非晶硅太陽能電池工作原理及進展

1、非晶硅太陽能電池工作原理及進展 .txt 生活是過出來的，不是想出來的。放得下的是曾經，放不下的是記憶。 無論我在哪里， 我離你都只有一轉身的距離。 本文由 yy19880602 貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機查看。維普資訊 、 非 晶 硅 太 陽能 電池 工 作 原理 及 進 展 、 徐溫元（ 開 大 學 電 子 科 學系 ） 南自196年以來，晶硅基臺金作為一種新型的電子材料，7非由于 它 的優(yōu) 異 的 光 電特 性 ， 它 在 太 陽能 使 電池 及 其 他方 面 具 有 廣 泛 的應 用前 景 ， 而 推動著 人們 對 這 羹材 料

2、 特性 進 行深人 研究。近 幾年國 際 上從 有 關 這 方面 的研 究 工作 發(fā) 展迅 速，已形成一 個新技術產 業(yè)部 門 非晶 硅 太陽能電池 的 轉換 效 率 和 電弛面 積也都有 明顯的 提高和 增太 本文 綜 述了非 晶硅材 料 特 性 ， 電池 工作 原理及最 近發(fā) 展 非 晶 硅 材料特性移率虺非 晶硅基合金材 料 包 括 氫 化 非晶 硅as:i了H、 非晶碳化硅a S xH、非晶氮 化硅iC：s1 i,N： H、非晶鍺硅a S1i , Ge：等一系列H犍材料類臺金均可 在 較 低 的 溫度下（3O）這V 0C以等離子化學氣相沉積方法（CV P D） 在較廣泛的襯底材料（ 玻

3、 璃 、屬 、高 溫塑 料 ）生 如 金 及 上 成大面積薄 膜 1 非 晶硅 舍 金 的帶 隱 及 懸 掛 鍵 遠 程 無序 的 對 理 想 晶 態(tài) 半 導 體 來 說 ， 我們 已卷市崖 （m ? ePc ）圖1非晶態(tài)半導體態(tài)密宦分布示意圖帶隙寬度非晶硅的帶隙寬度約等于1 7 V, e 同這種 不同與非晶硅中含有1%以上的氫0非 晶 硅 與 晶 體 硅 不 同 之 處 是 其 原 子 排 列是 晶 體 硅 的 帶 隙 寬 度為1 IV,二者有明顯的不 .c能用能帶理論闡明其導電機理， 即 電 子 或空 穴 有 關 再 者 ， 在 非 晶 硅 中摻 人 適 量 的 鍺 （ e 、 若 G ）

4、 可“由”運動于擴展的導帶或價帶之中，并 碳（或氮O, 可以形成不同的硅基合金即 自地c） N） 則具有較高的遷移率， 而 處 于 導 帶和 價 帶 之 間 的 非晶 鍺 硅 合 金 禁 帶 態(tài) 密 度 為 零 對 非 晶態(tài)半導體來說，由于a S1 i , C : Has i 一Gc :非晶碳硅臺金 H,或非晶氮硅臺金a si i , N :H.原 子 排 列 非 長 程有 序 ， 即材 料 中存 在著各 種 不 各 種 合金的帶隙 寬 度 隨 摻 人 量（ 的 變 化 而 變 ）完整 性 （鍵 長 、 角不相等和 材 料 中 存 在 空洞 表 1列 出 幾 種 常 見合金 的 帶隙 寬 度

5、從遷移率 如鍵或E,內分布的帶尾的態(tài)密度近似以指 向等）導致在 描述非晶態(tài)導電機理時雖也有類似 邊E,于晶態(tài)的導帶和價帶，但它分成擴展態(tài)和局域 數規(guī)律降到1“ C ?佛勺懸掛鍵態(tài)密度. /m e 0 態(tài).在擴展態(tài)中，子和空穴的遷移率明顯低所謂懸掛鍵是指非晶硅中的而電s原子未成共價 i 110/9于 晶 態(tài)材 料 ， 只相 當 于 晶 態(tài) 材 料 載 流 子 遷 移 率 鍵 的 電 子 態(tài) . 由 射 頻 濺 射 或 電 子 束 蒸 發(fā) 方 法 制的I %或更低.謂局域態(tài)即載流子不能在其中 備的非晶硅 膜 ，其 懸 掛 鍵 態(tài) 密度 可 高 達 所 輸 運 的 一 種 態(tài) ， 而 且 載 流 子

