非晶硅太阳能电池板的组成
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发布时间：2022-04-24 18:39
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时间：2023-11-02 16:01
非晶硅合金太阳电池有很多种不同的结构,如图1所示。单层结构最简单，在基底上预先沉积背反射层，再沉积n-i-p三层膜。双叠层结构有两种：一种是两个电池使用相同的非晶硅合金材料；另一种是上层电池使用非晶硅合金，下层电池使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收。三叠层结构与双叠层结构相似：上层电池用宽带隙的非晶硅合金作为本征层，吸收蓝色光子；中间层用含锗约15％的中等带隙的非晶硅锗合金吸收绿光；底层采用锗含量更高的窄带隙的非晶硅锗合金吸收红光。
图1不同结构非晶硅太阳电池的示意图
（a）单层结构（b）相同能隙的双叠层结构
（c）双能隙的双叠层结构（d）三叠层结构
太阳电池的活区最高稳定转换效率是由美国联合太阳能系统公司(USSC)取得的，见表1。这些数据全都是转换效率的最新世界纪录：单层结构的最高转换效率是9.3％；使用相同带隙涂层的双叠层结构最高转换效率为10.1％，底层电池中加入锗使双叠层结构最高转换效率增加为11.2％；三带隙三叠层结构最高转换效率为13％。上述最高转换效率是在小面积(0.25cm2)电池上取得的。将研究开发室的结果应用到大面积电池时，有很多因素会影响转换效率。阴影和栅格造成的电损失可达7％；封装损失一般为4％；质量最好的电池一般是在约0.1nm／s的沉积速率下制得的，沉积速率增大时，一般会造成10％的效率损失；将小面积电池的结果应用到大面积电池，平均至少要造成10—15％的损失。可见，要满足转换效率最低不低于8％的用户要求，三叠层结构电池是最有可能的。
表1美国联合太阳能系统公司取得的最高稳定转换效率
电池结构 短路电流密度(mA/cm2) 开路电压(V) 填充因子 稳定转换效率(％)
单层结构
相同能隙的双叠层结构
双能隙的双叠层结构
三叠层结构 14.36
7.9
10.61
8.27 0.965
1.83
1.61
2.294 0.672
0.70
0.66
0.684 9.3
10.1
11.2
13.0
3�三叠层太阳电池的设计
三叠层结构太阳电池具有最高转换效率是与其结构分不开的。上层电池采用光带隙约为1.8eV的本征层，有利于捕获蓝色光子；中间层使用含锗约15％的非晶硅锗合金作为本征层，其光带隙约为1.6eV，非常适合于吸收绿光；底层采用锗含量约40—50％的非晶硅锗合金作为本征层，其光带隙约为1.4eV，适合于吸收红光和红外光。在电池中没有被吸收的光，将从银／氧化锌背反射层反射回来。背反射层通常是绒面状结构，有助于散射光线的多次内反射；背反射层必须具有高的反射率，且能以大于总的内反射临界角的角度散射光线。常用银来得到高的反射率，但由于银硅两种元素之间的相互混合，其界面处的反射率并不高，因此沉积氧化锌缓冲层以防止相互混合。最佳散射效果所需的绒面组织一般通过在100～400℃高温下沉积银和氧化锌得到。
使用银和氧化锌背反射层后，不锈钢基底上的短路电流密度(Jsc)明显提高。对于300nm厚的非晶硅锗合金本征层电池，电流密度(Jsc)的增加量可达6—7mA／cm2。理论计算表明，若总的内反射在反射面上没有损失，电流密度可进一步提高4—5mA／cm2，但实际上在绒面结构表面存在内部损失，故不能提高到这一数值。为进一步改善光的捕获，有必要对这一现象作进一步的研究。
多层叠层结构电池要求组成电池具有高的转化效率，这就需要高质量的本征层和掺杂层。对气体混合物进行氢稀释是改善本征层质量的有效方法，用氢稀释硅烷生长的薄膜对防止光诱导退化有改善作用。沉积过程中过量的氢会钝化生长表面，沉积下来的粒子不能立即找到合适的位置，在合并之前会在表面上移动，这有助于改善膜的结构，提高材料的质量。目前，世界上很多实验室都采用这种方法制备用于太阳电池的非晶硅合金和非晶硅锗合金。非晶硅锗合金通常由硅烷和锗烷沉积。由于硅烷和锗烷在射频等离子体中的分解速率很不一样，USSC采用Si2H6和GeH4的气体混合物沉积非晶硅锗合金，这虽然改善了材料的质量，但非晶硅锗合金的传输性能仍低于非晶硅合金。为克服这一缺点，包括带隙剖面在内的加工技术已成功地用于促进空洞的输运。
