[科普中国]-非晶硅太阳电池

研究背景

随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化，使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为 其中有 被地球截取，这部分能量约有 的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。

目前太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20%的速度迅速发展。

发展历程1970年代的能源危机，1973年发生的石油危机告诉我们一个事实：能源问题是人类21世纪面临的最大的环境问题。据报道，以现在人类对石油和煤炭等能源材料的消耗速度计算，全球的石油储量可以维持人类使用43年，而煤炭储量够人类使用200年。能源问题早已经引起全世界的关注。发展新能源和可再生能源是全人类的共识，也是21世纪世界经济发展中最具决定性的选择。从目前的替代能源的情况看，风能、地热、核能、潮汐能、太阳能等，其中只有太阳能才是一种取之不尽用之不竭、无污染的清洁能源，因此也只有大力发展太阳能，并且也只能是使太阳能被人类更好地更有效地利用才能从根本上解决人类面临的能源问题。

发展太阳能，首先应从发展太阳能电池入手。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P-N 结上，形成空穴-电子对，在P-N 结电场的作用下，N 型半导体的空穴往P 型区移动，P 型区中的电子往N 型区移动，接通电路后就形成电流。太阳能电池是一种重要的可再生能源，既可作为独立能源，亦可实现并网发电，而且是零污染排放。通过太阳能转换的电能再用于工厂生产、日常使用，以此让太阳能服务于人类。早期的太阳能电池，主要原料是晶体硅，并且成本较高，因此只用于太空探索方面。由于晶体硅成本较高，且晶体硅太阳能电池消耗硅材料较多，另外由于科技的发展，终于在1974年Carlson在实验室内研制出最早的非晶硅太阳能电池。非晶硅电池（a-Si）是用沉积在导电玻璃或不锈钢衬底上的非晶硅薄膜制成的太阳能电池。Carlson研制出最早的非晶硅太阳能电池，揭开了非晶硅太阳能电池在光电子器件或PV 组件中应用的幄幕，但是当时的非晶硅转换效率很低，不到1%。

随后非晶硅太阳能电池开始快速发展，并且转换效率逐渐提高：

1977年，Carlson等研制成功了能量转换效率达5.5%的非晶硅肖特基势垒电池；1978年，日本大阪大学研制出非晶硅PIN电池，转换效率达4.5%；1981年秋，大阪大学又制备出了改进的a-SiC:H/a-Si:H PIN异质结太阳能电池, 其能量转换效率突破了 8%, 其中, P 型宽禁带 a-SiC:H 被用来作为电池的窗口材料，1982年，这种a-SiC:H/a-Si:H PIN异质结太阳能电池的效率又突破了10%；到1987年，非晶硅电池转换效率已达12%；1990年，日本Sanyo（三阳）公司生产的非晶硅太阳能电池，转换效率15.8%；1994年，日本出现了采用PECVD方法制备的Back Surface Field结构的非晶硅电池，转换效率达18.9%。1

结构非晶硅太阳电池是以玻璃、不锈钢及特种塑料为衬底的薄膜太阳电池，结构如图所示。为减少串联电阻，通常用激光器将TCO膜、非晶硅(A-si)膜和铝(Al)电极膜分别切割成条状， 如图2所示。国际上采用的标准条宽约1cm,称为一个子电池，用内部连接的方式将各子电池串连起来，因此集成型电池的输出电流为每个子电池的电流，总输出电压为各个子电池的串联电压。在实际应用中，可根据电流、电压的需要选择电池的结构和面积，制成非晶硅太阳电池。

第一层为普通玻璃,是电池的基底。

第二层为TCO，即透明氧化物导电膜，一方面光从它穿过被电池吸收，所以要求它的光透过率高；另一方面作为电池的一个电极，所以要求它能够导电。TCO 一般制备成绒面，主要起到减少反射光从而增加光的吸收率的作用。太阳能电池就是以这两层为衬底沉积形成的。太阳能电池的第一层为P层，即窗口层；其次是i 层，即太阳能电池的本征层，光生载流子主要在这一层产生；然后是n层，起到连接i极和背电极的作用。最后是背电极和Al/Ag 电极。

