非晶硅薄膜在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用

1、非晶硅薄膜在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用一、 PN結(jié)的形成與光伏效應(yīng)金剛石結(jié)構(gòu)的硅晶體中，每個硅原子都以它的四個價電子與相鄰的四個硅原子構(gòu)成共價鍵，共價鍵中的電子受到原子核的束縛力較小，但是在沒有足夠的光熱條件時，電子仍然無法自由移動，只在晶體中的特定能級上參與公有化運動，對晶體的電學(xué)性質(zhì)幾乎沒有貢獻。在當我們把四價的硅中摻雜入只有三個價電子的B雜質(zhì)，晶體中就會有一些共價鍵缺少電子而形成空穴（如下圖左圖），這種半導(dǎo)體中空穴的數(shù)量遠遠多于未摻雜時原有的電子和空穴的數(shù)量，空穴占多數(shù)，我們稱之為P型半導(dǎo)體。同理，在純凈的硅中摻入有5個價電子的磷元素，這樣必然有一個電子多余出來而不能成鍵，這樣就會在晶體中出現(xiàn)很多被

2、排斥在共價鍵之外的電子，這些新出現(xiàn)的電子數(shù)量遠超過未摻入雜質(zhì)時的電子和空穴的數(shù)量，電子占多數(shù)，我們稱之N型半導(dǎo)體。我們將摻3價雜質(zhì)而富含空穴的P型半導(dǎo)體和摻5價雜質(zhì)而富含自由電子的N型半導(dǎo)體拼接到一起，N型半導(dǎo)體中的自由電子就會因為其所在能級高且濃度大，而很容易擴散到P型半導(dǎo)體中，在兩者的表面處，P區(qū)帶負電，N區(qū)相對帶正電，于是形成一個內(nèi)電場，內(nèi)電場一方面阻止N型中的電子繼續(xù)擴散到P區(qū)，另一方面，協(xié)助P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。當擴散運動和漂移達到穩(wěn)定之后就形成了PN結(jié)（如下圖右圖）。 此時，如果對PN結(jié)施加光照，P型和N型半導(dǎo)體中的電子將從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生更多的空穴電子對，由于內(nèi)電場的作用，

3、P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都被阻擋無法闖過PN結(jié)，只有P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴在擴散到PN結(jié)區(qū)的時候能夠通過內(nèi)電場漂移過結(jié)。這樣，PN結(jié)中的光生電子空穴對就被分離，這導(dǎo)致N區(qū)附近有電子積累，P區(qū)附近有空穴積累，加上電極連接外電路，于是產(chǎn)生一個向外可測試的電壓。這就是光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。在光照界面產(chǎn)生的電子空穴對越多，外電路電流越大，界面吸收的光能越多，電流也越大。二、 非晶硅的光伏應(yīng)用目前光伏市場上，制作太陽能電池使用的最多的材料就是硅，其中主要分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池以及非晶硅太陽能電池，前兩種，由于所用材料是間接帶隙半導(dǎo)體吸收太陽能時需要一定的厚度，PN結(jié)比較厚（一般大于2

4、00微米），所以其硅原料消耗較多，成本相應(yīng)較高，電池板的價格居高不下，其所造成的硅浪費也比較大，而硅是十分多用途的重要半導(dǎo)體。非晶硅為直接帶隙半導(dǎo)體，光輻射吸收范圍廣，所需厚度薄，故此非晶硅薄膜太陽能電池可以做得很薄，光吸收薄膜總厚度大約1微米，非晶硅以其原料消耗少，低成本以及較好的性能而得到市場的青睞。三、 非晶硅太陽能電池的制作雖然同為硅單質(zhì)，但非晶硅半導(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，擴散長度小，壽命短,，所以非晶硅材料不適合直接

5、做成半導(dǎo)體器件。尤其是沒有摻雜的非晶硅薄膜由于結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致光生載流子由于受到聲子或雜質(zhì)的散射以及缺陷的阻礙，其遷移受阻，無法高效的被P區(qū)和N區(qū)收集起來，也就無法產(chǎn)生較高的光生電壓。所以, 必須對其進行氫摻雜，飽和它的部分懸掛鍵, 降低其缺陷態(tài)密度, 以增加載流子遷移率, 提高載流子擴散長度, 延長載流子壽命, 才可能將其應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)之中。同時，非晶硅結(jié)構(gòu)的長程無序破壞了晶體硅光電子的躍遷，使其從間接帶隙材料變成直接帶隙材料，對光子吸收系數(shù)很高，對敏感譜域的的光吸收殆盡。四、 非晶硅薄膜的PIN結(jié)結(jié)構(gòu)由于非晶硅結(jié)構(gòu)的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 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

