可用于可穿戴設(shè)備的透明非晶硅薄膜太陽能電池的研究

陳 宇（廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司，廣東省東莞市塘廈鎮(zhèn)田心工業(yè)區(qū)，523718）

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可用于可穿戴設(shè)備的透明非晶硅薄膜太陽能電池的研究

陳 宇
（廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司，廣東省東莞市塘廈鎮(zhèn)田心工業(yè)區(qū)，523718）

摘要：一種可用于可穿戴設(shè)備屏幕表面的透明非晶硅薄膜太陽能電池，采用激光刻蝕高密度微納光通道陣列、TCO薄膜作為透明導(dǎo)電背電極，并減薄I層厚度來提升光線透過率。實驗表明隨著光刻密度增加或I層厚度的減少，光電轉(zhuǎn)換效率會降低，光線透過率會增加，當(dāng)I層厚度300nm，光刻孔隙直徑30m，陣列間隔55m以內(nèi)時，可獲得50%以上的透過率（最高59%）和2.5%以上的光電轉(zhuǎn)化效率（最高3%）。

關(guān)鍵詞：非晶硅；透明太陽能電池；微納光通道陣列；光線透過率

0 引言

可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。其主要瓶頸是電池續(xù)航能力不足。如蘋果公司推出的apple watch智能手表，每天都要充電，大幅降低了設(shè)備的可用性。

本文提出研制透明的太陽能電池，可裝備在可穿戴設(shè)備屏幕表面給電池充電，既有效利用屏幕的面積，又可提升電池的續(xù)航能力。

非晶硅薄膜太陽能電池?fù)碛须妷嚎烧{(diào)節(jié)，薄膜結(jié)構(gòu)，成本低，良好的弱光發(fā)電特性等優(yōu)點，適合本文的需求。但是非晶硅薄膜層以及金屬背電極層的光線透過率很低，這導(dǎo)致其無法直接用到可穿戴設(shè)備屏幕的表面。

圖1 透明薄膜太陽能電池設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

因此，本文設(shè)計了一種新型的透明非晶硅薄膜太陽能電池。

1 電池設(shè)計

1.1基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的透明非晶硅薄膜太陽能電池如圖1所示。頂層采用TCO薄膜（氧化物透明導(dǎo)電薄膜）作為前電極。中間層采用PIN結(jié)非晶硅薄膜，底部采用TCO薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬薄膜做背電極，以克服金屬薄膜透過率低的缺點。

普通非晶硅薄膜太陽能電池I層的最優(yōu)厚度為400-500nm左右。薄膜的光線透過率隨著厚度的降低會顯著提升，因此本設(shè)計將I層的厚度大幅縮減150-200nm，以提升其透光性能。

1.2微納光通道陣列設(shè)計

過度縮減I層的厚度會導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率的大幅降低，不能徹底解決非晶硅薄膜光線透過率低的問題，本設(shè)計提出一種微納光通道陣列結(jié)構(gòu)，通過激光在PIN結(jié)非晶硅薄膜層上刻蝕大量微米尺度的通道，形成一個光通道陣列，使得光線能通過這個通道陣列，均勻的穿過非晶硅薄膜層，提升整體的透過率。

本設(shè)計有兩個優(yōu)點：第一，由于單個通道的直徑在微米級尺度，且采用類似于顯示屏像素的矩陣陣列分布式結(jié)構(gòu)，通過讓通道陣列密度達(dá)到300PPI（pixels per inch），即通道間隔85微米以內(nèi)，可達(dá)到人眼視網(wǎng)膜分辨率極限，完全避免視覺上產(chǎn)生顆粒感。第二，通過調(diào)節(jié)陣列的密度，可以精確調(diào)節(jié)非晶硅薄膜表面的開孔孔隙率，進(jìn)而精確控制光線透過率。

無論是減薄I層非晶硅薄膜或是制作微納光通道陣列，其帶來的透過率提升與效率之間均為減函數(shù)關(guān)系，因此需要通過實驗來確定最佳的結(jié)構(gòu)，以獲取效率與透過率之間的平衡。