由于a-Si(非晶硅)多缺陷的特点，a-Si 的p-n 结是不稳定的，而且光照时光电导不明显，几乎没有有效的电荷收集。所以，a-Si 太阳能电池基本结构不是p-n结而是p-i-n 结。掺硼形成P 区，掺磷形成n 区，i 为非杂质或轻掺杂的本征层(因为非掺杂的a-Si 是弱n 型)。重掺杂的p、n 区在电池内部形成内建势，以收集电荷。同时两者可与导电电极形成欧姆接触，为外部提供电功率。i 区是光敏区，此区中光生电子、空穴是光伏电力的源泉。入射光尽可能多地进入i区，最大限度地被吸收，并有效地转换为电能，因此对i区要求是既保证最大限度地吸收入射光，又要保证光生载流子最大限度地输运到外电路。

非晶体硅结构的长程无序破坏了晶体硅电子跃迁的动量守恒选择定则，相当于使之从间接带隙材料变成了直接带隙材料。它对光子的吸收系数很高，通常0.5μm 左右厚度的a-Si 就可以将敏感谱域的光吸收殆尽。所以，p-i-n 结构的a-Si 电池的厚度取0.5μm 左右，而作为死光吸收区的p、n 层的厚度在10nm 量级。

原理太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物 体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

非晶硅太阳电池的工作原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生光生电子—空穴对，在电池内建电场Vb的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P边，电子漂移到N边，形成光生电动势VL, VL 与内建电势Vb相反，当VL = Vb时，达到平衡; IL = 0, VL达到最大值，称之为开路电压Voc 当外电路接通时，则形成最大光电流，称之为短路电流Isc，此时VL= 0;当外电路加入负载时，则维持某一光电压VL和光电流IL。1

制备方法非晶硅太阳电池的方法有很多种，包括等离子增强型化学气相沉积，反应溅射法、辉光放电法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。

1、反应溅射法：首先利用红外光激光对TCO导电玻璃基片进行激光刻线；激光刻线后进行超声清洗；基片清洗后装入专用沉积夹具，推入烘箱进行预热；预热后沉积夹具推入PECVD沉积真空室，利用PECVD沉积工艺，进行非晶硅沉积；而后利用绿激光对沉积好非晶硅的基片进行第二次激光刻线，刻线后进行清洗；然后对清洗好的基片利用PVD技术，镀金属背电极复合膜，作为金属背电极复合膜之一的氧化锌层沉积在非晶硅层表面，其他金属背电极层沉积在氧化锌层之上；然后利用绿激光对沉积好金属背电极的基片进行第三次激光刻线，刻线后进行清洗，至此，电池芯片结构已经形成；之后对电池芯片进行层压封装，并安装接线盒及引出导线；最后，对组件进行性能检测，合格品装箱。根据生产的光伏组件的大小规格，生产周期一般需要三至四小时。2

2、等离子增强型化学气相沉积方法：采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。

3、辉光放电法：将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体，非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。3

种类太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

技术优势（1）材料和制造工艺成本低

首先，非晶硅太阳能电池可以节省很多的硅材料。非晶硅具有较高的光吸收系数，特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级，因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜就能吸收90%有用的太阳光能。一般情况下非晶硅电池的厚度小于0.5um ，而晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍，因此非晶硅太阳能电池要节省很多的硅材料。 材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学工业可大量供应，且价格十分便宜。

由于反应温度低，可在200℃左右的温度下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。单节非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本目前可降到1.2美元/Wp。叠层非晶硅薄膜电池的成本可降至1美元/Wp以下。

