太陽能光伏發(fā)電作為一種應(yīng)用潔凈可再生能源的技術(shù)倍受人們關(guān)注。迄今為止,太陽能電池材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:第一代單晶硅和多晶硅太陽能電池,它們是太陽能電池市場的主流產(chǎn)品;第二代基于薄膜材料的太陽能電池,主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、砷化鎵薄膜電池以及銅銦硒薄膜電池等;鑒于前兩代太陽能電池存在的諸多不足,人們認(rèn)為薄膜化、轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富且無毒的太陽能電池應(yīng)該是第三代太陽能電池的研發(fā)方向。非晶硅薄膜太陽能電池若能解決轉(zhuǎn)換效率低和穩(wěn)定性差的問題,則具備第三代太陽能電池的條件。因此,目前許多國家和地區(qū)正在投入大量人力和物力來攻克這兩大難題。

1非晶硅電池特點

非晶硅太陽能電池作為一種新型太陽能電池,其原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn),因而具有廣闊的市場前景。它具有較高的光吸收系數(shù),在0.4~0.75μm的可見光波段,其吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個數(shù)量級,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1μm厚)就能吸收約80%有用的太陽能,且暗電導(dǎo)很低,在實際使用中對低光強光有較好的適應(yīng),特別適用于制作室內(nèi)用的微低功耗電源,這些都是非晶硅材料最重要的特點,也是它能夠成為低價太陽能電池的重要因素。非晶硅薄膜電池由于沒有晶體硅所需要的周期性原子排列要求,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,在較低的溫度(200℃左右)下可直接沉積在玻璃、不銹鋼、塑料膜和陶瓷等廉價襯底材料上,工藝簡單,單片電池面積大,便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),同時亦能減少能量回收時間,降低生產(chǎn)成本。另外,非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大,隨制備條件的不同約在1.5~2.0eV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,同時,還適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池,可做成半透明的電池組件,直接用做幕墻和天窗玻璃,從而實現(xiàn)光伏發(fā)電和建筑房屋一體化?？傊?非晶硅薄膜電池具有生產(chǎn)成本低、能量回收時間短、適于大批量生產(chǎn)、弱光響應(yīng)好以及易實現(xiàn)與建筑相結(jié)合、適用范圍廣等優(yōu)點。

由于非晶硅半導(dǎo)體材料(a-Si)最基本的特征是組成原子的排列為長程無序、短程有序,原子之間的鍵合類似晶體硅,形成的是一種共價無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),它含有一定量的結(jié)構(gòu)缺陷、懸掛鍵、斷鍵等,因此載流子遷移率低、擴(kuò)散長度小、壽命短,所以這種材料是不適合直接做成半導(dǎo)體器件的。為了降低非晶硅中缺陷態(tài)密度,使之成為有用的光電器件,人們發(fā)現(xiàn)通過對其氫化處理后非晶硅材料中大部分的懸掛鍵被氫補償,形成硅氫鍵,降低了態(tài)隙密度。1976年研究人員成功實現(xiàn)了對非晶硅材料的p型和n型摻雜,實現(xiàn)了a-Si-pn結(jié)的制作。

但這種氫化非晶硅pn結(jié)不穩(wěn)定,而且光照時光電導(dǎo)不明顯,幾乎沒有有效的電荷收集。因此為了把非晶硅材料做成有效的太陽能電池,常采取的結(jié)構(gòu)模式為pin結(jié)構(gòu),p層和i層起著建立內(nèi)建電場的作用,i層起著載流子產(chǎn)生與收集的作用。此外,非晶硅材料的光學(xué)帶隙為1.7eV,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,解決這個問題的方法就是制備疊層太陽能電池,一方面增加太陽光利用率,另一方面提高非晶硅太陽能電池效率。但是,非晶硅薄膜太陽能電池光電效率會隨著光照時間延續(xù)而衰減,即所謂的光致衰退(S-W效應(yīng))效應(yīng),主要是因為Si-H鍵很弱,在光照下H很容易失去,形成大量Si懸掛鍵,并且非晶硅薄膜電池轉(zhuǎn)換效率低,一般在10%左右。所以為了提高電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,必須盡量減小光致衰退影響和優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和工藝。