6、 是 連續(xù) 分 布 于 導 帶 C e 由 等 離 子 體 化 學 沉 積 法 制 備 的 非 晶 m V.或價帶附近，故局域態(tài)又稱為帶尾，如圖I所 硅膜中含有大 量 的 氫 ，可 有 效 地 與 非晶 硅 中 的 示 . 帶 尾 的 寬 窄 與 原 子 排 列 無 序 程 度 有 關 ，即 懸 掛 鍵結 合 形 成 s 鍵 ，使 懸 掛 鍵 態(tài) 密 度 降 i H無序程度愈高帶尾分布愈寬. 低懸掛鍵分布在帶隙的中部，并起 復合中心 圖中E , E，遷移率邊，占到占.間稱 的作用.懸掛鍵 態(tài) 密 度 越 低 ，則 材 料 的 載 流 子稱 之物理65 5 ?維普資訊 表 I 幾 種 非 晶 志

7、 半 導 體 的 帝 隙 寬 度可使此材料成為p型或n型的導電材料，其電 導率可增至約 1(? m) 0 2Qc.對于臺有微晶成 分 的 非 晶 硅 材 料 ， 電 導 率 可 更高 . 其cu r e (S (晶)！s CJ )多i壽命 越 長 .對于高質量的非晶硅材斟，其1 ，/、懸 掛 鍵態(tài)密度可低 于1ac/me0 V.囂表1中各 種非 晶硅 基合金 () 量 從 01分.逐 漸 增 加 時 ， 帶隙寬度也逐漸增大 . 其z戢流子的輸運過程.非晶 硅 材 粒受光照或外電 場 注 人時將產生 菲 平 衡 載 流 子，這些載流 子在 被復 合之 前在擴展態(tài)輸運過程中 ，有 一 部 分 載

8、流子將被帶尾局域態(tài)所陷獲，而被陷的載流子由 于 聲 子 協(xié) 助可重新激 發(fā)回到 擴展態(tài) .這種過程在 載流子通過 材 料 時 可 多 次 重 復 發(fā) 生 ，直 至 載 流 子 穿 通 材 料崔波長A r)n圖 2 非 晶硅 基合金 與 晶體硅 光 吸收 系敲 的比 較達到另一電極.由于這種多次陷阱效應，導致 3光吸收特 性 . 了 載 流 子 遷 移 率 的 下 降 . 對 未 摻 雜 的 本 征 非 晶 導率 為 1 一一 1( ? m) Ot 0 Q c.通過摻硼或磷非 晶硅 基合金材料 的光吸收特 性與晶體硅 由 圖 2可 以看 出 ，非 晶 硅 在 可見光部分比晶硅 材 料 來說 ，

9、是 電子 導 電 ， 般 用 i 示 ，電 材 料 差 別 很 大 ，2給 出 幾 種材 料 的 光 吸收 譜 . 這 一 表 圖侶/ 鈦B .OD I Ap. 1 0A 0a e HSTC0圖3（）1玻璃為襯康的單結電（為玻璃，TC為s o鍍面透明 導電膜，a三【電G O nB為緩沖層，n為摻磷n型電于導電材料，p為摻礤P型空穴導電材料，（，+ '鉬釷T Ti為背電 敏 ， 燕上 1 2 置 的釷再 蒸鋁 ，） 先 0 0 可得 到較 好的 歐姆 接觸 ）；【）b以不銹鋼為襯雇的單結電（為不鎊鋼襯雇，I O為氧化鎦錫遺明 導電膜） 電s T ; f ）疊層電她（電他為。s :材料,電

10、池為I SG_ H材料）c 上一 iH下_i :1卷1鳙 81維普資訊 茛pj善層，最后以 硅有 較高的 光吸收 系數，不同材 料的較高光啵 它是 毒捩在不 銹鋼 上 沉積 收 系 數 ， 對 應 的 波 長不 同 . 所電子束蒸發(fā)一層fo透明導電嗅.光從I O f T膜射人n 層，P i 電池相似，和 n在n /界 i 面處 產 生 的 光 生 載 流 子 通 過 i 達 到 背 電 極 構 層成 電流回路.'二 、非 晶 硅 電 池的 結 構和 工 作原 理非 晶 硅 電池 一 般 可 分 為單 結 電 池 和 疊 層 電 池 ， 單 結 電 池 又 可 分 為 以玻 璃 為 襯

