非晶硅薄膜太陽能電池分析與研究

張仁霖

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

一、引言

太陽能電池的薄膜化有利于縮短光生載流子在器件中的擴(kuò)散距離，降低復(fù)合及湮滅的概率，在吸光程度大致相同的前提下，太陽能電池效率能進(jìn)一步提高。因此研究和開發(fā)低成本高光電轉(zhuǎn)換效率的硅基薄膜太陽能電池,已經(jīng)成為太陽能電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

目前國(guó)際上研究較多的薄膜太陽能電池主要分為：硅基薄膜太陽能電池、砷化鎵薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池等。

在這些薄膜電池中，硅基薄膜太陽能電池以其特有的優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展，硅基薄膜太陽能電池又分為：非晶硅、微晶硅、納米硅薄膜太陽能電池以及他們相互合成的疊層電池等。

（一）非晶硅薄膜電池基本特點(diǎn)

與晶硅材料相比，非晶硅薄膜材料具有以下特性。

1.生產(chǎn)耗能少。非晶硅薄膜太陽能電池的制作需要200℃左右的溫度條件，耗能少，而制作晶體硅太陽能電池一般需要1000℃以上的高溫。

2.價(jià)格低。非晶硅薄膜具有較高的光吸收系數(shù)，特別是在0.3～0.75um的可見光波段，它的吸收系數(shù)要比晶體硅高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.使用靈活。非晶硅薄膜太陽能電池可以設(shè)計(jì)成各種形式，利用集成型結(jié)構(gòu)，可獲得更高的輸出電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。

4.適合工業(yè)化生產(chǎn)。非晶硅薄膜太陽能電池制作工藝簡(jiǎn)單，可連續(xù)化、大面積、自動(dòng)化大批量生產(chǎn)。

5.方便建筑一體化。由于薄膜技術(shù)固有的靈活性，非晶硅薄膜太陽能電池能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，集成到建筑材料中。

（二）非晶硅薄膜材料光學(xué)特性

一種材料的光學(xué)性質(zhì)，從本質(zhì)上說是光子與電子相互作用的宏觀反映，在此過程中總伴隨著電子在不同能量狀態(tài)之間的躍遷。晶態(tài)半導(dǎo)體電子的躍遷遵守準(zhǔn)動(dòng)量守恒的選擇定則，并且電子通過間接躍遷和直接躍遷的方式在禁帶之間進(jìn)行跨越。但是在非晶態(tài)半導(dǎo)體中，由于晶格排列的長(zhǎng)程無序性，電子態(tài)沒有確定的波矢，電子的躍遷不再受動(dòng)量守恒定律的限制。所以非晶態(tài)半導(dǎo)體和晶態(tài)半導(dǎo)體的吸收光譜也有所不同。圖1為a-Si:H薄膜的吸收光譜。

圖1 a-Si:H薄膜的吸收光譜

根據(jù)a-Si:H薄膜對(duì)不同光子的吸收差別，其吸收光譜可分為本征吸收區(qū)、帶尾吸收區(qū)和次帶吸收區(qū)三個(gè)區(qū)域。

1.本征吸收區(qū)(A區(qū))

本征吸收區(qū)是由電子吸收能量大于光學(xué)帶隙的光子后從價(jià)帶內(nèi)部向?qū)?nèi)部躍遷而產(chǎn)生的吸收。在此區(qū)域，a-Si:H的吸收系數(shù)α較大，通常在104cm-1以上，隨光子能量的變化具有冪指數(shù)特征。在可見光譜范圍內(nèi)，a-Si:H的吸收系數(shù)要比晶體硅大得多(高1～2個(gè)數(shù)量級(jí))，而太陽能電池主要是將可見光部分的光能(1.6～3.6eV)轉(zhuǎn)化成電能，這也是非晶硅薄膜太陽能電池可取代晶體硅太陽能電池的重要原因之一。

a-Si:H的吸收系數(shù)α隨光子能量hv的變化關(guān)系，在吸收邊附近遵循Tauc規(guī)律:

（ahv）1/2=B（Eg-hv）

式中，B是與光子的能量無關(guān)而只與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，一般在105～106。實(shí)驗(yàn)上，常利用光透射譜來導(dǎo)出a-Si:H的復(fù)折射率，再由上式計(jì)算出Tauc光學(xué)帶隙Eg。光學(xué)帶隙的大小隨制備方法和工藝條件的不同而不同，主要受化學(xué)組分、工藝條件和摻雜等因素的影響。

2.帶尾吸收區(qū)(B區(qū))