6、。為了提高非晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性, 一般不采取單晶硅太陽電池的PN結(jié)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摻雜材料, 則能帶彎曲較小, 電池開路電壓受到限制; 如果直接用重摻雜的P+ 和n+ 材料形成P+-N+ 結(jié), 那么, 由于重摻雜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, 通常使用PIN結(jié)結(jié)構(gòu)，即在兩個重摻雜層中積一層未摻雜非晶硅層(i層)作為有源集電區(qū)，I區(qū)是光敏區(qū)光電導(dǎo)/暗電導(dǎo)=105 106，I層用來吸收太陽光能量，P層和N層用來形成內(nèi)建電場以收集電荷，同時兩者可與導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，為外部

7、提供電功率。當入射光照在電池表面，I層會吸收光子的能量并產(chǎn)生空穴電子對。在PN結(jié)的內(nèi)建電場作用下，空穴向P層移動，電子向N層移動。在不斷有陽光入射并存在外接負載時，會產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流。因此PIN結(jié)結(jié)構(gòu)有利于非晶硅提高光電轉(zhuǎn)換效率。五、 材料的缺點及其解決光致衰退效應(yīng)利用氫摻雜的非晶硅薄膜制作的太陽能電池薄膜存在一個致命的缺點光致衰退效應(yīng)。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（鍵能323）, 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 行為還是一種鏈式反應(yīng), 失去H 的懸掛鍵又吸引相鄰鍵上的H原子 , 使其周圍的Si

8、 -H 鍵松動, 致使相鄰的H 原子結(jié)合為H 2,（H-H鍵鍵能436） 便于形成H2的氣泡。其光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減，這樣將大大影響太陽能電池的性能。同時，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。作為解決方案可以將電池中i層的厚度減薄，同時為了避免厚度減薄帶來的對入射光吸收的減弱，可以用多個電池串聯(lián)的方式，形成多級太陽能電池組以保證足夠的光吸收。疊層太陽能電池是在制備的p-i-n單結(jié)太陽能電池上再沉積一個或多個p-i-n子電池。如上圖中所示，在一個PIN結(jié)上又層疊了另外一個PIN結(jié)。疊層型非晶硅太陽能

9、電池的工作原理：由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效的電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右。若太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的

10、光能夠透射進去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池。再者，由光致衰退導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率下降的非晶硅電池在130-175攝氏度退火后，其中H-H鍵斷裂，重新形成Si-H鍵，其效率可恢復(fù)到原始值的80%-97%，這是其他電池所不具備的性能。六、 非晶硅太陽能電池的獨特優(yōu)勢材料和制造工藝成本低。材料消耗上，不存在材料供應(yīng)的瓶頸。其襯底材料，如玻璃、不銹鋼、塑料等，價格低廉。硅薄膜厚度約1µm，昂貴的純硅材料用量很少。制作工藝為低溫工藝(100-300°C)，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短。易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。這是因為核心工藝適合制

11、作特大面積無結(jié)構(gòu)缺陷的a-Si合金薄膜；只需改變氣相成分或者氣體流量便可實現(xiàn)pn結(jié)以及相應(yīng)的疊層結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)可全程自動化。品種多，用途廣。薄膜的a-Si太陽能電池易于實現(xiàn)集成化，器件功率、輸出電壓、輸出電流都可自由設(shè)計制造，可以較方便地制作出適合不同需求的多品種產(chǎn)品。由于光吸收系數(shù)高，暗電導(dǎo)很低，適合制作室內(nèi)用的微低功耗電源，如手表電池、計算器電池等。由于a-Si膜的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能結(jié)實，適合在柔性的襯底上制作輕型的太陽能電池。靈活多樣的制造方法，可以制造建筑集成的電池，適合戶用屋頂電站的安裝。由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，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

12、而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價的玻璃襯底，并且易于實現(xiàn)大面積化。性能好。在同等光照條件下，非晶硅薄膜電池比單晶硅電池年發(fā)電量增加15%左右。非晶硅電池還具有最高的效率質(zhì)量比（即材料輕而效率又比較高），其效率質(zhì)量比是單晶電池的6倍，適宜將來太空太陽能電站的發(fā)展。七、 非晶硅太陽能電池的發(fā)展歷史自1974年人們得到可摻雜的非晶硅薄膜后，就意識到它在太陽能電池上的應(yīng)用前景，開始了對非晶硅太陽能電池的研究工作。1976年：RCA公司的Carlson報道了他所制備的非晶硅太陽能電池，采用了金屬-半導(dǎo)體和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，當時的轉(zhuǎn)換效率不到1%。1977年：Carlson將非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到5.5%。1978年：集成型非晶硅太陽能電池在日本問世。1980年：ECD公司作成了轉(zhuǎn)換效率達6.3%的非晶硅太陽能電池，采用的是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)；同年，日本三洋公司向市場推出了裝有面積為5平方厘米非晶硅太陽能電池的袖珍計算器。1981年：開始了非晶