11、底 的 p i 而 n 電 池 和 以 不銹 鋼 為 襯 底 的 n i 電 池 ， 如 圖 3 p所示.關于 非 晶 硅 電池 工 作 原 理 模 型 有 不 少 文 章討論過， 是 從 泊松方程 出 發(fā)列 出 電 子和 塑 都穴的 連 續(xù) 方 程 ，依 據 不 同 的邊 界條 件 推 算 在光照或八、暗態(tài)下電池的伏安 特性 . 本 文 以圈 3 a（）pi 電 池 結 構 為 例 扼 要 闡 明 電 池的 工 作 原理.n1單 結 電油. 圖 3a （ ）是 以 玻 璃 為襯 底 的pn電池結 構 . i在玻璃上先敷著一層絨面S O:透明導電膜，n這種膜有減 少 反射光的 作 用 ，可 使

12、 膜 的 透 明 度圖4 a給出P i電池短路殺件下的能帶()n圖. 對 于 高轉換效 率 的 非 晶 硅 電池 ， 由于 被 陷電荷和空間自由載流子電荷可以忽略，其i層提 高 .時這種膜又是上電極，以要求膜的方 的電場可認為是近似均勻的.在P /同所I界面產 塊電阻要小，般應V0 口 在敷有透明導生的光生電子和空穴在電場作用下遷移到背電 一 o/電嗅的玻璃上依次在反應室內沉積pi丨各非 極構成光生 電流，光生電流密度可寫成 n該晶硅層，面電極先蒸上一薄層 （o 2 五），背 1 一 0 鈦 i qcl e p d L ）,（ ） GL【x （, t1再蒸上 鋁，是 為了改善 金屬 鋁與 層接

13、觸特 式中G是光 生載 流子產生率；這g是電子電荷 ；性光從玻璃方向射人P層.層是a是i層厚度；L 一。 十電子 和rEE是SC :合金材料， 帶 隙寬度較寬，為19iH其約空穴漂移長度和；是電場強度；,f.20V,e目的是讓較多的短波波長的光透過P層分 別 表 示 電子和空 穴 的遷移率和壽帚(宙生式而到達P/界面.Pi層厚度一般小于10.0五在P層與i之間生長一層厚度小于10層蓋0的緩沖層到改善P/起i界面特性和加強光生可 以 看出，在電池i厚度及光強確定后,L層愈 大 ， 光 生 電 流 愈 高 換 句 話 說 ， 流 子 遷 移 則 載率壽命積 愈大 ， 或電 場 強 度 蠹 犬 光

14、生 電流 愈 則 載梳 子 向 內輸 運 的作用光生載流子通過i層 高由圖4 a （）能帶圖可以看 出，帶隙a 寬一到達背電極構成電流回.另一種電池結構是 SC:的PiH 層可使入射短波長的光損失減小， 以不銹鋼為 村底的n i十電池，圖3 b所示. p如（） 同時P /界面的高勢 壘 可 使 反 擴 散 到 P i 屢 的囊電匿（V（ b1圈 c） i +電弛短路條件下售帶匿；（）電曲的電施電壓特性曲 齷 一 9 u b袖理7 ?維普資訊 犀 20， 電 子 減 少 ，這 樣 反 向 復 合 電 流 減 小 則 有 利于 正 電池的i厚度較藹（一 I 0五）而后電拖的 i層厚度較厚（50五）

15、對于電流 如 何 穿 00 向光 生電流 的增 加 從圖 一 a 還 可以看 出，4 ）（P層和n 層摻雜效率愈高，則使費米能級E 愈 過兩個電池中 間 的 印 結 ， 目前 雖提 出 不 少模 但尚 來 定 論 我 們 可 以 認 為 ， 從前 面 i層產 靠近P 層的價帶和n 層的導帶，這樣i層的 型，能 帶 傾斜 愈 大 ， 就 是 電場強 度 愈 大 ， 也 對光 生 電生的電子輸運到n層，遇到P層的高勢壘后，可i : 流 的 增加 愈 有 利 所 以 目前 圍 繞非 晶 硅 電池 材 能 會 通 過 隧道效應與后面的a SGe H i層輸 運到界面的空穴復合，成隧道電流構成回路形 料

