SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展和挑戰(zhàn)★

王艷張敏剛柴躍生

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展和挑戰(zhàn)★

王艷張敏剛柴躍生

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

介紹了SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)磁控濺射制備SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的研究作了評(píng)述。

太陽(yáng)能電池SiGe薄膜磁控濺射

1 太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)

由于地球上礦物質(zhì)的加速消耗造成的能源危機(jī)，及傳統(tǒng)能源消耗所產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體對(duì)環(huán)境壓力的不斷加重，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略越來(lái)越被世界各國(guó)所接受。所以開(kāi)發(fā)新能源、可再生能源、綠色能源已成為人類社會(huì)今后研究的重大課題。由于太陽(yáng)能發(fā)電具有常規(guī)發(fā)電（如，火電、水電等）和其他發(fā)電方式（如，核電）所無(wú)法比擬的很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，如，安全可靠、無(wú)噪音、無(wú)污染、能量隨處可得、不消耗燃料、維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、建設(shè)周期短、規(guī)模大小隨意、可以無(wú)人值守、也無(wú)需架設(shè)輸電線路、還可以方便與工業(yè)民用建設(shè)相結(jié)合等。因此，以太陽(yáng)能為代表的可再生能源備受人們的青睞。同時(shí)，也被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新能源。其實(shí)，人類利用太陽(yáng)能的想法已經(jīng)很久了，最早是將它轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)利用，再后來(lái)光伏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能成為可能，以致使太陽(yáng)能利用的領(lǐng)域更加廣闊。而太陽(yáng)能電池就是把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件，太陽(yáng)能電池發(fā)電是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，也即光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect，縮寫(xiě)PV）。

太陽(yáng)能電池的發(fā)展是非常迅速的。最早是在1839年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1876年，隨后又發(fā)明了以硒的氧化亞銅為材料的光電池。1954年,在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)誕生了第一個(gè)實(shí)用性的硅太陽(yáng)電池，在基于Czochralski過(guò)程，研制成功了世界上第一塊硅太陽(yáng)能電池，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4%。太陽(yáng)能電池的問(wèn)世，標(biāo)志著太陽(yáng)能可以通過(guò)人工器件轉(zhuǎn)換為電能，這是世界能源科技的一次重大飛躍。之后，20世紀(jì)60年代，太陽(yáng)能電池進(jìn)入空間，即被用于人造衛(wèi)星系統(tǒng)上。20世紀(jì)70年代進(jìn)入地面應(yīng)用，進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，環(huán)境繼能源之后，各國(guó)又都把目光集中到解決這兩個(gè)問(wèn)題的交叉點(diǎn)——太陽(yáng)能光伏發(fā)電上，所以，太陽(yáng)能電池又成為國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一，從而大大加速了開(kāi)發(fā)利用的步伐［1，2］。目前，普遍使用的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高為20%。然而由于全球燃料價(jià)格上漲，而太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)格卻迅速下降。在這樣的市場(chǎng)形勢(shì)下，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)有可能占據(jù)能源市場(chǎng)的大部分份額。其實(shí)，太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在所用的材料上。對(duì)太陽(yáng)能電池材料的一般要求有：禁帶不能太寬；要有較高的轉(zhuǎn)換效率；材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染；性能穩(wěn)定；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)?；谶@幾個(gè)方面考慮，硅系列是最理想的太陽(yáng)能電池材料。因?yàn)楣璨粌H儲(chǔ)量豐富，無(wú)毒，無(wú)污染，技術(shù)最成熟，能耗低，而且電池可做在玻璃或塑料襯底上，便于大面積生產(chǎn)和全自動(dòng)化生產(chǎn)等。因此，在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的過(guò)程中，為了提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本，出現(xiàn)了薄膜太陽(yáng)能電池。其中以硅基薄膜太陽(yáng)能電池工藝最為成熟，發(fā)展有晶體硅太陽(yáng)能電池，非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。如今，薄膜太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)是解決電池的光致衰退、提高效率和降低成本問(wèn)題。雖然單晶硅、非晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，而且在某些方面都各自有自身的優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)電池生產(chǎn)總成本中也已超過(guò)1/2，。但也同時(shí)存在薄膜生長(zhǎng)速率與光電轉(zhuǎn)化效率不夠高的問(wèn)題，而且非晶硅太陽(yáng)能電池的性能會(huì)隨光照不斷退化（S-W效應(yīng)），進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率是相當(dāng)困難的，所以不可否認(rèn)的是多晶硅系列薄膜太陽(yáng)能電池是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高效率和低成本產(chǎn)品的最可行方案，是太陽(yáng)能電池發(fā)展的必然選擇。在太陽(yáng)能的發(fā)展與進(jìn)步的過(guò)程中，研究者們不斷的改進(jìn)技術(shù)，最終發(fā)現(xiàn)：在非晶硅層上加入非晶硅鍺層，這樣不僅能抑制光致衰退而且還能擴(kuò)展光譜響應(yīng)帶寬。

2 SiGe薄膜太陽(yáng)能電池

（1）SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)。從太陽(yáng)能電池研究的歷史和現(xiàn)狀來(lái)看，采用多晶硅鍺薄膜作為太陽(yáng)能電池的研究尚少。由于Si結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，所以在Si上自組織生長(zhǎng)Si/Ge量子點(diǎn)，被認(rèn)為是可能實(shí)現(xiàn)Si基發(fā)光的一個(gè)重要特性，而且Si/Ge應(yīng)變層超晶格特殊的光電性在光電子和微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有潛在的優(yōu)勢(shì)，此外Ge與Si的4.2%的晶格失配率可以讓人們制造大小尺寸不同的納米結(jié)構(gòu)，還可滿足其他多種器件的需要，如，單電子晶體管和紅外探測(cè)器等［3］。