综上，从原材料及生产工艺上来考虑，非晶硅的生产相对来说成本很低，并且这也成为非晶硅太阳能电池最大的优势。

（2）能量返回期短

由于制造非晶硅电池原材料及较低温生产能源消耗少，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,因此它的能量返回期较短。以转换效率为6%的非晶硅太阳电池，其生产用电约1.9度电/瓦，由它发电后返回的时间约为1.5-2年，能量返回期短。而其他多晶硅、单晶硅电池的发电返回时间一般6年以上。

（3）适于大批量生产

非晶硅材料是由气相淀积形成的，目前已被普遍采用的方法是等离子增强型化学气相淀(PECVD)法。此种制作工艺可以连续在多个真空淀积室完成，从而实现大批量生产。采用玻璃基板的非晶硅太阳能电池，其主要工序（PECVD）与TFT-LCD阵列生产相似，生产方式均具有自动化程度高、生产效率高的特点。

（4）品种多，用途广

晶硅可以在任何形状的基底上制作，并且可以可以在柔性基底或者很薄的不锈钢和塑料基底上制备超轻量级的太阳能电池；非晶硅太阳电池可做成集成型，器件功率、输出电压、输出电流都可自由设计制造，可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。可以较方便地制作出适合不同需求的多品种产品。由于光吸收系数高，暗电导很低，适合制作室内用的微低功耗电源，如手表电池、计算器电池等；由于a-Si膜的硅网结构力学性能结实，适合在柔性的衬底上制作轻型的太阳能电池；灵活多样的制造方法，可以制造建筑集成的电池，适合用户屋顶电站的安装。

（5）高温性能好

当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25℃时，其最佳输出功率会有所下降；非晶硅太阳能电池受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小得多。

（6）弱光响应好、充电效率高

非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际使用中对低光强光有较好的适应。3

目前问题非晶硅太阳能电池由于其成本低，重量轻等特性在今后的民用乃至工业应用上有着极大的发展前景，因此大力发展非晶硅太阳能电池是个可持续发展的选择，但有两个主要问题一直制约着非晶硅太阳能电池的发展：转换效率低和稳定性问题。

（1）寿命短，稳定性问题

在光的不断照射下会发生所谓Staebler-Wronski效应，光电转化效率会下降到原来的25%，这本质上正是非晶硅中有太多的以悬键为代表的缺陷，致使结构不稳定。

非晶硅太阳能电池的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，使得电池性能不稳定。

光致衰退效应也称 S-W效应，a-Si:H 薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为 Steabler-Wronski效应。对S-W 效应的起因以及造成衰退的微观机制,目前没有形成统一的观点。

总的看法如下：

没有掺杂的非晶硅薄膜由于其结构缺陷,存在悬挂键、断键、空穴等,导致其电学性能差而很难做成有用的光电器件。所以,必须对其进行氢掺杂以饱和它的部分悬挂键,降低其缺陷态密度,即形成所谓的 a-Si:H 薄膜。在这种a-Si:H 薄膜材料中,能够稳定存在的是 Si-H 键和与晶体硅类似的 Si-Si 键,这些键的键能较大,不容易被打断。然而由于a-Si:H 材料结构上的无序,使得一些 Si-Si 键的键长和键角发生变化而使 Si-Si键处于应变状态。高应变的Si-Si 键的化学势与 H 相当, 可以被外界能量打断,形成 Si-H 键或重新组成更强的 Si-Si 键。如果断裂的应变 Si-Si 键没有重构,则 a-Si:H 薄膜的悬挂键密度增加。而 S-W 效应就是由于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级),这种缺陷态会影响 a-Si:H 薄膜材料的费米能级EF的位置,从而使电子的分布情况发生变化,进而一方面引起光学性能的变化,另一方面对电子的复合过程产生影响。这些缺陷态成为电子和空穴的额外复合中心,使得电子的俘获截面增大,寿命下降。

（2）光电转化效率远比晶体硅低

现今市场上的晶体硅的光电转化效率为12%，最近面世的晶体硅的光电转化效率已经提高到18%，在实验室里，甚至可以达到29%(对比:绿色植物的叶绿体的光电转化效率小于1%)，然而非晶硅的光电转化效率一直没有超过10%。4

