【正文】 導(dǎo)率，光電導(dǎo)和遷移率產(chǎn)品壽命來描述。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。測量其按電導(dǎo)率需要對一個很小的電流進(jìn)行測定，為了不影響電流的測量采取除潮或擴(kuò)散雜質(zhì)的方法。因此，測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到來蒸發(fā)所有薄膜表面的潮氣。應(yīng)用100V電壓來控制1μm厚的aSi:H樣品接收10個微安的電流，便于測量。暗電導(dǎo)決定于： （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。ii. 光電導(dǎo)率光電導(dǎo)率可以給予測量按電導(dǎo)率的樣品材料通以合適的光照進(jìn)行測量。aSi:H的光電流可以用等式（2）進(jìn)行計算，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)。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)輸和再復(fù)合的數(shù)據(jù)。這個量可以根據(jù)在照射到樣品的波長相對較長的單色光測量下的光電流計算得到。通常，600nm波長的光被選為探測光束，且其值由以下式子得到：。當(dāng)假設(shè)非晶硅中的=1時，意味著一個吸收的光子產(chǎn)生一個電子空穴對，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。非晶硅在長期光照下，其光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)同時下降，然后才保持穩(wěn)定，其中暗電導(dǎo)可以下降幾個數(shù)量級，從而導(dǎo)致非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低；然后，經(jīng)短時間熱處理，其性能又可以恢復(fù)到原來的狀態(tài)，這種效應(yīng)被稱為是StablerWronski效應(yīng)（SW效應(yīng)）。沒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)散長度,延長載流子壽命,使其成為有用的光電器件。然而,氫化非晶硅薄膜經(jīng)較長時間的強(qiáng)光照射或電流通過，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,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，薄膜生長參數(shù)和光照條件對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、光照時的電池溫度都影響光致衰減，而且電池在500C以上光照時，還會出現(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)是一種無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有長程無序性,所以對載流子有極強(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)。這是因為:輕摻雜的非晶硅費(fèi)米能級移動較小,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,電池性能會很差。因此,通常在兩個重?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)硅太陽能電池載流子主要由于擴(kuò)散而移動不同,在非晶硅太陽能電池中,光生載流子由于擴(kuò)散長度小主要依靠電池內(nèi)電場作用做漂移運(yùn)動。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(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)，使得每個疊層子電池的本征非晶硅i層的厚度降低，相對使每個子電池的內(nèi)電場增強(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；（無論是單層還是多層），可以在薄膜的生產(chǎn)過程中同時完成；（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：單晶電池多晶電池非晶電池厚度/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(chǎn)生更多的電能，下表52列出了不同廠家生產(chǎn)的四種類型的太陽電池，在相同地點安裝，每千瓦電池一年內(nèi)的實際發(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內(nèi)加速獲得能量而發(fā)生碰撞完成。aSi:H薄膜的生長由分離的硅烷原子的反應(yīng)顆粒吸附到生長膜表面。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)勢是沉積溫度通常在，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。ii. PECVD沉積系統(tǒng)相對簡單，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氣閥來控制氣體流動，而氣體用來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)，由一個洗滌器來處理出氣口的氣體。5. 一個電控制部分，由一個直流發(fā)電機(jī)或射頻發(fā)電機(jī)組成帶有真空，壓強(qiáng)，壓力和溫度測定功能。:H的PECVD沉積可以分四個步驟：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、離子和激勵源在等離子體中第二個反應(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．激勵源與生長膜表面反應(yīng)，例如激勵源擴(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)示意圖激勵源通常被認(rèn)為是aSi:H生長最主要的激勵源。因為襯底生長被氫終止，激勵源沒有形成生長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，對于生長有著重要作用。聯(lián)結(jié)到生長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。盡管其他激勵源對于生長貢獻(xiàn)很少，但是它們在薄膜特性上起著重要作用。和更高硅烷激勵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，這些激勵源在生長上的作用會導(dǎo)致質(zhì)量差的薄膜，因此這些激勵源在等離子體中的影響應(yīng)該忽略。據(jù)估計，離子大約有10%的貢獻(xiàn)在aSi:H生長方面。因此，沉積過程是一個氣體和表面反應(yīng)的復(fù)雜過程，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?？梢杂嬎阌眠@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，沉積速率需要在。因此大量研究和實驗都在做提高沉積速率同時不影響材料質(zhì)量的努力?？刂瞥练e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，增加能量會導(dǎo)致更高的硅烷激勵源的產(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。這可以通過降低等離子體中電子溫度或增加沉積溫度來實現(xiàn)。在高沉積速率下，達(dá)到的高沉積溫度是需要的，用來促進(jìn)更高硅烷態(tài)的擴(kuò)散和從生長表面清除氫。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(chǎn)生溫度危害。在氣相高沉積速率下抑制更高硅烷激勵源和短的激勵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) 項目創(chuàng)新點 非晶硅薄膜太陽能電池存在的主要問題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(dá)到8%，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：； 。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)定性不高的問題，則主要是由于光致衰退而引起的，即SW效率，近年來投入了大量的精力來研究光致衰退問題，光衰退隨著i層厚度的增大而增大，這是因為在i層產(chǎn)生的光生載流子復(fù)合因內(nèi)建電場強(qiáng)度的減少而增大，對i層內(nèi)建電場分布的計算，可看出隨i層厚度的減小，最低電場強(qiáng)度增大，因此，解決穩(wěn)定性不高的問題則主要集中在i層材料性能的改善上，而解決這些問題的一個較好的途徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽電池是使用對應(yīng)于不同太陽光譜部分的不同光伏材料膜層來制作的。 項目采用疊層太陽能電池改善電池穩(wěn)定性不高的問題1. 透明導(dǎo)電膜(TCO)透明導(dǎo)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。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,亦對太陽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。一般,在太陽能電池中對透明導(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,減少對光的吸收,但窗口層過薄,會降低pi結(jié)內(nèi)建電場,這對提高開路電壓不利。一般對于非晶硅/晶硅異質(zhì)結(jié)太陽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(fù)合損失,利于提高電池的短路電流和開路電壓VOC,因此高效率太陽能電池必須盡可能降低界面層的缺陷態(tài)密度。另外,對于非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電