薄膜硅太陽能電池概述

魏 岳

保定學院，河北 保定 071000

0 引言

目前，世界范圍內的能源消耗急劇增加和自然資源匱乏現狀日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，所以人們迫切需要尋找可再生清潔新能源來滿足社會的需求。太陽能作為地球可再生的無污染能源引起了科研工作者的普遍關注，太陽能電池的研究與應用得到了迅猛發展。全球太陽能電池最大的生產企業日本夏普電器公司董事長片山干雄指出[1]：“2013 年之前是薄膜硅和結晶硅齊頭并進，2013 年以后薄膜硅將成主流。”可見，薄膜太陽能電池在技術開發上已超越傳統的太陽能電池，成為太陽能電池研發的重點方向和主流。已研發成功的產品主要有多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池和微晶硅薄膜太陽能電池。下面分別加以闡述。

1 多晶硅薄膜太陽能電池

多晶硅薄膜太陽能電池[2]是在單晶硅太陽能電池的基礎上發展起來的。單晶硅太陽能電池屬于結晶硅電池，是轉換效率最高、技術最成熟的太陽能電池，尤其在工業生產和大規模應用中，單晶硅太陽能電池占據主導地位。但是單晶硅材料價格昂貴，制備工藝相當繁瑣，所以科研工作者從70年代就開始在廉價襯底上沉積多晶硅薄膜，希望能夠降低成本，但當時科技水平實驗條件有限，導致生長的硅膜晶粒太小，沒有能夠取得成效。隨著科技的發展，多晶硅薄膜太陽能電池的制備和應用都有了很大進展。目前，制備多晶硅薄膜太陽能電池多采用各種化學氣相沉積法，包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）和等離子增強化學氣相沉積（PECVD）工藝和快熱化學氣相沉積（RTCVD）工藝。此外半導體液相外延生長法、固相結晶法和濺射沉積法也可用來制備多晶硅薄膜太陽能電池。

多晶硅薄膜太陽能電池的轉化效率也大大提高，有些已經接近單晶硅太陽能電池。如日本三菱公司在二氧化硅襯底上制備的多晶硅薄膜太陽能電池，其光電效率可達16.5%。德國太陽能研究人員采用區熔再結晶技術所制備的多晶硅電池，其轉化效率高達19%[3]。多晶硅薄膜電池所使用的硅比單晶硅少，沒有效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，成本遠遠低于單晶硅電池而效率也較高，所以多晶硅薄膜太陽能電池已成為薄膜硅電池開發的熱點之一，具有良好的發展前景。

2 非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅又稱無定形硅(簡稱a- Si)，是硅的一種同素異形體。非晶硅薄膜太陽能電池其成本低、便于大規模生產而普遍受到人們的重視并得到發展，是目前公認的最具環保性能的太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法[4]有反應濺射法、低壓化學氣相沉積法(LPCVD)和等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)等。其中PECVD法最為成熟，在低溫下就可以制備非晶硅太陽能電池。

非晶硅薄膜太陽能電池具有節能環保、高溫性能好、能量回收周期短等特點，但非晶硅薄膜[5]的光學帶隙(1.7eV)與太陽光光譜不匹配，限制了電池的轉化效率，而且其光電效率會隨光照時間增加而衰減。因此，非晶硅薄膜太陽能電池的研究方向主要集中在提高效率和穩定性方面，具體方案[6]有：通過有不同帶隙的多結迭層提高效率和穩定性；降低表面光反射和改進電池結構；使用更薄的i層；以增強內電場，降低光誘導衰減。通過對以上4方面工作的研究與發展，相信在不遠的將來，非晶硅薄膜太陽能電池的各項性能將會有很大提高，從而更好地為人類服務。

3 微晶硅薄膜太陽能電池

為了研制出轉換效率高和性能更穩定的太陽能電池，近年來微晶硅太陽能電池成了人們研究的又一熱點。微晶硅作為窄帶隙材料與非晶硅組成疊層薄膜電池結構，可充分利用太陽光譜，并且能夠解決非晶硅薄膜電池中穩定性的問題。

目前，制備微晶硅材料的主要技術方法包括3種化學氣相沉積法[7]。最早用于沉積微晶硅的技術的是射頻等離子體增強化學氣相沉積（RF-PECVD），但此法制備的材料性能較差，后來人們通過改進，提高沉積氣壓、增大輝光功率，使薄膜質量和沉積速率有了較大提高。第二種方法是甚高頻等離子體增強化學氣相沉積方法（VHF-PECVD），是將等離子的激發頻率提高，從而能夠有效地實現優質微晶硅的高速生長。但這種技術存在駐波效應和損耗波效應，很難實現工業化的大面積生產。還有一種新興的薄膜制備方法—熱絲化學氣相沉積（HW-CVD），此方法成本雖低但易造成環境污染，材料中缺陷態密度也比較高，因此在一定程度上限制了微晶硅材料在太陽能電池中的應用和發展。

4結論

太陽能電池是緩解能源危機的新型光伏器件。20世紀90年代以來，全球太陽能電池行業以每年15%的增幅持續不斷地發展[8]，我國已經成功超越歐洲、日本成為世界太陽能電池生產第一大國，電池性能大大提高，應用領域日益廣泛。目前，開發研制的新型硅基薄膜太陽能電池效率高，并部分實現了商品化，但還存在不少缺陷，因此改善太陽能電池的性能，降低制造成本以及減少大規模生產對環境造成的影響是未來太陽能電池發展的主要方向。

[1]郭浩，丁麗，等.太陽能電池的研究現狀及發展趨勢 [J].許昌學院學報，2006，25，2：38-41.

[2]鄭春蕊.太陽能電池吸收層和窗口層材料的制備研究[D].碩士學位論文，2005，3：1-2.

[3]徐立珍，李彥，秦鋒，等.薄膜太陽能電池的研究進展及應用前景[J].可再生能源，2006，127（3）：9-12.

[4]邱永華，史偉民，魏光譜，等.硫化錫多晶薄膜太陽能電池研究進展[J].人工晶體學報，2006，35（1）：159-163.

[5]徐知之，夏文建，等.銅銦硒（CIS）薄膜太陽能電池研究進展[J].真空，2006，43（2）：13-17.

[6]盧景霄，張宇翔，等.硅太陽能電池穩步走向薄膜化[J].太陽能學報，2006，27（5）：444-449.

[7]俞遠高，侯國付，王銳，等.微晶硅材料及其在太陽能電池中的應用[J].激光與光電子學進展，2006，43（8）：48-55.

[8]馬勝紅，陸虎俞.光伏發電與光伏發電系統[J].大眾用電，2006，1：38-40.