2非晶硅電池光致衰退效應(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)較長時間的強光照射或電流通過時,由于Si-H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,而且這種失H行為還是一種"鏈?zhǔn)?quot;反應(yīng),失去H的懸掛鍵又吸引相鄰鍵上的H,使其周圍的Si-H鍵松動,致使相鄰的H原子結(jié)合為H2,便于形成H2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。

現(xiàn)在S-W效應(yīng)的機(jī)制還是一個有待進(jìn)一步研究解決的問題,人們提出了各種理論進(jìn)行解釋,有的認(rèn)為是光照在樣品中產(chǎn)生了新的缺陷,這種缺陷增加了隙態(tài)密度,降低了光電導(dǎo)和暗電導(dǎo);有的認(rèn)為是光照產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)缺陷;有的認(rèn)為是光照引起了非晶硅結(jié)構(gòu)的變化;還有人認(rèn)為空間電荷效應(yīng)是氫化非晶硅電池光誘導(dǎo)性能衰退的主要物理機(jī)制,在光照射下非晶硅太陽能電池光生空穴俘獲產(chǎn)生的帶正電缺陷使電池內(nèi)部有了凈正空間電荷,從而把高電場調(diào)制到p/i界面,而使i/n界面附近電場強度下降以致出現(xiàn)低場"死層",低場"死層"降低非晶硅太陽能電池對光生載流子的收集,使電池性能隨著光照而衰退?？偟目捶ㄕJ(rèn)為,光致衰退效應(yīng)起因于光照導(dǎo)致在帶隙中產(chǎn)生了新的懸掛鍵缺陷態(tài)(深能級),這種缺陷態(tài)會影響氫化非晶硅薄膜材料的費米能級的位置,從而使電子的分布情況發(fā)生變化,進(jìn)而一方面引起光學(xué)性能的變化,另一方面對電子的復(fù)合過程產(chǎn)生影響。這些缺陷態(tài)成為電子和空穴的額外復(fù)合中心,使得電子的俘獲截面增大、壽命下降。目前對于氫化非晶硅薄膜光致衰退原理人們建立了很多模型,主要有弱鍵斷裂(SJT)模型、"H玻璃"模型、H碰撞模型、Si-H-Si橋鍵形成模型、"defectpool"模型等,但至今仍沒有形成統(tǒng)一的觀點。為了阻止S-W效應(yīng),一方面要減少a-Si:H材料中的Si-H鍵和O、N等雜質(zhì)污染,另一方面要適當(dāng)減少i層厚度,增強內(nèi)建電場,從而減少光生載流子的復(fù)合,抑制電池特性的光致衰退效應(yīng)。

3非晶硅電池性能影響因素

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陽能電池的p-n結(jié)構(gòu)。這是因為:輕摻雜的非晶硅費米能級移動較小,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p-i-n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。

3.1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/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/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)械強度高以及優(yōu)良的耐磨損性等。

3.2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p-i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。

3.3a-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)太陽能電池,當(dāng)兩個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。

3.4a-Si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。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,太厚則會出現(xiàn)死場而無法有效收集光生載流子。對于a-Si: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在i層。耗盡層寬度愈寬則光電流愈大,因此耗盡層寬度成為決定a-Si:H太陽能電池能的一個重要因素。另外,耗盡層寬度與間隙態(tài)密度g(E)有關(guān),g(E)愈低則耗盡層寬度愈大,但g(E)的降低必然導(dǎo)致耗盡區(qū)的加寬。同時,隨著a-Si:H的費米能Ef向本征費米能Ei的移動,也會引起耗盡層寬度的增大,因而i層厚度的控制在非晶硅電池制造過程中尤為關(guān)鍵。同時電池的p、n層厚度要滿足使進(jìn)入電池且能量足以產(chǎn)生電子空穴對的光子透過率為零,提高入射光子吸收率,但電池總厚度不能過厚,越厚,p、n層之間形成的內(nèi)建電場越小,電子空穴越難被電極吸收,同時電池越厚電池性能衰退也越大。