16、基礎的研究課題是如何提高1載流子遷 移 層率壽命積以及提高P 層和n 層摻雜效率.（M 相當于10 A 1 mW / m 強照射下的轉換 0 c ）光效率，換效率是通 過測量電池的電流、轉電壓特 性確定的如圖4 b所示，圖中選出 最大功 （）從a Si: H IY1:1 Ge H 1-再者由于有兩層電池是串接的，故整個電池的表征電池性能，要是測量電池在AM1開路電壓將會增大.主.5率點。一 V ,并同時測量光照強度P,則I轉換效率 表示為II .一-匿川(FF) , o i V. o只P i()2是短路電流密室,充因子.由：1 mA,7是開路電壓,FF是填一一 1 mA,V5一 0 6V；.8

17、一 0 8 V,從(）可算出電池的轉.42式換 效 率 一1 ?充因子FF 0 7.02 填 1z疊晨電油從圖2可以看出，非晶硅對較高能量白短波長的光具有較高的吸收系數，但對長披長的光吸收系數很低,光穿過i對光電流沒有貢 層獻.為了把這部分的光能轉換 成電流就要求 對長波長的 光 具有強吸收特性的窄帶隙材料做成 電 池 的 i層.如圖2所示，其中非晶錯硅aSGeH或多晶銅銦硒C IS材料對長波一i:un e卜G aS HPOt .長區(qū)域的光 均具有 較強的吸收 系數.將這類材料和a S:制成pn i疊層電池，即前面i H ipn的pn電池的i 是a S:層，后面的pni層 iH i電池的i是a

18、SGe H層，如圖 5所示.光層i:CunS 21 e ， ， G從as :電池射人，波長的光被 a S:吸iH 短 iH收，而長波長 的 光 透 過 中 間 n 界 面后被以ap一¥GeH為1層的電池所吸收.這樣就擴大了i :吸收光的范圍，高 了 電 池 的 轉換 效 率 .提 由于電c吣躅，（） 兩端 疊 層 電池； （ ）四端疊層電淹ab(0為高分子牯音劑）P疊層電池的另一 種結構 為四端疊 層電 池，流的連續(xù) 性 即前面電池產生的光 電流 應 等于這 種 電 池是以aS:作 前 面 電 池用多晶iH后面電池產生的光電流，又因大部分的光被前C1St（unc p型）膜和C Sn型

19、）Z S 薄 膜薄d或 n 面電池所吸收，后 面 電 池 要 產 生 相 等 的 光電流作 后面電池， 如圖 5b()所示.電池的 電極是用就需要加厚后面電池的1厚度，故一般前面透明導電層Z O,前后兩個電池 間用透明 層n1卷 勰 8維普資訊 有機高 分子材料牿接 ，但兩 個 電池的 極性是 相 們組裝成單人非蕞硅太陽能電趟 車，充電3小 .3反的，剁引 出四個端點據最 新報 道，種 分這 時可行 駛2k.還有一些大的非晶硅太陽能Oi n池轉換效率已達至U 1 .弼 .56。3非晶硅集成電池電 站 是 將 這 種集 成 電 池 經 過 串 井連 接 ，不 用 蓄電池， 可直接將 直流 轉換成

20、 芟流 ； 就 經過開壓 后非晶硅p n層可在連續(xù)反應系統(tǒng)1 一次制 i中成大面積電池 （2 1 OX4 c 2 .這樣大的單塊Om ）電池 面 積 過 大 ， 當 電流 游 經 上 電極 時 ， 故 由于 透明導電膜有一1 O 口方塊電阻， / O將產生較大的 壓降.外， 了 適 應各 種 場 合 的應 用 ， 電 池 另 為 對的 電 壓 要 求 不 同 所 以 ，在 實 際 盅 用 中 是 將 大 面 積 電 池 根 據 需 耍 分 割 成 若 干 個 小的 電 池 加 以電池的輸 出電壓） 集成 電 池電流 取決于其 中電 積 的 電 池 ， 電 池 分 割 的 數 目 愈 多 ， 輸

21、 出的 電 小 剮毋 集瘸出凰虎結掏流 最 小 的 一 個 電 池 的 電 流 很 顯 然 ，對 同 一 面 可 與 犬 電 網 并 網烘 電 、壓也愈高 ，相應的電流將變小在設計時根據各部 分 的 接觸 電 阻值 ，可 優(yōu)選 一個 最 佳 切 割 尺三 、非 晶硅 電池 發(fā) 展 現狀和 前 景18年9月在美國召開的國際第二十屬 98寸 ， 文不 作詳細討論 本光伏專家會議及1的國 際第 四屢 光 伏科學太 陽 能 電 池 可 供 各 種 場 臺 下應 用 ，如 作 為8年2月在澳大利亞召開 9 9計算 器 、 手表、 電動 玩具 、庭 院燈以及 電訊中繼日本 三 洋 公 司 將 菲 晶 硅

