非晶硅薄膜太陽能電池穩(wěn)定性技術(shù)研究

鄭 奇

(湖北民族學院 理學院，湖北 恩施 445000)

太陽能作為最清潔、最綠色環(huán)保和用之不竭的能源受到人們的特別關注，世界各國均高度關注太陽能利用及轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究和發(fā)展.我國政府對于太陽能電池研究及應用高度重視，政府相關投入居世界第一.

半導體材料是最主要的太陽能電池材料，硅太陽能電池利用特殊摻雜技術(shù)獲得PN結(jié)實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換[1].目前，太陽能電池研究進展很迅速，高轉(zhuǎn)換效率的單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜以及化合物太陽能電池均已被研制開發(fā)，眾多研究機構(gòu)的高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池的相關報道經(jīng)常出現(xiàn).

在各種太陽能電池中，綜合考慮轉(zhuǎn)換效率成本、長期經(jīng)濟效益以及技術(shù)因素等，非晶硅薄膜太陽能電池優(yōu)勢凸顯，其材料豐富、電池成本低、有利于大規(guī)模生產(chǎn)，目前已有眾多非晶硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)線在我國投入使用[2]，如無錫尚德、江西賽維、新奧，以及近期在北京、洛陽、重慶和杭州等地投入的大型非晶薄膜太陽能電池生產(chǎn)線.

目前，國內(nèi)硅薄膜電池的研究工作雖然并不落后，但科研工作研究的重點過于集中于研究提高其轉(zhuǎn)換效率以縮短其與其他材料電池之間的差距.工藝落后、設備技術(shù)國產(chǎn)程度很低而依賴于國外，主要是從美國應用材料公司、瑞士歐瑞康太陽能公司等引進[3].而硅薄膜太陽能電池穩(wěn)定性差、使用壽命較短，普及速度因此受到影響的問題未能解決.因此，對于非晶硅薄膜太陽能電池首先應從提高其穩(wěn)定性著手，其次加大工藝技術(shù)的研制，提高國產(chǎn)化程度.

1 SI薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)

非晶硅是很好的太陽能材料，其材料很豐富光吸收系數(shù)高[4]，實際中基本采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法制備了非晶硅薄膜.

圖1 非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Amorphous silicon solar cell structure

圖2 非晶硅薄膜內(nèi)部等效電路圖Fig.2 Amorphous silicon thin film internal equivalent circuit diagram

層(layer)材料(material)厚度(thickness)FrontglasslowFeglass3．2mmTCOConductivetransparentmaterial980～1100nma-Si—p-dopedlayer：10～15nmIntrinsiclayer：200～300nmn-dopedlayer：10～20nmuc-Si—p-dopedlayer：20～30nmIntrinsiclayer：1880nmn-dopedlayer：30nmBackcontact—AZO：100nmAg：200nmNiV：50nmBusswire—0．10～0．20mmPVB—1．10～1．20mmBackglassTemperedorHeatStrengthenedSodaLimeGlass3．0～4．0mm

圖3 基材清洗流程圖Fig.3 Base material cleaning flow chart

薄膜的a-Si太陽能電池可簡單實現(xiàn)集成化，且形成的器件電學參量如電壓電流、器件功率都可實現(xiàn)自由設計制造.但其光學間隙為1.7 ev，材料本身對太陽光輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣光電轉(zhuǎn)換效率將受到很大影響，另外硅薄膜材料轉(zhuǎn)換效率存在S-W效應[5]，為了解決這一影響硅薄膜轉(zhuǎn)換效率的問題，解決方法是制備疊層太陽能電池[6]，即制備多個P-i-N子電池.根據(jù)此原理思想，在研究過程中采取了如下疊層的太陽能電池，其基本結(jié)構(gòu)以及膜內(nèi)部形成的電路關系如圖1 和圖2所示.其過程的關鍵技術(shù)如下所述.

