多晶硅薄膜和非晶硅薄膜太陽能電池對比分析

一、多晶硅薄膜太陽能電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350－450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽能電池。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜電池。

化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4為反應(yīng)氣體，在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。

多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。德國費(fèi)萊堡太陽能研究所采用區(qū)館再結(jié)晶技術(shù)在FZSi襯底上制得的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19％，日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)16.42%。半導(dǎo)體、芯片、集成電路、設(shè)計(jì)、版圖、芯片、制造、工藝、制程、封裝、測試。液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。美國Astropower公司采用LPE制備的電池效率達(dá)12．2％。中國光電發(fā)展技術(shù)中心的陳哲良采用液相外延法在冶金級硅片上生長出硅晶粒，并設(shè)計(jì)了一種類似于晶體硅薄膜太陽能電池的新型太陽能電池，稱之為“硅?！碧柲茈姵兀嘘P(guān)性能方面的報(bào)道還未見到。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，其實(shí)早在70年代初，Carlson等就已經(jīng)開始了對非晶硅電池的研制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上己有許多家公司在生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。

非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即所謂的光致衰退S一W效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的p、i、n層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個(gè)或多個(gè)P-i-n子電池制得的。

疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；②頂電池的i層較薄，光照產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化不大，保證i層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰退效應(yīng)減??；④疊層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。

非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法、PECVD法、LPCVD法等，反應(yīng)原料氣體為H2稀釋的SiH4，襯底主要為玻璃及不銹鋼片，制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。

目前非晶硅太陽能電池的研究取得兩大進(jìn)展：第一、三疊層結(jié)構(gòu)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13％，創(chuàng)下新的記錄；第二.三疊層太陽能電池年生產(chǎn)能力達(dá)5MW。美國聯(lián)合太陽能公司（VSSC）制得的單結(jié)太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率為9．3%，三帶隙三疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率為上述最高轉(zhuǎn)換效率是在小面積（0．25cm2）電池上取得的。

曾有文獻(xiàn)報(bào)道單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率超過12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為13．2％。國內(nèi)關(guān)于非晶硅薄膜電池特別是疊層太陽能電池的研究并不多，南開大學(xué)的耿新華等采用工業(yè)用材料，以鋁背電極制備出面積為20X20cm2、轉(zhuǎn)換效率為8．28％的a－Si/a－Si疊層太陽能電池。

非晶硅太陽能電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本及重量輕等特點(diǎn)，有著極大的潛力。但同時(shí)由于它的穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。

注：太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價(jià)格更便宜。

三、非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)

非晶硅太陽能電池之所以受到人們的關(guān)注和重視，是因?yàn)樗哂腥缦轮T多的優(yōu)點(diǎn)：

1.非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)，特別是在0.3-0.75um 的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級。因而它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1um厚)就能吸收90%有用的太陽能，這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)格太陽能電池的最主要因素。

2. 非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0 eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽能電池的開路電壓高。

3.制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡單，淀積溫度低，時(shí)間短，適于大批生產(chǎn)，制作單晶硅電池一般需要1000度以上的高溫，而非晶硅電池的制作僅需200度左右。

4.由于非晶硅沒有晶體硅所需要的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題，因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。

5.制備非晶硅太陽能電池能耗少，約100千瓦小時(shí)，能耗的回收年數(shù)比單晶硅電池短很多。

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