22、電 池及 工 程 會 議 的 資 料 表 站 等 的 電源做在明 ， 過 這 十 多年 的 努 力 ， 論 在 電池 的 轉換 效 經 不玻 璃 瓦上 ， 在 屋 頂 ， 裝 可提 供 家 庭 用龜 最 近 他 表s/ ii s Ge s/1率和電池 面 積 上 都 取 得 很 大 的 進 展 表 2列出乙電池面積80m的數據0一公司名稱AR C0( 國 )ARCO(國)美富士（ 本） 日ECD(國）美chon i美國)r a(V) 242354 481688293.(mA ，mc)221254 I161. S 95I1.5美FF 06805.9B0 ，7.7067.306 .轉換效 率 (

23、)7 a .9I .63.5i.62功率()w.6 7,8.3.0I2117 6面朝( mc)497 0， ， ? 蚰D041 10'2589婁型單 結sici 【8t. 單 結aSi疊層單結s】m 0 a（ 目） 姜25804.5881099單結電池面積小 的數 據EcD： 國 ） 羹富七 （日本 ）16.417.81 ?09507? 007? ” 、1，050：? 1B0。4s四蜷1 clAR c0 （國）美。40 8 1.70 42.31 61.7,07? 206 81035 3.1 ， 6 三洋( 丑本 )'25' t Sj 17 &.?1 一 q7 ,

24、90 6mW :I 1 單箔”物理維普資訊 了 美國太期犖圈窄 干 所測量國際上各 公司的電 貴降雌廊套就得擴大隼產規(guī)模. 目 前困際上非地 后所公布 數據 .從 國 際 光 伏 電 池 市 場 銷 售 量 來 看 ， 非 晶硅昂硅電池生產規(guī)模年量為1 M ',若能孵決年產幾百MW的工程技術設 計 和逝盎間 題 ,預計在19 年到本 世紀末可望把電拙的甜格 降95電池去年已銷氨3 MW,占電池市場的.08隨著非晶硅電池成本進一步下降,這一比例將至U 5元f瓦(瓦表示在A I.光照卞可 一蜂峰M _5會加大為新能源 考慮佧人們最終 目標 是想使產 皋的功率 )若以電1能使用2,抽 0年計

25、算 ,則每非晶硅電池產生的龜能價格能與火力發(fā)電的成度電價格可降 至 2 q2? .? .5元 KW h本相競爭.要達到達 一 目標 尚 須 解決一系列的基礎研究和工程 技術 等方面的問 題. 目前,電池 的轉 換 效 率 與 理論推算值尚有一定差距 (單結電池轉換效率理論 值 可 達 1.西,疊層s78iUS? Cd I.rq M ,fs,s(9 , 35 Py.31i 3 0:IB 2. w . Fg 蚰,。crnd 1hnsaf. y .L v,(ei s 1989?'3】H. Oka tta.S11 r cf f B 18 )3 m0 0e1oa,(9317Sa z 4】h oi

26、hgo血P oe 02rI. f O b EEEC S電 池 轉換 效 率理 論值 可 達 2 )要進I66.POq o嘶 c 印 t m i" h tVe s礎物理I題，例如提高寬帶步提 高電袖 的轉換 效 率 ，需 要搞 清楚 許多基 隙 和 窄帶隙臺 金材 可”呻c IEE8,'H e Ne C ? .9dyPhoto|alSp ovte料的 質量使這 類材料的光電導率加大，高材提料載流子的遷穢以及摻雜效率等. 另外 ， 不對同材料的接觸界面特性及載流子通過界面的輸運特性的進步 了解 ，也是提高轉換效率的關e ilsC n eeOEEcalt ofr neIE，cc( 98，18)1 JEr e1I4hItrain|r4te n toMPh tv ha6oog ine ad唇ig，henec cee nni6is。nAu tl，O 99 i7.。r8)6.Ns'w.S蹦a9ta.P。OhlEE °ht一7l?a1o.E2tEP oo otip6 ilslacSi_ Cbr nc，I(咖heeeEEBjt鍵.于l何疑抉非晶磚皂池轉換效率的初期如衰退問題也是科學家們關注的課題 . 要想進一一