【導(dǎo)讀】果的顯著變化等。本項(xiàng)目產(chǎn)品的主要用途、應(yīng)用領(lǐng)域、需求量及未來市場預(yù)測(cè)；項(xiàng)目產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)壽命期；

　　

【正文】 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(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(dòng)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(dòng)。當(dāng)非晶硅電池采取 pin 結(jié)構(gòu)以后 ,電 33 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(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 7所示。 34 圖 7 雙結(jié)非晶硅電池結(jié)構(gòu)示意圖 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容 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； PIN 結(jié)（無論是單層還是多層），可以在薄膜的生產(chǎn)過程中同時(shí)完成； PIN結(jié)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(jìn)行擴(kuò)散和拉單晶），能源消耗小； 有較高的光電導(dǎo)，較低的暗電導(dǎo) ； ，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(duì)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 3 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(diǎn)安裝，每千瓦電池一年內(nèi)的實(shí)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(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)。 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 （ rfPECVD） aSi:H最普遍的沉積方法是射頻 PECVD技術(shù)（頻率是 ）。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(shì)是沉積溫度通常在 CC 00 250200 ? ，低溫過程允許低價(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)簡單，主要由五部分組成 （如圖 8 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)氣閥來控制氣體流 37 動(dòng)，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(gè)洗滌器 來處理出氣口的氣體。 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。 38 圖 8 射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)示意圖 3SiH 激勵(lì)源通常被認(rèn)為是 aSi:H 生長最主要的激勵(lì)源。因?yàn)橐r底生長被氫終止， 3SiH 激勵(lì)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 3SiH 聯(lián)結(jié)著懸掛鍵，對(duì)于生長有著重要作用。3SiH 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 4SiH 原子則形成。盡管其他激勵(lì)源對(duì)于生長貢獻(xiàn)很少，但是它們?cè)诒∧ぬ匦陨掀鹬匾饔谩?SiH 和更高硅烷激勵(lì)源比 3SiH 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 39 10%的貢獻(xiàn)在 aSi:H生長方面。 因此，沉積過程是一個(gè)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，壓強(qiáng) ，襯底溫度 CC 00 250200 ? ，射頻能量密度 25020 ?? mWcm ，電極距離 13cm。典型沉積速率是 121 ?? sA? ?？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 120xx ?? sA? 。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 4SiH 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 2SiH 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 2SiH 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(shí)現(xiàn)。在高沉積速率下，達(dá)到 C?350 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(huì)對(duì)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(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 40 沉積（ ETPCVD）技術(shù)。 （ 包括技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新、產(chǎn)品性能及使用效果的顯著變化等。 ） 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%， 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(gè)方面： ； 表 4 非晶硅薄膜電池產(chǎn)量及市場份額情況統(tǒng)計(jì) 。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?yàn)樵?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(duì) i 層內(nèi)建電場分布的計(jì)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 41 在 i 層材料性能的改善上，而 解決這些問題的一個(gè)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(duì)應(yīng)于不同太陽光譜部分的不同光伏材料膜層來制作的。 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(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(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 窗口層過薄 ,會(huì)降低 pi 結(jié)內(nèi)建電場 ,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。 42 3． aSi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)太陽能電池 ,當(dāng)兩個(gè)能帶不匹配的電池層界面之間由于能帶不連續(xù) ,在界面處易形成界面勢(shì)壘和引起漏電流以及形成懸掛鍵等 ,為了緩和這種情形可以在界面處插入一層緩沖層 ,它起到帶隙過渡作用和改善異質(zhì)結(jié)界面晶格失配問題 ,還可以降低界面態(tài)密度 ,鈍化結(jié)處表面懸掛鍵 ,調(diào)節(jié)能帶偏移 ,利于光生載流子的收集和減小復(fù)合漏電電流。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。 4． aSi 電池各層厚度 非晶硅電池各層厚度的選擇要以提高電池轉(zhuǎn)換效率和電池的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。一般非晶硅電池的結(jié)構(gòu)均采取 pin 結(jié)構(gòu) ,p 層和 n 層的選擇要保證內(nèi)建電場達(dá)到 i 層厚度內(nèi)所需最小電場 ,同時(shí)還要保證i 層有充分的光吸收。 i層起著載流子產(chǎn)生與收集的作用 ,i層太薄無法產(chǎn)生足夠的光生載流子 ,太厚則會(huì)出現(xiàn)死場而無法有效收集光生載流子。對(duì)于 aSi∶ H 太陽能電池 ,由于空穴擴(kuò)散長度很小 ,決定了光電導(dǎo)主要來自耗盡層的貢獻(xiàn) ,光生載流子的生成主要