al膜作TCO/naSi∶H/iaSi∶H/pcSi/A結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的前電極時(shí)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。一般,在太陽(yáng)能電池中對(duì)透明導(dǎo)電膜的要求是載流子濃度高、帶隙寬度大、光電特性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、較低的電阻率、機(jī)械強(qiáng)度高以及優(yōu)良的耐磨損性等。2. 窗口層性質(zhì)提高非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率一般要求窗口材料光學(xué)帶隙寬且較低的電阻率和激活能。寬的光學(xué)帶隙可以減少對(duì)入射光的吸收,進(jìn)而增大電池的短路電流。低的激活能有利于增大電池的內(nèi)建電勢(shì)和開路電壓。低的電阻率可以減小電池的串聯(lián)電阻,從而改善其填充因子。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(duì)光的吸收,但窗口層過(guò)薄,會(huì)降低pi結(jié)內(nèi)建電場(chǎng),這對(duì)提高開路電壓不利。一般對(duì)于非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池降低窗口層的摻雜濃度有利于光生載流子的傳輸與收集,但為了增加電池內(nèi)電勢(shì)和減小串聯(lián)電阻,窗口摻雜濃度要適當(dāng)調(diào)高,然而高摻雜將導(dǎo)致電池“死層”出現(xiàn),一般人們選擇重?fù)诫s薄p層作為窗口層。3．a(chǎn)Si電池各層界面由于界面處容易產(chǎn)生缺陷、懸掛鍵等復(fù)合中心,所以界面態(tài)狀況對(duì)電池的開路電壓和填充因子有非常顯著的影響,對(duì)界面有效地處理利于薄膜的沉積和減少界面的復(fù)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(yáng)能電池必須盡可能降低界面層的缺陷態(tài)密度。另外,對(duì)于非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電