硅基薄膜太阳电池技术的发展

本文综述了硅基薄膜太阳电池技术的发展历程。在分析光伏产品现状基础上指出硅基薄膜太阳电池当前面临的挑战主要是稳定效率较低,面临大幅降价的晶硅电池,其发电成本不具备优势,导致其市场份额不高。详细分析了影响硅基薄膜太阳电池效率的原因,阐述了提高硅基薄膜太阳电池稳定效率的主要技术途径是:发展新型高吸收系数宽带隙和窄带隙光伏材料、采用多结叠层电池结构和光管理设计。

薄膜太阳电池系列讲座(15) 硅基薄膜太阳电池(七)

（3）非晶硅氧（a－SiO：H）合金[34,35］以H稀释硅烷添加CO2作混合气源，控制衬底温度、沉积气压及C02浓度比C02／（C02＋SiH4）（其中硅烷用氢稀释浓度比SiH。／（SiH4＋H2）表示），在等离子体放电作用下，C02、SiH4、H2之间将产生以下反应：SiH44＋C02＋H2→a-SiO：H，生成非（或微）晶硅氧合金薄膜。

薄膜太阳电池系列讲座(12) 硅基薄膜太阳电池(四)

图16为以等离子体内SiH3为生长前驱物模式的硅薄膜沉积示意图。 此模型中假设在SiH3离子落向衬底之前，表面将被H覆盖。首先SiH4在等离子体内与电子发生碰撞，（1）电子将自己的动能给予SiH4，使其分解成SiH3和H原子；（2）SiH3附着于衬底表面；

硅基薄膜太阳电池(十四)

2绒面透明导电膜 绒面透明导电膜是实现光管理不可或缺的重要材料，是薄膜电池研究中的重点课题，尤其在对有源层材料的研究近乎日臻完善的状况下，光利用就成为提高效率的重要手段。不仅如此，对过去很少关注的掺杂层和透明导电层自身的光吸收问题也已经提上日程，说明效率的提高已经到了需要精益求精的程度。

薄膜太阳电池系列讲座(11) 硅基薄膜太阳电池(三)

4非晶硅中氢（H）的作用（1）钝化悬挂键实际上早期采用蒸发方法制备的非晶硅材料并不含有氢（H）,所以写成a-Si。缺陷态密度很高,很难制备出性能优良的器件。自从1969年Chitick等人发明了用辉光放电法（GD）制备氢化非晶硅（a-Si：H）[15],以非晶硅作有源层的器件才成为可能。

薄膜太阳电池系列讲座(20) 硅基薄膜太阳电池(十二)

为爆可能向太阳光谱红外波段拓展，设计了三结叠层电池结构、材料及能带梯度递变的新型电池，如图56所示。新型电池拟采用1．8eV的非晶硅a—Si：H顶电池、1．1eV的微晶硅gc—Si：H中间电池以及0．8～0．9eV的gc—SiGe：H底电池三结叠成，对光吸收分配更为合理。由其QE计算曲线（图56c）可见，

薄膜太阳电池系列讲座(18) 硅基薄膜太阳电池(十)

单结硅基薄膜太阳电池的Ｖoc、Jsc。与带隙之间的实验结果如图48所示。由图中可知，晶体材料基本符合Green的半经验极限，据Kiess的理论数值有一个近乎平行的整体位移，而薄膜电池中多晶CdTe电池离Green极限有一定差距，而无定形非晶硅电池则差距较大，这与薄膜材料的结构、性能、制备工艺成熟程度明显相关。该数据对非晶硅电池的数据显得陈旧，目前Koc达到1V并非难事。

薄膜太阳电池系列讲座(13) 硅基薄膜太阳电池(五)

上述光诱导的衰退经过150℃、几个小时或250℃、几分钟的热退火处理，对新产生的悬挂键进行钝化后，又会回到其起始值。退火后的状态称为“退火（annealing）”态。退火态类似于刚沉积的材料，即未经受“光诱导蜕化”前所处的状态。

薄膜太阳电池系列讲座(21) 硅基薄膜太阳电池(十三)

其中，Ibalackbody（hω）为式（39）中若n=1时所描述的真空中光子能量为hω的能量流密度。这是因为均分定理保证无论是在外部黑体中还是在折射率为，n的介质内，各个光子态上具有相等的占据几率，

薄膜太阳电池系列讲座(19) 硅基薄膜太阳电池(十一)

热动力学损失：光照产生的光生非平衡载流子，即使电子和空穴回到其能带底或顶的稳定位置，但系统仍处于非平衡态，系统将通过载流子的产生、输运、复合才达到动态平衡。

薄膜太阳电池系列讲座(14) 硅基薄膜太阳电池(六)

下面分别对a—SiC：H、a—SiO：H和a-SiGe：H三种合金材料进行介绍。

引入微晶硅底电池的PIN型三结Si基薄膜太阳电池的制备

为充分利用太阳光谱能量,在玻璃衬底的PIN型a-Si/a-SiGe电池中直接引入了微晶硅(μc-Si:H)底电池。从透明导电氧化物(TCO)衬底的光透过率估算了PIN型a-Si:H/a-SiGe:H/μc-Si:H三结电池实现高转化效率的可行性。通过调整μc-Si:H底电池厚度考察三结电池的性能变化,结果发现,受中间电池的限制,该系列电池性能无显著变化。μc-Si:H电池量子效率(QE)测试结果表明,ZnO背反射层(BR)主要辅助800 nm以上波长光吸收。初步制备的a-Si:H/a-SiGe:H/μc-Si:H三结电池的转换效率(Eff)约为6.5%(Isc=4.75 mA/cm2,Voc=2V,FF=0.71)。