3.5a-Si電池結(jié)構(gòu)

目前非晶硅太陽能電池的主要缺點是光電轉(zhuǎn)換效率低和存在光致衰退效應(yīng)?？梢酝ㄟ^不斷優(yōu)化非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)以達(dá)到改善其性能的目的。常采用的非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)有疊層非晶硅太陽能電池和集成型非晶硅太陽能電池。疊層太陽能電池是在制備的pin層單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個pin子電池,各個子電池對太陽光譜的不同區(qū)域都設(shè)計成最佳響應(yīng)匹配,以最大限度地吸收太陽光能量。集成型非晶硅太陽能電池是由若干分立小電池組合而成的,類似于太陽能電池組合板。集成型太陽能電池可以有效避免"電池尺寸效應(yīng)"。所謂!電池尺寸效應(yīng)?即人們在研究太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率與面積之間關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率會隨電池面積的增大而衰減。對一塊有確定面積的集成電池襯底,其集成度越高,單個電池的面積就越小,整個透明電極的功率損耗也就越小,但有效電池面積的損失就越大,因此,將大面積電池分割為小面積電池必存在一最佳值。人們通過優(yōu)化非晶硅太陽能電池各層厚度可以增強內(nèi)建電場減少光生載流子復(fù)合幾率,同時可以增加載流子遷移率和提高電池穩(wěn)定性。在提高太陽光吸收率方面,人們可以對非晶硅太陽能電池實施表面減射技術(shù)和光陷阱技術(shù)以及制作絨面結(jié)構(gòu),增加電池內(nèi)部太陽光的光程以提高太陽光吸收率。另外,人們結(jié)合非晶硅和晶體硅電池各自優(yōu)點把非晶硅沉積在單晶硅或多晶硅或微晶硅襯底上制成異質(zhì)結(jié)太陽能電池亦可提高非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。例如,日本三洋公司產(chǎn)業(yè)化的a-Si/c-SiHIT電池效率具有高效率、穩(wěn)定、低成本的特性,而且制備過程中溫度低、能耗小、工藝相對簡單。因此,通過各種方法優(yōu)化非晶硅電池結(jié)構(gòu)成為研發(fā)非晶硅電池的重點。

4發(fā)展前景

非晶硅電池生產(chǎn)工藝簡單且溫度低、耗能小,其市場份額逐年提高。目前,一半以上薄膜太陽能電池公司采用非晶硅薄膜技術(shù),預(yù)計幾年內(nèi),非晶硅薄膜在未來薄膜太陽能電池中將占據(jù)主要份額。但光電轉(zhuǎn)換效率低和光致衰退效應(yīng)是當(dāng)前非晶硅薄膜電池存在的兩大主要問題,為提高效率和穩(wěn)定性人們在新器件結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)等方面需要加強探索。如在電池結(jié)構(gòu)方面采取疊層式和集成式;在透明導(dǎo)電膜反方面采用不僅具有電阻率低而且具有阻擋離子污染、增大入射光吸收和抗輻射效果的透明導(dǎo)電薄膜代替目前的ITO、ZnO、ZnO:Al等導(dǎo)電膜;在窗口層材料方面探索新型的寬光學(xué)帶隙和低電阻材料的窗口層材料,如非晶硅碳、非晶硅氧、微晶硅、微晶硅碳等;在非晶硅薄膜制備技術(shù)方面可以改進(jìn)RF-PECVD、超高真空PECVD技術(shù)、甚高頻(VHF)PECVD技術(shù)和微波PECVD等技術(shù),延長薄膜光子壽命、提高載流子輸運能力和薄膜的電子性能以及穩(wěn)定性等;在界面處理方面可以采取如氫鈍化技術(shù)以及插入緩沖層減少界面復(fù)合損失,提高電池短路電流和開路電壓。盡管目前效率低性能不穩(wěn)定是阻礙非晶硅薄膜太陽能電池大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙,然而優(yōu)化非晶硅薄膜電池的各種技術(shù)都還是切實可行的,隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展,非晶硅薄膜太陽能電池將會得到大規(guī)?；瘧?yīng)用。