帶尾吸收區(qū)對(duì)應(yīng)電子從價(jià)帶邊擴(kuò)展態(tài)到導(dǎo)帶尾態(tài)的躍遷，或者電子從價(jià)帶尾態(tài)到導(dǎo)帶邊擴(kuò)展態(tài)的躍遷。在此區(qū)域，1cm-1<α<103cm-1，α與hv呈指數(shù)關(guān)系，所以也稱指數(shù)吸收區(qū)。

3.次帶吸收區(qū)(C區(qū))

次帶吸收區(qū)通常是指位于近紅外區(qū)的低能吸收，對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶到帶隙態(tài)或從帶隙態(tài)到導(dǎo)帶的躍遷。此區(qū)域的吸收系數(shù)α很小，又稱為非本征吸收，其特點(diǎn)是α隨光子能量的減小趨于平緩。在C區(qū)，若材料的α在1cm-1以下，則表征該材料具有很高的質(zhì)量。

三、非晶硅薄膜材料的制備方法

為了改善薄膜質(zhì)量和提高薄膜沉積速率，多年來人們研究了許多種類a-Si:H薄膜的沉積方法，這些方法主要可分為兩大類:化學(xué)沉積氣相（Chemical VaporDeposition,CVD）法和物理氣相沉積（Physical-Vapor Deposition，PVD）法。

所謂化學(xué)氣相沉積法，就是在真空條件下，將含有Si的前驅(qū)物氣體分解，然后把分解出來的Si原子或者含Si的基團(tuán)沉積到襯底上。而物理氣相沉積法，則是在真空條件下，通過濺射含有Si的靶材得到Si原子，然后在基片上生長(zhǎng)a-Si:H薄膜。

當(dāng)前，成功地應(yīng)用于非晶硅基薄膜太陽能電池制備過程中的沉積方法主要是各種各樣的化學(xué)氣相沉積法，主要包括等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、熱絲化學(xué)氣相沉積法、光誘導(dǎo)化學(xué)沉積法下面我們將分析其原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)等。

（一）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法

PECVD方法是迄今為止實(shí)驗(yàn)室和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)沉積a-Si:H薄膜使用最普遍的沉積方法，此方法是利用低溫等離子體作為能量源，樣品置于低氣壓輝光放電的陰極上。利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通過適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。

利用PECVD法制備本征非晶硅薄膜，主要采用H2或氦氣、氬氣、等惰性氣體稀釋的硅烷氣體或高純SiH4氣體的熱分解。

非晶硅薄膜的形成主要經(jīng)歷三個(gè)過程：

1.電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級(jí)反應(yīng)，形成離子和活性基團(tuán)的混合物。

2.各種產(chǎn)物向薄膜生長(zhǎng)表面和管壁擴(kuò)散運(yùn)輸，同時(shí)發(fā)生各反應(yīng)物之間的次反應(yīng)。

3.到達(dá)生長(zhǎng)表面的各種初級(jí)反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)伴隨有氣相分子物的再放出。

根據(jù)激發(fā)源的不同，PECVD方法分為直流等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（DC-PECVD）法、射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD）法、超高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（VHF-PECVD）法等。

（二）熱絲化學(xué)氣相沉積（HWCVD）法

熱化學(xué)氣相沉積法是一種低溫沉積薄膜的制備技術(shù),可分為三個(gè)主要過程：

1.反應(yīng)氣體在熱絲處的分解過程；2.反應(yīng)基元向襯底的輸運(yùn)過程；3.基元在襯底表面吸附生長(zhǎng)過程。

在沉積過程中，熱絲被加熱到1400°C以上的高溫，純SiH4或SiH與H2的混合氣體被引入腔體，SiH4在熱絲表面被熱分解，主要生成Si原子和H原子，這些原子在到達(dá)襯底表面之前，還要通過一系列的氣相反應(yīng)過程。

HWCVD方法的優(yōu)勢(shì)：1.沉積速率高；氣體分子為熱分解，不存在電場(chǎng)加速的高能粒子轟擊薄膜對(duì)其產(chǎn)生的傷害。2.可以通過擴(kuò)大接觸反應(yīng)面積(多燈絲或者燈絲網(wǎng))和提供適當(dāng)大小的通氣氣源面積實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)。3.熱絲分解過程所產(chǎn)生的大量的高能量原子H不僅可以?shī)Z走SH3中的H,使Si-Si相結(jié)合的機(jī)會(huì)增加，促進(jìn)薄膜的晶化，而且同時(shí)也降低了薄膜中的H含量，使薄膜在光致衰減效應(yīng)方面比較穩(wěn)定。

同時(shí)，HWCVD方法也存在一些缺點(diǎn)，如加熱絲容易老化，壽命較短;加熱絲可能對(duì)所沉積的薄膜產(chǎn)生污染:大面積沉積時(shí)薄膜材料均勻性不容易控制等，技術(shù)還有待提高。