2 實驗

在2×2cm的玻璃基板上制作透明薄膜太陽能電池，分別進(jìn)行了兩項實驗：

實驗一，減薄I層，共制備七組電池樣品，采用相同的工藝同時制樣，在PECVD沉積I層時，通過控制沉積時間來實現(xiàn)不同厚度，分別為150nm，200nm，250nm，300nm，350nm，400nm，450nm。其余的膜層工藝和結(jié)構(gòu)完全一樣。背電極膜層均采用ITO薄膜，采用磁控濺射法制備，其方塊電阻達(dá)到6/，透過率在83%左右。

實驗二，采用實驗一中獲得的最優(yōu)結(jié)構(gòu)制作五組樣品，均采用掩模光刻工藝制作微納光通道陣列，單個光通道的孔隙直徑均為30微米，分別采用五種不同密度的陣列結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 不同樣品微納光通道陣列規(guī)格表

3 結(jié)果與討論

實驗一制備的7片樣品的實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2所示：

隨著I層的增厚，薄膜的光電轉(zhuǎn)化效率不斷上升，達(dá)到360nm左右的厚度以后，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到峰值5.8%，此后隨著I層厚度的增加，效率沒有增長，還出現(xiàn)輕微下滑，這是由于當(dāng)厚度達(dá)到一定程度后，入射光線的吸收增加極為微少，同時由于厚度接近載流子的擴(kuò)散長度，導(dǎo)致其損耗與新生達(dá)到平衡。

因此，最優(yōu)I層厚度為300nm，這是因為其光電轉(zhuǎn)換效率和光線透過率達(dá)到了最佳的平衡。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實驗二的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示：

表2 減薄I層實驗數(shù)據(jù)表

表3 不同微納光通道陣列實驗數(shù)據(jù)表

實驗樣品隨著透過率的增加，效率也不斷下降，符合理論規(guī)律。其中樣品1，樣品2的透過率在50%以上，有應(yīng)用價值。同時所有樣品肉眼觀察均無顆粒感。對比實驗一中樣品1與實驗二中樣品1，兩者光電轉(zhuǎn)化效率基本一樣，透過率前者（38%）明顯差于后者（59%），證明相比于單純減薄I層，微納光通道陣列是一種更有效的提升透過率的方法。

以實驗二中樣品1為例，59%的透過率已可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的屏幕表面。盡管只有2.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，以4cm2的應(yīng)用面積為例，一般平均一天可以有效發(fā)電6小時，充電效率為80%，則日發(fā)電量可以達(dá)到12mAh，約占普通智能手環(huán)電池電量（約80mAh）的15%，對提升續(xù)航能力有顯著的潛力。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型透明非晶硅薄膜太陽能電池，通過采用激光刻蝕高密度微納光通道陣列、TCO薄膜作為透明導(dǎo)電背電極，以及大幅減薄I層非晶硅薄膜的厚度等措施來獲取具備高光線透過率。通過實驗研究，在4cm2的玻璃基板上獲得了光線透過率接近60%的透明非晶硅薄膜太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.5%，理論日發(fā)電量可到10mAh以上，對于提升當(dāng)前市場上智能手環(huán)類可穿戴設(shè)備的續(xù)航能力，有很大潛力。受條件限制，本文只對這種新型的薄膜太陽能電池進(jìn)行了初步的研究，其結(jié)構(gòu)，材料，工藝以及在可穿戴設(shè)備上的實際應(yīng)用效果的研究還有待進(jìn)一步深入探索。

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作者簡介

陳宇（1982-10-），男，漢族，籍貫：四川，畢業(yè)學(xué)校：華中科技大學(xué)，學(xué)位：碩士，職稱：工程師（中級職稱），研究方向：新能源技術(shù)

The research on a transparent thin film a-Si solar cell for wearable device

Chen Yu
（Guangdong Zhicheng Champion Group Co.，Ltd.Industrial Zone，Tangxia Town，Dongguan City，Guangdong Province，523718）

Abstract：A transparent a-Si thin film solar cell which use TCO film back electrode，thin I layer a-Si film，and micro light tunnel matrix structure that made by laser etching to get highly transmittance. Experiments show that the efficiency will decrease and the light transmittance will increase when the density of micro light tunnel matrix increased or the I layer thickness decreased.When the I layer thickness is 300nm，and the micro light tunnel at a diameter of 30 m and the matrix spacing within 55 m，the transmittance〉50%（max 59%），and the efficiency≥2.5%（max 3%）.

Keywords：a-Si film；transparent solar cell；light tunnel matrix；light transmittance