非晶硅太陽能電池的研究進(jìn)展

摘 要：作為一種可再生的環(huán)保潔凈資源，太陽能是無窮無盡的，所以，研發(fā)太陽能電池越來越成為一種趨勢。當(dāng)前的太陽能電池有晶硅和非晶硅兩種，而后者更是在制作工藝、耗材、成本等方面有著很大的優(yōu)勢，其較低的襯底溫度和易沉積性以及集成工藝的簡易等，使得非晶硅薄膜太陽能的研究和發(fā)展更加廣泛，前景更加廣闊。

關(guān)鍵詞：非晶硅；太陽能電池；研究進(jìn)展

當(dāng)前人類面臨的兩大難題分別是環(huán)境的污染和能源的減少，研究認(rèn)為在未來的100年以后，世界將不再有化石類燃料，并且全球的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)在化石燃料的影響下嚴(yán)重的失衡，例如由二氧化碳等燃燒氣體造成的酸雨和溫室效應(yīng)等。所以，當(dāng)前最具影響力和最有價(jià)值的研發(fā)領(lǐng)域就是新型能源的開發(fā)，尤其是可再生性潔凈能源的開發(fā)。太陽能電池的發(fā)展就是在這樣一種尋求可再生、高清潔燃料的情況下日漸成熟并逐漸壯大起來的新型產(chǎn)業(yè)。太陽能的制作材料分很多種，最常見的有硅、無機(jī)鹽化合物（砷化鎵、Ⅲ-IV族化合物、銅銦硒和硫化鎘等化合物）、納米晶等，人們也根據(jù)這些不同的材料對電池做了分類，其中的硅材料是世界上儲量排名第二的元素，起初人們在研究半導(dǎo)體材料時(shí)積累下了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且因?yàn)楣璞旧淼臒o毒無污染和性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在太陽能電池技術(shù)中，其中硅太陽能電池又可以分為單晶硅和非晶硅兩種，其中單晶硅受成本的限制而應(yīng)用較少，相反的，非晶硅在保持了較高的吸收系數(shù)的前提下，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)在單晶硅之下[1]。因此，非晶硅太陽能電池有著更好的發(fā)展前景[1]。

1 太陽能電池概述

太陽能電池的主要作用就是實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，當(dāng)前人類對太陽能電池的研發(fā)已經(jīng)取得了很大的成果，現(xiàn)在已經(jīng)有磅化鎘、硫化鎘以及砷化鎵等材料也被實(shí)際運(yùn)用到了太陽能電池的制作中，盡管這些材料的轉(zhuǎn)換率比硅要高，但是其制作工藝個(gè)價(jià)格卻極大地限制了其廣泛的應(yīng)用。所以廣泛推廣太陽能電池使用率的關(guān)鍵還在于其制作成本的控制，而相比來說，非晶硅薄膜恰好適合這一應(yīng)用。

2 非晶硅太陽能電池具有的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 具有的優(yōu)點(diǎn)

氫化非晶硅因?yàn)槠渥陨淼脑S多優(yōu)勢而被選作太陽能電池的制作原料。

強(qiáng)大的光吸收能力，非晶硅的這一優(yōu)勢使齊電池膜厚度只有1um，而單晶硅、砷化鎵以及多晶硅等材料制作的電池其膜厚都在1.5um左右，并且非晶硅強(qiáng)大的吸收能力也使整個(gè)電池的厚度比單晶硅的厚度要薄，一般情況下，單晶硅本身的厚度就要達(dá)到70um，經(jīng)過工藝加工后，總厚度會高達(dá)400um。

簡易的工藝制作流程，非晶硅的這一優(yōu)勢使其在制作的過程中大大的節(jié)省了能量，以單晶硅為對比，其工藝需要高達(dá)10000℃的環(huán)境中進(jìn)行，而非晶硅的工藝處理對溫度的最高要求也只是2000℃，溫度差相差五倍，甚至更多[2]。

生產(chǎn)過程可以自動(dòng)化和規(guī)?；?/p>

襯底材料選擇的多樣性，非晶硅的狀態(tài)不存在匹配襯底晶格的限制，所以在襯底的材料選擇上可以是玻璃與不銹鋼片等，選擇面比較寬，畢竟可以控制成本。當(dāng)前被廣泛使用的像聚酞亞胺等聚合物類的徹底，更是極大的降低了成本。

2.1.5 電池構(gòu)造的集成型選擇，從而是襯底上輸出的電壓能滿足較高的需求。

2.2 存在的缺點(diǎn)

