硅薄膜太阳能电池
中国科学院西安光机所
光学工程
2009-7-4
硅薄膜太阳能电池
太阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。市场上有两类太阳能电池。一种30年生产历史、约占90%市场份额的晶硅（c-Si）电池，另一种是在10年前问世、占10%份额的薄膜电池。传统的晶硅太阳能电池结构类似，较少变化。它们利用纯硅锭切割而成的硅片将光转化为电流。因为晶硅价高且晶片脆，因此太阳能电池模块的加工需要特殊处理生产过程。
在美国RCA实验室Carlson和Wronski的共同努力下,第一块硅薄膜太阳能电池于1976年问世,从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕.。“薄膜”指的是吸光的半导体层，实际是利用真空蒸气沉积在玻璃、铝、不锈钢或聚酰亚胺等基底上，形成一层导电金属薄层。与晶态硅相比，薄膜模块具有更薄、价格更低且脆性较低的特点。薄膜太阳能电池目前只占全部太阳能电池市场销量的10%，但有望在10年后达到40%左右。
1硅太阳能电池的原理
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的器件.能产生光伏效应的材料有许多种,如:硅系材料(单晶硅、多晶硅、非晶硅),化合物半导体(砷化镓、硒铟铜)等.它们的发电原理基本相同。
此类太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光生伏打效应:当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时,在二者的交界处就形成了P-N结;由于多数载流子的扩散,形成了空间电荷区,并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场,导致多数载流子反向漂移;达到平衡后,扩散产生的电流和漂移产生的电流相等.如果光照在P-N结上,而且光能大于P-N结的禁带宽度,则在P-N结附近将产生电子-空穴对.由于内建电场的存在,产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移,产生光生电势,破坏了原来的平衡.若在电池两侧引出电极并接上负载,负载中就有“光生电流”通过,得到可利用的电能,这就是太阳能电池发电的基本原理.若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并联起来,组成太阳能电池组件,在太阳光的照射下,便可获得输出功率相当可观的电能。
2 硅薄膜太阳能电池技术
目前薄膜太阳能电池按材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型。硅薄膜太阳能电池依据材料微结构的不同,可分为单晶硅(mono-Si)、多晶硅(poly-Si)、非晶硅(a-Si:H)薄膜电池。
1）mono-Si薄膜
单晶硅薄膜太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池,它的构造和生产工艺已定型,产品已广泛应用于空间和地面。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率15%左右;实验室成果也有20%以上的,缺点是造价昂贵,难以大面积制做在非硅衬底上。单晶硅电池的基本结构多为n+/p型，多以P型单晶硅片为基片，其电阻率范围一般为1～3?·cm，厚度一般是200～300微米。由于单晶硅材料大都来自半导体工业退下的废次品，因而，一些厂家利用的硅片厚度达到0.5～0.7mm，由于这些硅片的质量完全满足电池的要求，用来制作电池可得到很好的效果，一般很容易使效率达到15%以上。单晶硅电池制作过程首先是表面绒面结构的制作，其次与多晶硅不同的是所用的减反膜主要为SiO2或TiO2薄膜。制备SiO2和TiO2薄膜通常采用热氧化或常压化学气相沉积工艺。
单晶硅电池主要用于光伏电站，特别是通讯电站，也可用于航空器电源，或
用于聚焦光伏发电系统。像单晶硅的结晶是非常完美一样，单晶硅电池的光学、电学和力学性能均匀一致，电池的颜色多为黑色或深色，特别适合切割成小片制作小型消费产品，如太阳能庭院灯等。
第一代单晶硅太阳能电池虽然效率高,但制备所需的高纯硅工艺复杂且成本较高。为降低成本,非晶硅薄膜太阳能电池在此基础上得到了很大的发展,它制备工艺相对简单,易实现自动化生产,已在1980年开始实现产业化生产,但是非晶硅薄膜太阳能电池存在光致衰减效应(S-W效应),因而阻碍了它的进一步发展。多晶硅薄膜太阳能电池因同时具有单晶硅的高迁移率及非晶硅材料成本低、可大面积制备的优点,且无光致衰减效应,因而在薄膜太阳能电池方面得到了越来越多的重视。另外,CIGS薄膜作为一种性能优异的化合物半导体光伏材料应用在薄膜太阳能电池上也成为各国研究的热点之一,其光电转化效率高,性能稳定而且不会发生光致衰减效应。本文将着重介绍非晶硅(a-Si)、多晶硅(Poly-Si)、铜铟镓硒(CIGS)这几种薄膜太阳能电池。