多晶硅鍺比多晶硅優(yōu)越，用多晶硅鍺取代多晶硅作為太陽(yáng)能材料，性價(jià)比很高，如，光吸收率高、光譜響應(yīng)范圍可拓寬、工藝溫度低、禁帶寬度可調(diào)、性能更穩(wěn)定、與太陽(yáng)能電池工藝完全兼容以及可以同非晶或多晶硅薄膜形成疊層結(jié)構(gòu)［4-7］等。

SiGe是近年來(lái)興起的新型的半導(dǎo)體材料，它有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)和重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，并與硅的微電子技術(shù)兼容，被認(rèn)為是第二代硅材料。SiGe材料在電子和光電子半導(dǎo)體器件中得到了廣泛的應(yīng)用。然而Si和Ge的晶格失配率高達(dá)4.2%，在磁控濺射提供的低能濺射條件下，使Si和Ge的共度生長(zhǎng)成為超晶格制備制備過(guò)程中的一大難題，而且膜層受濺射技術(shù)的影響，其均勻性不令人滿意。

（2）SiGe薄膜的研究方法。長(zhǎng)期以來(lái)，制膜技術(shù)和方法越來(lái)越多，如離子束濺射沉積、真空蒸發(fā)和沉積、化學(xué)氣相沉淀（CVD）和分子束外延（MBE）等，這些方法都各具特色，在一定程度上得到了應(yīng)用。常用的有等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、直流和射頻濺射［8］、輝光放電分解法、磁控濺射法等。其中，磁控濺射的鍍膜方法在近幾年中越來(lái)越普遍，被認(rèn)為是鍍膜技術(shù)中最突出的成就之一。它與MBE和CVD相比，具有工藝簡(jiǎn)單、沉積溫度低、濺射率高、方向性強(qiáng)、膜—基結(jié)合力好、致密性高、低成本、易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)而成為鍍膜工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的首選方案。并且能濺射包括半導(dǎo)體、導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的所有材料［9］，是制備各類光學(xué)薄膜的一種重要工藝手段［10］。磁控濺射技術(shù)現(xiàn)已制備了許多性能良好的硅、鍺薄膜［11，12］。從文獻(xiàn)來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)用磁控濺射制備Si/Ge薄膜的研究的不是很多，但是有的高校已經(jīng)從影響薄膜質(zhì)量與性能的主要參數(shù)，如：濺射溫度、濺射時(shí)間、周期［13］、Ge含量對(duì)Si結(jié)晶的影響［14，15］、退火溫度與時(shí)間以及偏壓［16］和壓強(qiáng)［17］等方面作了大量的實(shí)驗(yàn)，而且許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)同理論相結(jié)合應(yīng)用于實(shí)際。然而這種太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)光照射，S-W現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生，所以遠(yuǎn)達(dá)不到我們要求低成本、高效率的目的。磁控濺射同CVD相比，用CVD制備的Si/Ge薄膜中都摻雜了H元素，而H可以飽和Si中的懸掛鍵，使其缺陷態(tài)密度大大下降，又可以提高光轉(zhuǎn)化效率，但在國(guó)內(nèi)有關(guān)磁控濺射的文獻(xiàn)中一直未見(jiàn)有摻雜H的研究。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，在RF中，當(dāng)H2與Ar的配比為0.5時(shí)，H能導(dǎo)致沉積層的非結(jié)晶化和結(jié)晶度的退化，但是到目前還沒(méi)有明確的研究說(shuō)明H2與Ar的配比對(duì)RF/DC的影響［18］。所以在今后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這將是一個(gè)突破點(diǎn)。

（3）SiGe薄膜所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國(guó)是以煤為主要能源消耗的國(guó)家，但我國(guó)的煤只能開(kāi)采不到50 a了，且隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程，我國(guó)已成為第二大石油消耗國(guó)和輸入國(guó)，能源壓力將日趨嚴(yán)重，能源安全問(wèn)題早已提到議事日程上，因此，大力加強(qiáng)發(fā)展綠色可再生能源硅光伏產(chǎn)業(yè)及其基礎(chǔ)材料（高純半導(dǎo)體硅，多晶，單晶片），已成為當(dāng)務(wù)之急。未來(lái)隨著中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，多晶SiGe薄膜在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用比例將不斷擴(kuò)大。總之，多晶SiGe太陽(yáng)能電池是一個(gè)非常重要的研究方向。緊緊圍繞提高光電轉(zhuǎn)化效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標(biāo)的各種新型太陽(yáng)能電池的研究工作，一直在各發(fā)達(dá)國(guó)家及一些發(fā)展中國(guó)家積極進(jìn)行。因此，可以預(yù)測(cè)SiGe薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展在我國(guó)將有著相當(dāng)好的前景與機(jī)遇，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)竣的挑戰(zhàn)。

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（編輯：苗運(yùn)平）

Abstract：The preparation that the SiGe thin film solar cells were introduced,and the advantages and disadvantages of various preparation methods were analyzed.The preparation of SiGe thin film solar cells on the magnetron sputtering was reviewed.

Key words:solar cells，SiGe film，magnetron sputtering

SiGe Thin Film Solar Cell Development and Challenges

WANG Yan ZHANG Mingang CHAI Yuesheng
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

TM914.4+2

A

2011－01－11

1672-1152（2011）01-0008-02

山西省自然科學(xué)基金（2010011032-1）

王艷（1985-），女，現(xiàn)在太原科技大學(xué)讀碩士，研究方向是低維半導(dǎo)體的合成與制備。Tel：13453402586，E-mail:anqierwjlss2008@163.com

張敏剛，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：0351－8560790，E-mail:malab@yeah.net