綜上所述，當(dāng)前在太陽能電池的制作中，應(yīng)用最廣泛，最適用的一種制作材料就是非晶硅，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了8%的商品穩(wěn)定效率。但是作為一種新生的產(chǎn)物，非晶硅電池在穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率兩個(gè)方面還存在一定的缺陷。要解決穩(wěn)定性低這一問題，關(guān)鍵在于完善i層的功能，因?yàn)榉€(wěn)定性與S-W的效率有直接關(guān)系，也就是光致衰退，通過研究發(fā)現(xiàn)，光致衰退與i層有著直接關(guān)系，由于i層的光生載流子與內(nèi)建電場的強(qiáng)度成反比，所以其大小隨i層厚度的變化而變化，厚度加大，則最低電場強(qiáng)度減小，所以要提高電池的穩(wěn)定性。將太陽能電池進(jìn)行疊層是一個(gè)比較好的方法[2]，其制作材料只要是太陽光譜部分不同的光伏材料層膜。為了從一定程度上降低光致衰退現(xiàn)象的發(fā)生，一般的i層在頂電池中會比較的薄，同樣的，這也在一定程度上降低了低電池的光致衰退的發(fā)生。而轉(zhuǎn)化率的提高則主要通過其各個(gè)層面和窗口的材料的研究個(gè)改善來實(shí)現(xiàn)的，比較常見的像納米硅復(fù)合薄膜等，另一個(gè)比較有效的改進(jìn)途徑就是對i層缺點(diǎn)的降低，是各個(gè)界面的銜接和層面間的間隙能更好的匹配和結(jié)合，這些方法都是提高電池的轉(zhuǎn)化率的有效途徑。

3 非晶硅太陽能電池研究進(jìn)展

3.1 理論研究

效率的提升和成本的下降是當(dāng)前太陽能電池發(fā)展的兩個(gè)主要目標(biāo)。當(dāng)前世界各國取得成效的拉低成本的途徑主要是市場的開發(fā)、規(guī)模的擴(kuò)展和工藝技術(shù)的完善。以美國為例，上個(gè)世紀(jì)九十年代之后，其太陽能電池的商品率達(dá)到了12%到15%，年生產(chǎn)力也從之前的1～5兆瓦增加到了5～20兆瓦，翻了近四倍。并且在生產(chǎn)的自動(dòng)化和工藝上也不斷的取得新的進(jìn)展。光伏組件的成本方面，世界普遍拉低了32%，成本首次低于每wp3美金，而光伏組件在世界上的出售價(jià)格達(dá)到了每wp4美金，并且這種現(xiàn)象還有著持續(xù)發(fā)展的勢頭，最初只是作為能源的補(bǔ)充出現(xiàn)的太陽能電池在人類的重視個(gè)投入的增加的推動(dòng)下，逐漸發(fā)展成為替代性的能源，其發(fā)電總量在2050年前后將會達(dá)到總發(fā)電量的15%到20%，那時(shí)的太陽能將真正躋身人類基礎(chǔ)能源的行列。

在效率提升的研究上取得的成效也是很明顯的，在單晶硅的電池效率方面，德國、美國、日本等都已經(jīng)超過了23%，而澳大利亞更是超過了24%，多晶硅的電池效率方面，德國和美國都超過了18%，澳大利亞則超過過了19.8%（lcm2），由日本kyocera公司研發(fā)的多晶硅電池其效率也達(dá)到了17%以上，非晶硅薄膜電池、多晶硅電池以及cdte和cis是薄膜類電池中的重點(diǎn)科研對象，為提高電池效率和降低衰減程度，采取的主要手段是將電池層數(shù)疊加，并且通過這種方法，已經(jīng)達(dá)到了15%的穩(wěn)定率，電池效率方面，cdte超過15%，cis超過17%，規(guī)模較大的電池生產(chǎn)廠家的效率都在10%以上[3]。endprint

通過將電池疊層的方法來提高轉(zhuǎn)化效率的科研已經(jīng)有過年的歷史，并且取得了較好的成果。而選擇什么樣的底電池i層是關(guān)鍵所在，p-Si、a-Site和a c-Si是當(dāng)前可以使用的原材料，我們以a-Site為例，選取面積為0.25cm2的底層材料，通過表1，我們可以選擇i層材料，以及電池的疊層的增加而導(dǎo)致的電池穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率的增加，而以雙層疊層的電池為例，i層材料變化也導(dǎo)致了電池穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率的變化。所以，在底電池的材料的選擇上，微晶硅與多晶硅的前景都是非常廣闊的。

3.2 應(yīng)用研究

從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，日本的sany公司就在袖珍型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域第一次使用了太陽能電池供電，并且逐漸在電視、手表、錄音機(jī)等領(lǐng)域擴(kuò)展開來。耗能低是當(dāng)前a-si太陽能電池的主要特征[3]。除此之外，太陽能電池還被廣泛的應(yīng)用到了建筑上，像日本目前廣泛推行的“百萬屋頂”計(jì)劃，就是將過去建筑中的普通屋頂瓦用太陽能電池代替，將非晶硅沉積到玻璃上，并且在重量、質(zhì)量、規(guī)模等方面不對房屋造成影響，使普通的家庭都可以使用上太陽能。同時(shí)，對通信照明困難的偏僻落后的地方，太陽能電池可以作為小型的發(fā)電設(shè)備來發(fā)揮其積極的作用，也可以放置在汽車頂部，利用太陽能來提供汽車所需的電量。