2）a-Si薄膜
非晶硅电池的原子排列呈现无规则状态，转换效率的理论值为18％，但实际产品的转换效率为9％左右。这种电池早期存在劣化特性，即在太阳光的照射下，初期存在转换效率下降的现象。相对于单晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜是一种极有希望大幅度降低太阳电池成本的材料。非晶硅薄膜太阳能电池具有诸多优点使之成为一种优良的光电薄膜光伏器件。
(1)非晶硅的光吸收系数大,因而作为太阳能电池时,薄膜所需厚度相对其他材料如砷化镓时,要小得多;
(2)相对于单晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池制造工艺简单,制造过程能量消耗少;
(3)可实现大面积化及连续的生产;
(4)可以采用玻璃或不锈钢等材料作为衬底,因而容易降低成本;
(5)可以做成叠层结构,提高效率。
自1976年美国的Carlson和Wronski制备出第一个非晶硅太阳能电池以来,非晶硅太阳能电池就成为世界各国太阳电池的研究重点。非晶硅太阳电池由于经济上的优势使之在整个太阳电池领域中的地位正在迅速升高,成为一些发达国家能源计划的重点。在薄膜太阳电池中,非晶硅太阳电池是唯一能进行大规模生产的器件,且价格便宜,市场占有率逐年增加。非晶硅薄膜主要由气相沉积法制备,目前,普遍采用的是等离子增强化学气相沉积法(PECVD)。在PECVD法沉积非晶硅薄膜的方法中,一般原料气采用SiH4和H2,制备非晶硅薄膜叠层电池时则采用SiH4和GeH4,在沉积过程中,加入B2H5或PH3可实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe薄膜。目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2%,但单结非晶硅薄膜太阳能电池不能完全利用太阳能,只能将有限的太阳光谱波段转换成太阳能,因此采用分波段利用太阳能光谱来提高光电转换效率的叠层电池结构成为发展趋势,它能使太阳光谱中波长最短的光被最外边的窄隙材料电池利用,同时波长较长的光能够投射进电池中被较窄能隙材料电池利用,最大限度地将光能转化为电能。因此使用不同禁带宽度的i层来做成多结的PIN结构如两结或三结电池,可以更有效地吸收太阳能光谱以提高电池效率。常规的叠层电池结构主要为a-Si/a-SiGe、a-Si/a-Si/a-SiGe、a-Si/a-SiGe/a-SiGe、a-SiC/a-Si/a-SiGe等。如Sanyo公司a-Si/a-SiGe(1200cm2)并联组件的稳定效率达到9.5%。目前报导过单结电池的最高稳定效率>8%,双结电池>9.5%,三结电池>10%。但实际上大多数销售的太阳能电池效率都往往低于这些数据,比如市场上销售的单结电池效率只有4%~5%。目前非晶硅太阳能电池占市场上销售量的5%,但市场分量在不断增长。非晶硅太阳能电池主要的制造商包括BP Solarex,Sanyo,Intersolar,Kaneka,Fuji Electric,ASE GmbH及United Solar Systems Corporation(USSC)。同时，非晶硅薄膜太阳能电池仍存在一些需要解决的问题。(1)由于Staebler-Wronski效应的存在,使得非晶硅薄膜太阳能电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减,从而导致整个电池效率的降低;(2)沉积速率低,影响非晶硅薄膜太阳能电池的大规模生产;(3)后续加工困难,如Ag电极的处理问题;(4)在薄膜沉积过程中存在大量的杂质,如O2、N2、C等,影响薄膜的质量和电池的稳定性。非晶硅薄膜太阳能电池的下一步研究主要有以下几个方向:
其一是采用优质的底电池i层材料;
其二朝叠层结构电池发展;
第三是在保证效率的条件下,开发生产叠层型非晶硅太阳电池模块技术;最后使用便宜封装材料以降低成本。
3）Poly-Si薄膜