研究进展针对非晶硅太阳能电池存在的问题，可以采取以下措施提高非晶硅太阳能电池效率：

（1）提高非晶硅太阳能电池对光的吸收；

（2）中间层技术的研究；

（3）非晶硅电池叠层技术。

提高电池对光的吸收，可以考虑将氧化物薄膜制成绒面形状，以减少反射进而增加电池对光的吸收；中间层技术，可以考虑通过窗口层的设计增加光的吸收，或者是通过改变电池i层的结构增加光电转换效率；通过非晶硅电池叠层技术，提高电池转换效率并提高单结太阳能电池的稳定性。5

应用（1） 大规模地成本发电站

1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电站,引起光伏产业振动。

Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。

日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。

德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模太阳能电站。 我国的安徽省蚌埠市在光伏发电产业取得重大突破，2兆瓦非晶硅太阳能示范电站项目建设条件已落实，年内将竣工运营。

（2） 与建筑相配合,建造太阳能房

非晶硅太阳能电池可以制成半透明的，如作为建筑的一部分，白天既能发电又能使部分光线透过玻璃进入室内，为室内提供十分柔和的照明(紫外线被滤掉)能挡风雨，又能发电；美国，欧洲和日本的太阳能电池厂家已生产这种非晶硅瓦。 同时应该在建筑设计时考虑建筑与太阳能相结合，即从建筑的设计阶段就应该开始考虑安装太阳能电池的需要，使太阳能电池和建筑有机地结合在一起，使建筑物上的半透明的非晶硅太阳能电池一方面可以做普通玻璃使用，保证室内光照及隔离外界的作用，另一方面可以做太阳能电池使用，将照射在其表面的太阳光吸收并转换为电能，再电能储存在特定的电能存储装置中，以保证室内的照明及其他的生活需求。

（3） 太阳能照明光源

太阳能照明是以太阳能为能源，通过太阳能电池实现光电转换，白天用蓄电池积蓄、贮存电能，晚上通过控制器对电光源供电，实现所需要的功能性照明。对太阳能照明光源的要求：由于雨、雪、雷电冰雹的浸蚀和干扰，必须具有合理的安全防护等级和防雷接地；连续阴雨天需要太阳能电池板、蓄电池具有足够的容量等。由于非晶硅太阳能电池的技术优势，因此，同样功率的非晶硅太阳能灯具，其照明时间要比晶体硅太阳能路灯的照明时间长20%，而其成本每瓦要低约10元人民币。另外，由于非晶硅太阳能电池的弱光效应优于晶体硅太阳能电池，所以在较弱的光照条件下，比如清晨和傍晚或者是阴雨天气，非晶硅太阳能电池也能吸收并转换光能，从而保证太阳能照明光源正常工作。以上原因使得非晶硅太阳能电池的在太阳能照明光源中的优势更加突显。

（4） 弱光下使用

晶硅电池组件对于波长在780nm以上的光源有一定光电转化能力，弱光发电特性突出，且制备成本相对晶硅电池低，然而在这个波长范围内晶硅电池组件是无法发生伏打效应的，就是说晶硅电池在这个波长范围内很难发电。由于非晶硅太阳能电池在的弱光效应好，已被广泛用于光伏玩具、草坪灯、太阳能钥匙扣、太阳能钟、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能显示牌等不直接受光照等场合下。

（5）其他场合的应用

①太阳能信号灯

航海、航空和陆上交通信号灯的作用至关重要，许多地方电网不能供电，而太阳能信号灯可解决供电问题，光源以小颗粒定向发光的LED为主。取得了良好的经济效益和社会效益。

②太阳能景观灯

应用于广场、公园、绿地等场所，采用各种造型的小功率LED点光源、线光源，也有冷阴极造型灯来美化环境。太阳能景观灯可以不破坏绿地而得到较好的景观照明效果。4

③太阳能手电筒

采用LED作为光源，可以在野外活动或紧急情况时使用。1