薄膜硅太陽能電池概述

魏 岳

保定學(xué)院，河北 保定 071000

0 引言

目前，世界范圍內(nèi)的能源消耗急劇增加和自然資源匱乏現(xiàn)狀日益成為制約國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，所以人們迫切需要尋找可再生清潔新能源來滿足社會的需求。太陽能作為地球可再生的無污染能源引起了科研工作者的普遍關(guān)注，太陽能電池的研究與應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。全球太陽能電池最大的生產(chǎn)企業(yè)日本夏普電器公司董事長片山干雄指出[1]：“2013 年之前是薄膜硅和結(jié)晶硅齊頭并進(jìn)，2013 年以后薄膜硅將成主流?！笨梢姡∧ぬ柲茈姵卦诩夹g(shù)開發(fā)上已超越傳統(tǒng)的太陽能電池，成為太陽能電池研發(fā)的重點(diǎn)方向和主流。已研發(fā)成功的產(chǎn)品主要有多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池和微晶硅薄膜太陽能電池。下面分別加以闡述。

1 多晶硅薄膜太陽能電池

多晶硅薄膜太陽能電池[2]是在單晶硅太陽能電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。單晶硅太陽能電池屬于結(jié)晶硅電池，是轉(zhuǎn)換效率最高、技術(shù)最成熟的太陽能電池，尤其在工業(yè)生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用中，單晶硅太陽能電池占據(jù)主導(dǎo)地位。但是單晶硅材料價格昂貴，制備工藝相當(dāng)繁瑣，所以科研工作者從70年代就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，希望能夠降低成本，但當(dāng)時科技水平實(shí)驗(yàn)條件有限，導(dǎo)致生長的硅膜晶粒太小，沒有能夠取得成效。隨著科技的發(fā)展，多晶硅薄膜太陽能電池的制備和應(yīng)用都有了很大進(jìn)展。目前，制備多晶硅薄膜太陽能電池多采用各種化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝和快熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）工藝。此外半導(dǎo)體液相外延生長法、固相結(jié)晶法和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜太陽能電池。

多晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率也大大提高，有些已經(jīng)接近單晶硅太陽能電池。如日本三菱公司在二氧化硅襯底上制備的多晶硅薄膜太陽能電池，其光電效率可達(dá)16.5%。德國太陽能研究人員采用區(qū)熔再結(jié)晶技術(shù)所制備的多晶硅電池，其轉(zhuǎn)化效率高達(dá)19%[3]。多晶硅薄膜電池所使用的硅比單晶硅少，沒有效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶硅電池而效率也較高，所以多晶硅薄膜太陽能電池已成為薄膜硅電池開發(fā)的熱點(diǎn)之一，具有良好的發(fā)展前景。

2 非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅又稱無定形硅(簡稱a- Si)，是硅的一種同素異形體。非晶硅薄膜太陽能電池其成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn)而普遍受到人們的重視并得到發(fā)展，是目前公認(rèn)的最具環(huán)保性能的太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法[4]有反應(yīng)濺射法、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)等。其中PECVD法最為成熟，在低溫下就可以制備非晶硅太陽能電池。

非晶硅薄膜太陽能電池具有節(jié)能環(huán)保、高溫性能好、能量回收周期短等特點(diǎn)，但非晶硅薄膜[5]的光學(xué)帶隙(1.7eV)與太陽光光譜不匹配，限制了電池的轉(zhuǎn)化效率，而且其光電效率會隨光照時間增加而衰減。因此，非晶硅薄膜太陽能電池的研究方向主要集中在提高效率和穩(wěn)定性方面，具體方案[6]有：通過有不同帶隙的多結(jié)迭層提高效率和穩(wěn)定性；降低表面光反射和改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)；使用更薄的i層；以增強(qiáng)內(nèi)電場，降低光誘導(dǎo)衰減。通過對以上4方面工作的研究與發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，非晶硅薄膜太陽能電池的各項(xiàng)性能將會有很大提高，從而更好地為人類服務(wù)。

3 微晶硅薄膜太陽能電池

為了研制出轉(zhuǎn)換效率高和性能更穩(wěn)定的太陽能電池，近年來微晶硅太陽能電池成了人們研究的又一熱點(diǎn)。微晶硅作為窄帶隙材料與非晶硅組成疊層薄膜電池結(jié)構(gòu)，可充分利用太陽光譜，并且能夠解決非晶硅薄膜電池中穩(wěn)定性的問題。

目前，制備微晶硅材料的主要技術(shù)方法包括3種化學(xué)氣相沉積法[7]。最早用于沉積微晶硅的技術(shù)的是射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD），但此法制備的材料性能較差，后來人們通過改進(jìn)，提高沉積氣壓、增大輝光功率，使薄膜質(zhì)量和沉積速率有了較大提高。第二種方法是甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法（VHF-PECVD），是將等離子的激發(fā)頻率提高，從而能夠有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)微晶硅的高速生長。但這種技術(shù)存在駐波效應(yīng)和損耗波效應(yīng)，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的大面積生產(chǎn)。還有一種新興的薄膜制備方法—熱絲化學(xué)氣相沉積（HW-CVD），此方法成本雖低但易造成環(huán)境污染，材料中缺陷態(tài)密度也比較高，因此在一定程度上限制了微晶硅材料在太陽能電池中的應(yīng)用和發(fā)展。

4結(jié)論

太陽能電池是緩解能源危機(jī)的新型光伏器件。20世紀(jì)90年代以來，全球太陽能電池行業(yè)以每年15%的增幅持續(xù)不斷地發(fā)展[8]，我國已經(jīng)成功超越歐洲、日本成為世界太陽能電池生產(chǎn)第一大國，電池性能大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。目前，開發(fā)研制的新型硅基薄膜太陽能電池效率高，并部分實(shí)現(xiàn)了商品化，但還存在不少缺陷，因此改善太陽能電池的性能，降低制造成本以及減少大規(guī)模生產(chǎn)對環(huán)境造成的影響是未來太陽能電池發(fā)展的主要方向。

[1]郭浩，丁麗，等.太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].許昌學(xué)院學(xué)報，2006，25，2：38-41.

[2]鄭春蕊.太陽能電池吸收層和窗口層材料的制備研究[D].碩士學(xué)位論文，2005，3：1-2.

[3]徐立珍，李彥，秦鋒，等.薄膜太陽能電池的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J].可再生能源，2006，127（3）：9-12.

[4]邱永華，史偉民，魏光譜，等.硫化錫多晶薄膜太陽能電池研究進(jìn)展[J].人工晶體學(xué)報，2006，35（1）：159-163.

[5]徐知之，夏文建，等.銅銦硒（CIS）薄膜太陽能電池研究進(jìn)展[J].真空，2006，43（2）：13-17.

[6]盧景霄，張宇翔，等.硅太陽能電池穩(wěn)步走向薄膜化[J].太陽能學(xué)報，2006，27（5）：444-449.

[7]俞遠(yuǎn)高，侯國付，王銳，等.微晶硅材料及其在太陽能電池中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2006，43（8）：48-55.

[8]馬勝紅，陸虎俞.光伏發(fā)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].大眾用電，2006，1：38-40.