掺杂层的作用是为本体材料提供自建高势场和减少相邻电池之间的电阻损失。就光电转换而言，掺杂层是非活性的，因此，在光学上要求它应透明。通常，硼掺杂的非晶硅合金对光的吸收很强，电导率很低，在p型和n型层之间引起很大的连续损失。USSC开发的低光学损失微晶p型层，具有高的电导率，可提供内建高势垒和低的隧道连接损失。
4�三叠层太阳电池的生产
三叠层结构太阳电池是用卷到卷沉积过程生产的。主要有以下步骤：一卷804.67m、
35.56cm、0.127mm的不锈钢带，以0.01m／s的速度连续通过四部机器，进行清洗(1)、沉积背反射层(2)、沉积非晶硅合金层和非晶硅锗合金层(3)、沉积氧化铟锡层(ITO)及抗反射涂层(4)。沉积薄膜的工作都是在运动的薄带上同时连续地进行的，薄带的传送和工艺参数都由计算机控制，保证了生产的可靠和成本低廉。薄膜沉积完后，将薄带加工成各种轻便、柔软和整齐的产品。加工过程包括：1)将薄带切割成23.88cm×35.56cm的小带；2)进行短路和旁路钝化，对ITO刻蚀以确定条状电池区域；3)接上电极和栅格；4)最后进行装配，包括条状电池的切割、条状或片状电池的内部连接。
生产中一般使用溅射银和氧化锌作为背反射层，但银很昂贵且质软，在后续加工中易产生问题，因此，采用铝代替银，但遇到的问题是能否获得最好性能的铝／氧化锌背反射层。有两种方法得到铝／氧化锌背反射层，一种是使用大气环境下沉积的特定铝与厚(1μm）的氧化锌，另一种是使用绒面结构的铝和薄氧化锌（＜0.5μm）。前者的效果较好，但氧化锌越厚，产量越低，故目前的工作集中在改进绒面结构的铝和落薄氧化锌的连接上。当然，只要具有与银／氧化锌背反射层相似的性能，开发其它的金属／金属氧化物北反射层也是可行的。
最好的太阳电池是在约0.1nm／s的沉积速度下获得的，但这会影响产量的提高，它是各种不同沉积工艺的“瓶颈”问题。可以通过增加反应室的长度来提高卷到卷沉积工艺的产量，但这会增加设备成本，因此目前改用0.3nm／s的速度进行沉积。但沉积速度增大，材料的微观结构变差，电池的效率降低，稳定性也变差。造成材料微观组织变差的原因是：(1)提高沉积速度常用的方法是增加射频溅射的功率密度，使等离子体中产生大量的硅烷聚合物，这些聚合物在生长表面有着很大的粘附力，从而造成微观组织变差；(2)在不形成聚合物情况下，高的沉积速度使得沉积下来的粒子没有足够的时间移动到合适的位置，以致引起内在的生长缺陷。对高沉积速度下电池生产工艺的优化才刚刚开始，随着对等离子体化学和生长动力学理解的加深，这种优化效果会进一步得到提高。
提高气体的利用率也是降低成本的一个重要方面，尤其在使用更为昂贵的锗烷和乙硅烷时更是如此。USSC采用多阴极系统沉积本征层，一些阴极有几英尺(1英尺=0.3048m)长，为提高气体的利用率，将入口和出口设计在阴极的两端，使所需的气体流量最小。研究表明，质量好一些的涂层只有在不引起气体缺乏的适量流量时才能获得。这是一个非常有助于进一步降低成本的研究课题。
另外，是否可以用含氢量少的微晶或非晶硅合金替代非晶硅锗合金以降低能隙的研究得到了广泛的关注。采用微晶方法面临的最大挑战是要在高沉积速度下获得高质量的电池。在三叠层太阳电池的结构中，下层电池中非晶硅锗合金的典型厚度是100nm，用微晶硅层获得相同电流密度的厚度至少是非晶硅锗合金的20—30倍，因此所需的沉积速度应非常高。
综上所述，虽然在非晶硅合金太阳电池技术的研究方面还有很多工作需要进一步完善，但目前已取得的显著进展可以使我们相信，在不远的将来，人类就会达到转化效率15％的目标，甚至会超过这一目标，从而使非晶硅合金太阳电池得到广泛应用。
参考资料：http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/tyn/tyn99/tyn9901/990105.htm
