光纖太陽電池

本刊 賈旭平

傳統(tǒng)的晶片太陽電池通常都是制作在剛性基底上。最近，一支來自美國賓夕法尼亞州立大學的工程師、化學家、物理學家組成的團隊發(fā)明出一款光纖太陽電池。這款電池比頭發(fā)還細，具有柔性，且發(fā)電能力與普通太陽電池相比毫不遜色。美國軍方對這項技術(shù)非常感興趣，已經(jīng)準備把這種光纖維織到軍裝里，這樣士兵們就真正擁有了一件可穿戴的電源。

其實，這款光纖產(chǎn)品最初就是由普通的玻璃光學纖維制作的。之后，科學家才使用高壓化學氣相沉積法（HPCVD）將n，i和p型硅注入到纖維中，制作成電池。從功能上講，這種摻雜了硅的光纖維與傳統(tǒng)太陽電池是一樣的，都可以通過光伏效應發(fā)電。但是目前市場上的太陽電池幾乎都是2D結(jié)構(gòu)，即在剛性或易碎玻璃基板上制作的平面非晶硅電池。而這種光纖維太陽電池具有3D截面，能保持光纖維的本來柔性。

本研究的帶頭人John Badding說：“目前研究小組已經(jīng)制作出了幾米長的纖維。如果采用我們的新技術(shù)，那么就有可能制作出長度超過10米的可彎曲硅太陽電池纖維。”如果光纖太陽電池的長度能達到這個量級的話，剩下的問題就是將其織入織物之中了。Badding說：“目前軍方對設(shè)計士兵可穿戴電源非常感興趣，但遺憾的是我們還沒能看到混織光纖太陽電池的織物。”雖然太陽電池纖維看起來柔韌性很好（從圖1中可以看出），但是它是否能接受隨意角度的彎曲還未得到證實，且材料的耐磨性還未能得到測試，畢竟衣服是隨身穿戴的，軍裝的耐磨性要求更高。

未來，柔性可織造太陽電池的應用潛力非常巨大。從目前看，我們可以將太陽電池織成棒球帽或T恤，這樣就可以邊走邊為我們的手機充電。從長遠看，仿生器官和其他生物醫(yī)藥裝置都迫切需要一種可穿戴的電源，而光纖維太陽電池正好可以滿足這種需求。

另外，這種光纖維還有其他兩個令人興奮的性能，不過還需要進一步的研究。由于這種纖維具有3D截面，因此可從任意角度吸收陽光，不會出現(xiàn)隨著角度的變化呈現(xiàn)效率衰減的趨勢。而傳統(tǒng)2D太陽電池在太陽低于某個角度時，效率就會降低。據(jù)研究團隊的另外一名成員Pier Sazio透露，他們使用同樣的硅注入工藝將光電探測器植入到光纖維中。Sazio沒有具體描述這樣可能產(chǎn)生的結(jié)果，但是我們可以充分地發(fā)揮想象力：一個可穿戴的電腦，可實現(xiàn)太陽能充電，且擁有高速網(wǎng)絡(luò)。

圖1 用高壓化學氣相沉積制備毛細管硅p-i-n結(jié)纖維

光纖太陽電池的制造

用高壓化學氣相沉積法將n+，i，p+層非晶硅按順序沉積在直徑為5～15 μm的纖維孔中，結(jié)晶后就會形成共軸p-i-n結(jié)構(gòu)纖維，長度可達1.5 m[見圖1(a)(b)]。通過選擇適當?shù)臒崽幚砉に嚕牧现g因熱膨脹引起的機械應變就會降至最低，這對制作共軸p-i-n結(jié)構(gòu)纖維非常重要。融入到非結(jié)晶半導體薄膜中的氫氣在結(jié)晶過程中會逸出，所以還要避免因體積收縮引起的機械應變。通過選擇工藝條件，即不允許過多的氫氣融入到非晶硅薄膜中，這種應變就可以避免。p+和n+層的摻雜濃度非常高，約為1020cm-3，這可以從反應混合物中摻雜劑前驅(qū)體的分壓力判斷出來。i層不會進行刻意摻雜，但是會含有少量的n型層，自由電子的濃度約為1016cm-3，這可通過場效應管的測量值確定。因此，這里制作的結(jié)嚴格意義上講是p+-n--n+，不過這里稱其為p-i-n結(jié)。將孔用層填滿是可能的，因為氫氣反應的副產(chǎn)品可以通過二氧化硅毛細管壁擴散[如圖1(b)]。

Si p-i-n線可在機械性能強大的二氧化硅毛細管模版內(nèi)部應用或蝕刻出來。在蝕刻時，他們不僅柔性好，而且強壯，還具有多晶特性。他們可容易地打結(jié)成環(huán)，可承受的應力估計會大于1%(Si p-i-n線直徑與彎曲環(huán)直徑的比值)。摻雜層的結(jié)構(gòu)可從激光顯微拉曼光譜儀檢測出來，從圖1(e)和(f)可以看出有陡峭的n+-i和i-p+界面。實驗中，研究人員注意到如果將Si p-i-n線在高溫下退火較長時間(如950℃12 h)可導致?lián)诫s劑有非常明顯的相互擴散。不過如果能謹慎選擇結(jié)制作流程，這種情況也是可以避免的。

p-i-n纖維與智能纖維一樣具有光伏效應和光電子功能。長度1 cm的p-i-n纖維具有明顯的結(jié)面二極體特性，整流I-V曲線見圖2。在AM1.5條件下測試纖維結(jié)的光伏響應，開路電壓為0.22 V，短路電流密度為2 mA/cm2，填充因子為0.55，總的轉(zhuǎn)換效率為0.5%。造成纖維效率低的一個原因是光吸收效率低，因為本研究中p-i-n結(jié)中的摻雜層和本征層的厚度沒有經(jīng)過優(yōu)化。以圖3為例，最外面的0.5 μm層其實只吸收短波光線，而大部分的能量都以熱的形式浪費掉。由于摻雜度較高(大約為1020cm-3)和多晶結(jié)構(gòu)，所以少數(shù)載流子的擴散長度非常短(大約小于100 nm)。另一個原因是1 μm厚的i層由于太薄，所以不能有效吸收用于光伏轉(zhuǎn)換的長波段光線。克服這一難題的辦法就是將n+層做得更薄，將i層做得更厚。

圖2 硅結(jié)光伏和光檢測纖維

圖3 Si結(jié)纖維的高速光電控測

光纖太陽電池的前景

基于光纖的太陽電池已經(jīng)引起了越來越多人的興趣，因為它有望能被制成輕質(zhì)、柔性的材料，如紡織品，具有經(jīng)濟、便攜，甚至是可穿戴的性能。由于其圓形的截面和獨立的特性使其能吸收來自各個方向的光線，因此它可用漫射光和反射光發(fā)電。相反，傳統(tǒng)剛性基底的平面太陽電池只能吸收一面的光線。目前，光纖太陽電池的研究主要集中在有機和聚合物材料上，但是由于Si儲量豐富、可靠性高、制造容易和潛在的高性能，所以Si光纖太陽電池更具吸引力。由于光纖太陽電池具有結(jié)晶硅結(jié)構(gòu)，所以使得纖維可作為高性能光電子器件，而這一優(yōu)點又是有機或非晶光電子器件所不具備的。