1.1 層結(jié)構(gòu)的設計

這里面最重要的地方是對復雜層結(jié)構(gòu)的厚度控制，這是在膜內(nèi)部形成穩(wěn)定電路的關鍵[6]所在，制作過程中發(fā)現(xiàn)采用下列數(shù)據(jù)(出于數(shù)據(jù)保密的考慮，這里只列出某些關鍵數(shù)據(jù)的范圍)所制備的硅薄膜電池比市場上同等電池S-W效應顯著降低，甚至可以和多晶硅電池的穩(wěn)定性相媲美，見表1.

1.2 激光刻線技術(shù)

由于非晶硅薄膜電池各層厚度的差別，且關鍵層厚度極為微小，因此對光刻技術(shù)要求極高，這就要求實現(xiàn)光刻的激光器性能及刻線準確度卓越，在實驗中使用了超短脈沖激光器完成TCO刻槽、非晶硅薄膜系刻槽及背電極刻槽，這比一般生產(chǎn)線上所使用的紅外和綠光激光器刻槽精度高出許多，刻線結(jié)果示意如圖1.

1.3 基材清洗技術(shù)

在真空情況下在基材上使用PECVD法進行非晶硅膜系沉積，有關研究結(jié)果表明基材(如玻璃、金屬等)的表面清潔對硅膜的品質(zhì)影響非常巨大[7]，在實際過程中使用了如圖3所示具體的清潔措施，雖然可能會對以后制造成本產(chǎn)生增加影響，但相信這一措施帶來的有利因素遠大于成本因素.

表2 非晶硅薄膜電池初態(tài)效率與穩(wěn)定效率值列表Tab.2 Amorphous silicon thin film cells initial state efficiency and stability efficiency value list

2 測試結(jié)果分析

由于太陽能電池輸出電壓、電流及功率特性受光照強度以及環(huán)境條件影響極其明顯[8]，因此，在測試過程中選擇了在實驗室環(huán)境下，選擇人工太陽能環(huán)境，在光照強度為5.0MW及環(huán)境條件相對不變情況下對非晶硅硅薄膜太陽能電池組件進行了30×10 h(每次持續(xù)30 h，進行了10次測試實驗)不間斷照射測試，比較市場主流產(chǎn)品的性能，根據(jù)預期目的并且依據(jù)光照強度和電池板所產(chǎn)生的輸出功率數(shù)據(jù)關系來體現(xiàn)本電池組件的基本性能光電轉(zhuǎn)換穩(wěn)定程度.如圖4及表2所示.

圖4 非晶硅薄膜電池電學測試結(jié)果關系圖Fig.4 Amorphous silicon thin film solar electrical test results relationship chart

3 結(jié)語

提高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率是增強非晶硅薄膜太陽能電池競爭性所必須的因素，采用上述設計非晶硅薄膜結(jié)構(gòu)方法，配合高精度的光刻技術(shù)以及細致的基材清洗工作所制備的非晶硅薄膜太陽能電池，從測試數(shù)據(jù)曲線結(jié)果可以清晰看出，該措施對于非晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率保持得很好，在長時間光照下電池組件電壓輸出變化很小，證明文中所使用的技術(shù)措施很好的降低了S-W效應，S-W效應值被控制在25%左右，顯然這提高了非晶硅薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性.

[1] 楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:365-428.

[2] 金韋利,姜禮華.非晶硅薄膜太陽能電池應用分析[J].節(jié)能,2010(03):21-24.

[3] 趙志明.非晶硅薄膜太陽能電池及生產(chǎn)設備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2009(34):136-140.

[4] 山東大學物理系半導體研究室.非晶硅及其應用譯文集<Ⅱ>[M].濟南,2008:42-80.

[5] 鄒紅葉.硅薄膜太陽電池的原理及應用[J].物理通報,2009(5):56-57.

[6] 鄭春滿,郭宇杰,謝凱,等.薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料研究進展[J].宇航材料工藝,2010(4):10-15.

[7] 王敬義,何笑明,王宇,等.APCVD制備非晶硅的關鍵工藝參數(shù)分析[J].半導體學報,1993(4):242-246.

[8] 田明明,毛龍滿,張志杰,等.非晶硅薄膜太陽能電池生產(chǎn)的環(huán)境影響分析[J].科技信息,2010(22):316-319.