非晶硅太陽能電池的研究進展

摘 要：作為一種可再生的環保潔凈資源，太陽能是無窮無盡的，所以，研發太陽能電池越來越成為一種趨勢。當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展更加廣泛，前景更加廣闊。

關鍵詞：非晶硅；太陽能電池；研究進展

當前人類面臨的兩大難題分別是環境的污染和能源的減少，研究認為在未來的100年以后，世界將不再有化石類燃料，并且全球的生態環境已經在化石燃料的影響下嚴重的失衡，例如由二氧化碳等燃燒氣體造成的酸雨和溫室效應等。所以，當前最具影響力和最有價值的研發領域就是新型能源的開發，尤其是可再生性潔凈能源的開發。太陽能電池的發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業。太陽能的制作材料分很多種，最常見的有硅、無機鹽化合物（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體材料時積累下了豐富的經驗，并且因為硅本身的無毒無污染和性質穩定的優點而被廣泛應用在太陽能電池技術中，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用較少，相反的，非晶硅在保持了較高的吸收系數的前提下，成本遠遠在單晶硅之下[1]。因此，非晶硅太陽能電池有著更好的發展前景[1]。

1 太陽能電池概述

太陽能電池的主要作用就是實現太陽能到電能的轉換，當前人類對太陽能電池的研發已經取得了很大的成果，現在已經有磅化鎘、硫化鎘以及砷化鎵等材料也被實際運用到了太陽能電池的制作中，盡管這些材料的轉換率比硅要高，但是其制作工藝個價格卻極大地限制了其廣泛的應用。所以廣泛推廣太陽能電池使用率的關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用。

2 非晶硅太陽能電池具有的優缺點

2.1 具有的優點

氫化非晶硅因為其自身的許多優勢而被選作太陽能電池的制作原料。

強大的光吸收能力，非晶硅的這一優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，并且非晶硅強大的吸收能力也使整個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到70um，經過工藝加工后，總厚度會高達400um。

簡易的工藝制作流程，非晶硅的這一優勢使其在制作的過程中大大的節省了能量，以單晶硅為對比，其工藝需要高達10000℃的環境中進行，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]。

生產過程可以自動化和規模化。

襯底材料選擇的多樣性，非晶硅的狀態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

綜上所述，當前在太陽能電池的制作中，應用最廣泛，最適用的一種制作材料就是非晶硅，而且已經實現了8%的商品穩定效率。但是作為一種新生的產物，非晶硅電池在穩定性和轉化率兩個方面還存在一定的缺陷。要解決穩定性低這一問題，關鍵在于完善i層的功能，因為穩定性與S-W的效率有直接關系，也就是光致衰退，通過研究發現，光致衰退與i層有著直接關系，由于i層的光生載流子與內建電場的強度成反比，所以其大小隨i層厚度的變化而變化，厚度加大，則最低電場強度減小，所以要提高電池的穩定性。將太陽能電池進行疊層是一個比較好的方法[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象的發生，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生。而轉化率的提高則主要通過其各個層面和窗口的材料的研究個改善來實現的，比較常見的像納米硅復合薄膜等，另一個比較有效的改進途徑就是對i層缺點的降低，是各個界面的銜接和層面間的間隙能更好的匹配和結合，這些方法都是提高電池的轉化率的有效途徑。

3 非晶硅太陽能電池研究進展

3.1 理論研究

效率的提升和成本的下降是當前太陽能電池發展的兩個主要目標。當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、規模的擴展和工藝技術的完善。以美國為例，上個世紀九十年代之后，其太陽能電池的商品率達到了12%到15%，年生產力也從之前的1～5兆瓦增加到了5～20兆瓦，翻了近四倍。并且在生產的自動化和工藝上也不斷的取得新的進展。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格達到了每wp4美金，并且這種現象還有著持續發展的勢頭，最初只是作為能源的補充出現的太陽能電池在人類的重視個投入的增加的推動下，逐漸發展成為替代性的能源，其發電總量在2050年前后將會達到總發電量的15%到20%，那時的太陽能將真正躋身人類基礎能源的行列。

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公司研發的多晶硅電池其效率也達到了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疊加，并且通過這種方法，已經達到了15%的穩定率，電池效率方面，cdte超過15%，cis超過17%，規模較大的電池生產廠家的效率都在10%以上[3]。endprint

通過將電池疊層的方法來提高轉化效率的科研已經有過年的歷史，并且取得了較好的成果。而選擇什么樣的底電池i層是關鍵所在，p-Si、a-Site和a c-Si是當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致的電池穩定性和轉化率的增加，而以雙層疊層的電池為例，i層材料變化也導致了電池穩定性和轉化率的變化。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 應用研究

從上個世紀八十年代開始，日本的sany公司就在袖珍型計算機領域第一次使用了太陽能電池供電，并且逐漸在電視、手表、錄音機等領域擴展開來。耗能低是當前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用到了建筑上，像日本目前廣泛推行的“百萬屋頂”計劃，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、質量、規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，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電設備來發揮其積極的作用，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。

在越來越低的生產成本和越來越高的電池轉化率的推動下，非晶硅電池又取得了一個顯著成果。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就是輕便、具有極強的韌性和極高的重量比功率，這些優勢也使得該類電池在軍用小衛星、航天器、城市遙感用的平流層平臺等領域有著其他類太陽能電池所部具備的優點。當前衛星總重量的三分之一是電源系統的重量，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為其高達2000W/kg的值而演員超出單晶硅，所以要減少電源的重量關鍵在柔性襯底非晶硅電池的使用[4]。同時，其較強的柔韌性和卷曲性，也為其安裝、運輸、存放以及供電和建筑的一體化設計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域的前景也是非常廣闊的。

4 非晶硅太陽能電池的發展方向

集成性電池和規模化是當前非晶硅電池在加快效率的基礎上需要解決的兩個主要問題。通過太陽能電池來獲取電力是當前大面積發展非晶硅電池的關鍵，也是對a-si：H優勢的利用，但是規模化發展非晶硅電池也有一定的缺點，像轉換率低等，由于規模化的電池在面積增大后，無法保證膜的厚度和質量，而且針孔出現的幾率也大大提高，并且電阻耗損的能源也隨著串聯的電極增多而增大，這都是造成轉換率低的因素。另一方面，pin集成性電池的研發滿足1.5到12V的實用電壓的輸出要求，其生產工藝因只從一個襯底獲取高電壓而得到了簡化。具體操作手段為：以絕緣襯底為基礎生產電池，涉及線路的圖案通過光刻技術來實現，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。當前的玩具、計算機、鐘表等常見領域也已經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、集成性電池等的發展前景是非常廣闊的。

大多數人都認為可靠與否是非晶硅類太陽能電池的關鍵，當前小功率電池的可靠性已經得到驗證。但是電力用的電池以為其長期處于室外環境中，并且時間較長，其可靠與否還有待驗證。曾有試驗證明，將太陽電池板放在室外，其特性只會在起初的一個月時間內會有所下降，之后，其特性基本可以保持一年以上的穩定性。

5 結束語

現在建筑與光伏太陽能的一體化趨勢已經與人類倡導的低碳、綠色、生態、環保型城市息息相關，而薄膜太陽能電池在當前快速發展的建筑光伏一體化進程中必將占據有利地位，同時隨著人們的研究，轉換率日漸提高，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、儲量豐厚和無毒優勢的推動下而在市場中爭得一席之地。

參考文獻

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

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

[3]岳強，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：河北工業大學，2002.

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