（三）光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積（PICVD）法

光誘導(dǎo)化學(xué)氣相（PICVD)法是利用紫外光子能量對(duì)反應(yīng)氣體分子進(jìn)行分解，得到電子、正離子和各種中性粒子。這些粒子和離子擴(kuò)散到襯底表面而沉積形成固態(tài)的薄膜材料的方法。

PICVD方法的優(yōu)點(diǎn)在于，由于反應(yīng)過程中不存在電場(chǎng)，正離子不會(huì)被加速獲得高能量，所以不會(huì)對(duì)基片及薄膜造成轟擊損傷，因此利用此方法沉積的薄膜中缺陷態(tài)密度較低。同時(shí)，PICVD方法也存在不足，主要有兩個(gè)方面，一是常利用的紫外線激勵(lì)光源為水銀燈，存在水銀的污染問題；二是反應(yīng)速度太慢，不適合大規(guī)模化生產(chǎn)。

四、非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

（一）玻璃襯底非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

以玻璃為襯底的非晶硅薄膜太陽能電池組件的主要制備工藝包括制備TCO玻璃、沉積吸收層、沉積背電極、特性測(cè)試、熱老化、封裝及四次激光切割等。

這其中TCO玻璃的制備工藝要求薄膜和襯底結(jié)合牢固、致密、無針孔缺陷，需要良好的導(dǎo)電性，較高的透光率和優(yōu)良的表面絨面結(jié)構(gòu)，工藝中最常采用的氧化錫（SnO2）薄膜材料。

（二）柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池組件制備工藝

柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池的制備采用卷對(duì)卷工藝，制備流程如下：

1.襯底的清洗:將具有定光潔度要求的柔性不銹鋼襯底裝入專用清洗機(jī)中，采用卷對(duì)卷方式進(jìn)行傳送，對(duì)襯底的兩個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行清洗、干燥。

2.背反射膜（背電極）的沉積:由于非晶硅薄膜中載流子（尤其是空穴）的遷移率和壽命均比較低，所以電池本征吸收層不能太厚，否則會(huì)降低電池的FF。為了在有限的本征層中有效地吸收太陽光，背反射膜的散射效果顯得非常重要。而-般在非晶硅薄膜中的背反射膜ITO膜很薄，只有約70nm,這么薄的ITO膜不可能具有絨面結(jié)構(gòu)，所以需要在襯底上沉積一層高反射的金屬膜層，常用的金屬材料為鋁或銀，ITO膜材料為ZnO,采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行沉積。

3.非晶硅吸收層的沉積:這是整個(gè)制備過程中最關(guān)鍵的工藝步驟，采用PECVD方法依次沉積P-I-N吸收層。以三結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池為例，需要在已經(jīng)沉積好的背反射層的表面連續(xù)沉積，層硅基薄膜，包括3個(gè)P-I-N結(jié)子電池，為了防止相鄰反應(yīng)室間的氣體交叉污染，各反應(yīng)室之間需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的氣氛隔離室。

4.前反射膜(前電極)的沉積:非晶硅薄膜吸收層沉積完成之后，需在電池頂部沉積前反射膜ITO層。

5.切割:根據(jù)對(duì)電池電流的要求，將成卷的電池片切割成一定大小的電池片。

6.短路鈍化:在非晶硅薄膜的沉積過程中，等離子體中的一些顆粒物不可避免地會(huì)沉積在襯底上而引起漏電流，因此需要對(duì)電池進(jìn)行短路鈍化處理，去除這些微缺陷。

7.前電極柵線的布置:由于前電極ITO膜太薄，只有約70nm,無法為電池提供足夠的電導(dǎo)去收集光生電流，所以要在ITO上制作柵線以保證對(duì)光生電流的有效收集。

8.切邊:完成柵線制作后，還要將電池的邊緣切除，實(shí)現(xiàn)電池與周邊的絕緣。至此，非晶硅薄膜太陽能電池的模塊已經(jīng)完成。

9.封裝。

采用卷對(duì)卷技術(shù)制備大面積柔性襯底非晶硅薄膜太陽能電池，目前還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，如非晶硅薄膜的高速沉積、大面積薄膜的均勻性、各反應(yīng)室間氣體隔離裝置的開發(fā)、制備過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷等。

五、結(jié)語

總之，近年來光伏市場(chǎng)發(fā)展十分迅速，晶體硅電池依舊占據(jù)主導(dǎo)位置，要實(shí)現(xiàn)非晶硅太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用還需要解決不少的問題。非晶硅太陽能電池面臨的新任務(wù)，就是要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性.提高工藝水平和裝備水平，大幅度降低成本，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。