在越來越低的生產(chǎn)成本和越來越高的電池轉(zhuǎn)化率的推動(dòng)下，非晶硅電池又取得了一個(gè)顯著成果。即柔性襯底型非晶硅太陽能電池[4]，該類電池最為顯著的特點(diǎn)就是輕便、具有極強(qiáng)的韌性和極高的重量比功率，這些優(yōu)勢也使得該類電池在軍用小衛(wèi)星、航天器、城市遙感用的平流層平臺等領(lǐng)域有著其他類太陽能電池所部具備的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前衛(wèi)星總重量的三分之一是電源系統(tǒng)的重量，而如果把電源的材料換成柔性襯底的非晶硅電池，其重量比功率則會因?yàn)槠涓哌_(dá)2000W/kg的值而演員超出單晶硅，所以要減少電源的重量關(guān)鍵在柔性襯底非晶硅電池的使用[4]。同時(shí)，其較強(qiáng)的柔韌性和卷曲性，也為其安裝、運(yùn)輸、存放以及供電和建筑的一體化設(shè)計(jì)等方面都提供了便利，所以這也使得柔性襯底非晶硅電池在民用領(lǐng)域的前景也是非常廣闊的。

4 非晶硅太陽能電池的發(fā)展方向

集成性電池和規(guī)?；钱?dāng)前非晶硅電池在加快效率的基礎(chǔ)上需要解決的兩個(gè)主要問題。通過太陽能電池來獲取電力是當(dāng)前大面積發(fā)展非晶硅電池的關(guān)鍵，也是對a-si：H優(yōu)勢的利用，但是規(guī)?；l(fā)展非晶硅電池也有一定的缺點(diǎn)，像轉(zhuǎn)換率低等，由于規(guī)?；碾姵卦诿娣e增大后，無法保證膜的厚度和質(zhì)量，而且針孔出現(xiàn)的幾率也大大提高，并且電阻耗損的能源也隨著串聯(lián)的電極增多而增大，這都是造成轉(zhuǎn)換率低的因素。另一方面，pin集成性電池的研發(fā)滿足1.5到12V的實(shí)用電壓的輸出要求，其生產(chǎn)工藝因只從一個(gè)襯底獲取高電壓而得到了簡化。具體操作手段為：以絕緣襯底為基礎(chǔ)生產(chǎn)電池，涉及線路的圖案通過光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，然后將電池用背電極與透明電極來串連，這種與集成電路制作相似的手法非常適合大量的生產(chǎn)。當(dāng)前的玩具、計(jì)算機(jī)、鐘表等常見領(lǐng)域也已經(jīng)越來越多的開始使用非晶硅的太陽能電池。所以說非晶硅電池、集成性電池等的發(fā)展前景是非常廣闊的。

大多數(shù)人都認(rèn)為可靠與否是非晶硅類太陽能電池的關(guān)鍵，當(dāng)前小功率電池的可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證。但是電力用的電池以為其長期處于室外環(huán)境中，并且時(shí)間較長，其可靠與否還有待驗(yàn)證。曾有試驗(yàn)證明，將太陽電池板放在室外，其特性只會在起初的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)會有所下降，之后，其特性基本可以保持一年以上的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

現(xiàn)在建筑與光伏太陽能的一體化趨勢已經(jīng)與人類倡導(dǎo)的低碳、綠色、生態(tài)、環(huán)保型城市息息相關(guān)，而薄膜太陽能電池在當(dāng)前快速發(fā)展的建筑光伏一體化進(jìn)程中必將占據(jù)有利地位，同時(shí)隨著人們的研究，轉(zhuǎn)換率日漸提高，衰減率日漸降低的硅基薄膜太陽能電池也必會在其成本低、儲量豐厚和無毒優(yōu)勢的推動(dòng)下而在市場中爭得一席之地。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘迪生.硅薄膜太陽能電池研究的進(jìn)展[J].應(yīng)用光學(xué)，2001，22（3）：34.

[2]李毅，胡盛名.非晶硅疊層太陽能電池的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].真空科學(xué)與技術(shù)，2000，20（3）：222-225.

[3]岳強(qiáng)，張曉丹，張鶴，等.a-Si/uc-Si 疊層電池中間層材料SiOx：H 制備研究[J].光電子激光，2010，21（2）：231-234.

[4]張延生.柔性襯底上非晶硅薄膜太陽電池的材料研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2002.

作者簡介：黃慶舉（1965-），男，山東臨沂人，教授，從事物理教學(xué)與研究。endprint