由于非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减效应(S-W效应)导致了非晶硅薄膜太阳能电池效率的衰减,因而多晶硅薄膜作为一种性能相对更好的材料应用于太阳能电池。多晶硅(poly-Si)薄膜是由许多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒构成的。它在长波段具有高光敏性,对可见光能有效吸收,且具有与晶体硅一样的光照稳定性,因此被公认为高效、低耗的最理想的光伏器件材料。近些年来,多晶Si薄膜材料和相关的电池工艺方面的工作引起了人们极大的关注。因为多晶Si薄膜太阳能电池兼具单晶Si和多晶Si体电池的高转换效率和长寿命等优点,同时材料制备工艺相对简单。多晶Si薄膜电池技术可望使太阳电池组件的成本得到更大程度的降低,从而使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争。现在一般商品多晶硅太阳能电池组件的转换效率为12%~14%,其产量占硅太阳能电池的50%左右,是太阳能电池的主要产品之一。在制作多晶硅电池时，作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化浇铸成正方形的硅锭，然后像加工单晶硅一样切成薄片和进行类似的电池加工。从多晶硅电池的表面很容易辨认，硅片是由大量不同大小结晶区域组成，在这样结晶区域（晶粒）里的光电转换机制完全同单晶硅电池。由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面（晶界）处光电转换易受到干扰，因而多晶硅的转换效率相对较低，同时，多晶硅的电学、力学和光学性能一致性不如单晶硅电池。多晶硅电池的基本结构都为n+/p型，都用P型单晶硅片，电阻率0.5～2欧·cm，厚度220～300微米，有些厂家正在向180微米甚至更薄发展，以节约昂贵的高纯硅材料。
多晶硅薄膜太阳电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上,用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层,不仅保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性,而且材料的用量大幅度下降,明显地降低了电池成本。它要求多晶硅薄膜的厚度在5~150μm,且薄膜的宽度至少是厚度的1倍,同时要求衬底具有机械支撑能力,要有良好的背电极,还需要对背表面进行钝化。现在研究较多的是在低温下(<600℃)如何制备多晶硅薄膜,这样就可以使得多晶硅薄膜沉积在如玻璃等廉价衬底上成为现实。
按成膜过程可将制备方法分为两大类:一类是先制备非晶态材料,再固相晶化为多晶硅;另一类是直接在衬底上沉积多晶硅薄膜。第一类也被称为固相晶化法,它可以利用硅烷等原料气体,在PECVD设备中沉积a-Si薄膜,再通过热处理将a-Si薄膜转化为多晶硅薄膜。在该类方法中,金属诱导法的前景较好,它是利用a-Si与特定金属(如Al、Ni、Pd等)相接触时,可以大大降低a-Si晶化的温度,从而可以在低于600℃的条件下,在普通的玻璃衬底上制备多晶硅薄膜。后一类方法即直接沉积多晶硅薄膜,可以利用热丝化学气相沉积法或是采用诸如卤硅化合物等新的原材料来沉积多晶硅薄膜。多晶硅薄膜太阳电池在提高太阳电池效率、节约能源和大幅度降低成本方面都具有极其诱人的前景。但由于对多晶硅薄膜材料的研究还不够深入,膜生长技术还在探索,以及薄膜多晶方式在原理上的研究还在探讨阶段,致使多晶硅薄膜电池还处于开发阶段。在国外,澳大利亚太平洋光伏公司于1998年开始多晶硅薄膜太阳电池的产业化进程,通过近8年的努力,已经进入了商业化试验。在国内,研究工作才起步,我国河北保定英利集团生产的太阳能电池多晶硅电池片效率已达15%。
结语综上所述,可以发现,a-Si薄膜太阳能电池虽然成本较单晶硅太阳能电池低,但由于S-W效应的存在,难以发展为高效率的太阳能电池,多晶硅薄膜太阳能电池兼有单晶硅和非晶硅的优点,制备方法较多,适合产业化大面积生产,CIGS薄膜太阳能电池效率较高,性能优越,但产业化生产仍需大力进行研究。以薄膜太阳能电池为代表的太阳能光伏技术能够利用太阳能为人类提供大规模、安全、环保的电能资源。可以设想在未来,所有的建筑物上都结合了高效的能源设计方案并且利用可再生能源而不需要消耗额外的不可再生能源。太阳能发电同时也可以用来电解水,产生汽车所用燃料电池所需的氢。在不久的未来,太阳能光伏技术产品所产生的电能价格将可以与传统电能价格竞争。作为一种产业,太阳能光伏技术也需要的支持以及消费者观念上的改变,从而使其能够迅速发展起来。而太阳能光伏技术的研究和发展将继续关注在新材料、电池设计、新的制备方法等方面以推动太阳能电池材料及相关产品的发展,同时也是作为一种技术支持来推动整个产业的发展。不断投入的研究势必会降低生产成本,从而满足未来消费者对能源的不断需求。
3 CIGS薄膜
太阳能电池中,CIGS薄膜也是一种具有极大发展潜力的太阳能电池材料。CIGS薄膜太阳能电池因其具有独特的优异性能而被称为最有希望的光伏器件,正成为各国的研究热点之一。它是一种具有高光电转换效率且成本较低的化合物薄膜太阳能电池。CIGS组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式,具有黄铜矿相结构,是CuInSe2和CuGaSe2的混合半导体。它是以铜铟镓硒为吸收层的高效率薄膜太阳能电池。典型的结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。相对于硅薄膜太阳能电池,CIGS薄膜太阳能电池具有一些优点:
(1)CIGS薄膜太阳能电池的光电转化效率高,而且CIGS薄膜的光吸收系数是已知半导体材料中最高的,达到105/cm[14],并且它是一种直接带隙的半导体材料,适合薄膜化,CuInSe2中In用Ga替代,使得半导体的禁带宽度可以在1.04~1.65eV间变化;
(2)由于CIGS薄膜太阳能电池中的薄膜晶体结构和化学键稳定,CIGS薄膜太阳能电池尚未发现光致衰退效应,因而其使用寿命更长:(3)CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷少,高品质的大晶粒,且在CIGS薄膜太阳能电池的制作过程中不存在污染性的化学物质。目前,CIGS的制备方法主要为真空蒸发法、溅射法和电沉
4 光伏电池特性
光伏电池的特性一般包括光伏电池的输入输出特性（伏安特性）、照度特性以及温度特性。
下表为某一公司提供的其单晶硅太阳能电池的规格和参数，我们在这里引用，以便直观介绍太阳能电池的参数特性。
1）伏安特性
当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系（伏安特性）可以简单
的用下图所示的特性曲线来表示。
图中：Voc为开路电压；Isc为短路电流；Vpmax为最佳工作电压；Ipmax为最佳工作电流。
最佳工作点对应电池的最大出力Pmax，其最大值由最佳工作电压与最佳工作电流的乘积得到。实际使用时，电池的工作受负载条件、日照条件的影响，工作点会偏离最佳工作点。
(1)开路电压Voc
光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。
(2)短路电流Isc
光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。
(3)转换效率η
转换效率用来表示照射在电池上的光能量转换成电能的大小，它是衡量电
池性能的另一个重要指标。但是对于同一块电池来说，由于电池的负载的
变化会影响其出力，导致光伏电池的转换效率发生变化。为了统一标准，
一般公称效率来表示电池的转换效率。即对在地面上使用的电池，在太阳
能辐射通量1000w/m。、大气质量AM1.5、环境温度25℃，与负载条件变化
时的最大电气输出的比的百分数来表示。厂家的说明书中电池转换效率就
是根据上述测量条件得出的。
(4)曲线因子FF
实际情况中，PN结在制造时由于工艺原因而产生缺陷，使光伏电池的漏电
流增加。为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲
率加大，定义曲线因子FF为
曲线因子是一个无单位的量，是衡量电池性能的一个重要指标。曲线因子
为1被视为理想的电池特性。一般地，曲线因子在0.5～0.8之间。
2）照度特性
光伏电池的出力随照度（光的强度）而变化。
如图2-10所示，短路电流与照度成正；图2-11所示，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持一定的开路电压。
因此，最大出力Pmax几乎与照度成比例增加，而曲线因子FF几乎不受照度的影响，基本保持一致。
3）温度特性
光伏电池的出力随温度的变化而变化，其特性曲线如图2-12所示，随着温度的上升，短路电流Isc增大，而开路电压Voc减小，转换效率降低。由于温度上升导致电池的出力下降，因此，有时需要用通风的方法来降低电池板的温度以便提高电池的转换效率，使出力增加。
电池的温度特性一般用温度系数表示。温度系数小说明即使温度较高，但出力的变化较小。
5 硅太阳能电池的应用前景
目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门,尤其可以分散在边远地区、高山、沙
漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路.但是在目前阶段,它的成本还很高,发出1 kW电需要投资上万美元,因此大规模使用仍然受到经济上的。但是,从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光-电转换装置的发明,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景.薄膜光伏玻璃组件结构完整、美观,弱光发电效果好,除用于大型光伏电站外,还可安装于建筑物任何部位并与建筑融为一体,完美演绎建筑光伏一体化(BIPV)的绿色建筑理念.建筑能源占世界各国总能耗的50%左右,发展硅薄膜电池技术,以硅薄膜电池代替普通的建筑玻璃作为玻璃幕墙、光伏屋顶,实现建筑物本身的能源自给、零污染、零能耗,对于今天广泛提倡的开发和利用新能源,实现节能减排,建设资源节约型、环境友好型的自然生态及和谐社会具有十分重要的意义。下载本文
