能源工學(xué)小論文

1、硅基太陽能電池錢坤 121120101一、引言太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔、不產(chǎn)生任何環(huán)境污染的能源。在太陽能有效利用當(dāng)中，太陽能光電利用是近年來發(fā)展最快，也是最具活力的研究領(lǐng)域。太陽電池的歷史可以追溯到19 世紀(jì)。1839 年Becqurel 在電解槽中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1883 年,Frit ts 描述了第一個(gè)用硒制造的光生伏特電池。1941年,Ohl 提出了硅p2n 結(jié)光伏器件, 在此基礎(chǔ)上, 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于1954 年制造出第一個(gè)實(shí)用的硅擴(kuò)散p2n 結(jié)太陽電池, 并很快將光電轉(zhuǎn)換效率提高到10 %。1958年, 太陽電池首先在人造衛(wèi)星上得以應(yīng)用, 從此開始了

2、研究、利用太陽能發(fā)電的新階段。20 世紀(jì)50 年代第一塊實(shí)用的硅太陽電池的問世, 揭開了光電技術(shù)的序幕,也揭開了人類利用太陽能的新篇章。自20 世紀(jì)60 年代太陽電池進(jìn)入空間、20 世紀(jì)70年代進(jìn)入地面應(yīng)用以來, 太陽能光電技術(shù)發(fā)展迅猛。但在20 世紀(jì)80 年代以前, 由于發(fā)電成本過高, 太陽電池的應(yīng)用并不廣泛。光伏發(fā)電主要在航天、通信、導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域作為補(bǔ)充能源。1990年以來，太陽能電池的平均年增長率高達(dá)16%，目前每年的貿(mào)易額超過10億美元。硅材料在光伏領(lǐng)域的增長率已高于它在集成電路領(lǐng)域的增長率。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能量后發(fā)生光電轉(zhuǎn)

3、換效應(yīng)。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、 以非晶硅、多晶硅和單晶硅為材料的硅太陽能電池2、 以-族化合物半導(dǎo)體多元化合物為材料的太陽能電池3、 以銅銦硒為材料生產(chǎn)的太陽能電池4、 以其它材料（ 如-族半導(dǎo)體，塑料，有機(jī)材料）生產(chǎn)的太陽能電池；另外，鍺單晶也是重要的太陽能電池材料。無論采用何種材料生產(chǎn)太陽能電池，它們對材料的一般要求是：1、 半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬2、 要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率3、 材料本身對環(huán)境不造成污染4、 材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，而且材料的性能要穩(wěn)定綜合以上幾方面因素考慮，硅材料是最理想的太陽能電池材料。按照電池的生產(chǎn)量來說，硅材料太陽能電池?zé)o疑是市場的主體，硅基（多

4、晶硅、單晶硅）太陽能電池占80%以上二、背景硅基太陽能電池的發(fā)展可劃分為三個(gè)階段（如圖1所示），每一階段效率的提升都是因?yàn)樾录夹g(shù)的引入。 圖1電池效率發(fā)展路程圖1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin等人開發(fā)出效率為6%的單晶硅太陽能電池到1960年為第一發(fā)展階段，導(dǎo)致效率提升的主要技術(shù)是硅材料的制備工藝日趨完善、硅材料的質(zhì)量不斷提高使得電池效率穩(wěn)步上升，這一期間電池效率在15%。1972年到1985年是第二個(gè)發(fā)展階段，背電場電池（BSF）技術(shù)、“淺結(jié)”結(jié)構(gòu)、絨面技術(shù)、密柵金屬化是這一階段的代表技術(shù)，電池效率提高到17%，電池成本大幅度下降。1985年后是電池發(fā)展的第三階段，光伏科學(xué)家探索了各種各樣的

5、電池新技術(shù)、金屬化材料和結(jié)構(gòu)來改進(jìn)電池性能提高其光電轉(zhuǎn)換效率：表面與體鈍化技術(shù)、Al/P吸雜技術(shù)、選擇性發(fā)射區(qū)技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)等。許多新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的電池在此階段相繼出現(xiàn)，如效率達(dá)24.4%鈍化發(fā)射極和背面點(diǎn)接觸（PERL）電池。目前相當(dāng)多的技術(shù)、材料和設(shè)備正在逐漸突破實(shí)驗(yàn)室的限制而應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中來。目前已經(jīng)有多家國內(nèi)外公司對外宣稱到2008年年底其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率單晶將達(dá)到18%，多晶將超過17%。三、原理太陽能是一種輻射能,要將這種輻射能(或其它光能)轉(zhuǎn)換為電能,必須借助“能量轉(zhuǎn)換器”一一太陽能電池,也稱為光電池。因?yàn)槌Ｒ姷奶柲茈姵囟际怯砂雽?dǎo)體材料制造,所以有時(shí)也稱為半

6、導(dǎo)體光電池。太陽能電池工作原理是基于半導(dǎo)體p一n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。即太陽光或其它光照射半導(dǎo)體p一n結(jié)時(shí),就會在p一n結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓,叫做光生電壓。下面以單晶硅太陽能電池為例作一下介紹。原子由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成,原子核外的電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn),其運(yùn)動軌跡遵循一定的軌道。單晶硅原子共有三個(gè)電子層,最外電子層中有4個(gè)電子,這4個(gè)電子都有著固定的位置且受原子核的約束。當(dāng)有外來能量激發(fā)(如受到太陽能輻射)時(shí),最外層的電子即可擺脫原子核的束縛而變成自由電子,與此同時(shí),此電子原來所在地方形成一個(gè)“空位”,此“空位”可看成一個(gè)正電荷,被稱之為“空穴”。在單晶硅中,帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴

7、都是可以運(yùn)動的電荷。在本征半導(dǎo)體晶體硅中,自由電子的數(shù)目等于空穴的數(shù)目。但如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的雜質(zhì),如硼、鋁、嫁或錮等,就變成了空穴型半導(dǎo)體,簡稱p型半導(dǎo)體;而如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的雜質(zhì),如磷、砷或銻等,則變成了電子型半導(dǎo)體,簡稱n型半導(dǎo)體。若將這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起,在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體交界處就會形成載流子濃度差,在界面層附近會發(fā)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動,空穴從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散,電子從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散。對于p區(qū),空穴離開后,留下不可移動的帶負(fù)電荷的受主離子;對于n區(qū),電子離開后,留下不可移動的帶正電荷的施主離子。這樣,在p一n結(jié)交界面附近就出現(xiàn)一個(gè)p區(qū)一側(cè)為負(fù),n區(qū)一側(cè)為正的

8、空間電荷區(qū),電荷區(qū)的正負(fù)電荷形成一個(gè)內(nèi)建電場,其方向由n區(qū)指向p區(qū)I'7。當(dāng)光線照射在p一n結(jié)上并且光在界面層被吸收時(shí),具有足夠能量的光子能夠在p型硅和n型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā),產(chǎn)生電子一空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前,將通過內(nèi)建電場的作用被相互分離。電子向帶正電的n區(qū)運(yùn)動,空穴向帶負(fù)電的p區(qū)運(yùn)動。最后造成n區(qū)有大量負(fù)電荷(電子)積累,p區(qū)有大量正電荷(空穴)積累。這樣,在p一n結(jié)附近形成了一個(gè)電場,稱為光生電場。光生電場的方向與內(nèi)建電場相反,因此它的一部分可與內(nèi)建電場相抵消,其余部分則可使p區(qū)帶正電,n區(qū)帶負(fù)電;這樣就在n區(qū)與p區(qū)之間的產(chǎn)生了一單晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝的

9、研究個(gè)電動勢,稱為光生伏特電動勢,當(dāng)外電路接通時(shí),即可產(chǎn)生電流。對于太陽能電池來說,太陽能或其它光能到電能的轉(zhuǎn)換僅在界面層附近才有效。這取決于光線在界面層周圍被吸收和盡可能地將光子能量傳輸給晶體。因此,太陽電池的光線入射的一面應(yīng)該相對做得薄一些,以便光線可以幾乎無衰減地到達(dá)界面層。通過分析,太陽能電池的發(fā)電過程可概述為4步:1、 太陽光或其它光照射在太陽能電池的表面上。2、 太陽能電池吸收具有一定能量的光子激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子),即電子一空穴對,它們的壽命要足夠長,以確保它們在被分離之前不會復(fù)合。3、 電子一空穴對在p一n結(jié)內(nèi)建電場的作用下被分離,電子與空穴分別集中n區(qū)和p區(qū),p一n

10、結(jié)兩邊的異性電荷的積累形成光生電動勢。4、 在太陽能電池兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載形成電路,即在電路中獲得了光生電流。這樣,太陽能電池就完成了將太陽能(或其它光能)直接轉(zhuǎn)換為了電能。只要太陽光照持續(xù)不斷,負(fù)載上就一直有電流通過。四、研究進(jìn)展根據(jù)硅片厚度的不同，我們可以把硅基太陽能電池分為晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池兩大類。1）單晶硅太陽能電池硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。高性能單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的成熱的加工處理工藝基礎(chǔ)上的?，F(xiàn)在單晶硅的電地工藝己近成熟，在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)，開發(fā)的電池主要有平

11、面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池。提高轉(zhuǎn)化效率主要是靠單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝。在此方面，德國夫朗霍費(fèi)費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持著世界領(lǐng)先水平。該研究所采用光刻照相技術(shù)將電池表面織構(gòu)化，制成倒金字塔結(jié)構(gòu)。并在表面把一13nm。厚的氧化物鈍化層與兩層減反射涂層相結(jié)合通過改進(jìn)了的電鍍過程增加?xùn)艠O的寬度和高度的比率：通過以上制得的電池轉(zhuǎn)化效率超過23%，是大值可達(dá)233。Kyocera公司制備的大面積（225cm2）單電晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為1944%，國內(nèi)北京太陽能研究所也積極進(jìn)行高效晶體硅太陽能電池的研究和開發(fā)，研制的平面高效單晶硅電池（2cm X 2cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.79%

12、，刻槽埋柵電極晶體硅電池（5cm X 5cm）轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.6%。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然其轉(zhuǎn)換效率高，但是制作單晶硅太陽能電池需要大量的高純度硅材料，且工藝復(fù)雜，電耗很大池工藝影響，且太陽能電池組件平面利用率低，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下。要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，人們進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了多晶硅（低等級半導(dǎo)體級多晶硅和鑄造多晶硅）、多晶硅薄膜和非晶硅薄膜材料用于太陽能電池的生產(chǎn)。2）多晶硅太陽能電池 目前，太陽能使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶硅顆粒的集合體，

13、或用廢棄單晶硅材料和冶金基硅材料熔化澆筑而成，其工藝過程是選擇電阻率為100-300cm的多晶塊料或單晶硅頭尾料，經(jīng)破碎，用1:5的氫氟酸液混合進(jìn)行適當(dāng)?shù)母g，然后用離子水沖洗呈中性，并烘干，用石英坩堝裝好許多硅料，加入適當(dāng)硼硅，放入澆鑄爐，在真空狀態(tài)下加以熔化，熔化后保持約20min,然后注入石墨鑄模中，慢慢冷卻后即基硅錠，然后切片加工成太陽能電池片，即多晶硅太陽能電池。 與單晶硅太陽能電池相比，多晶硅太陽能電池成本較低，而且轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽能電池比較接近，因此，多晶硅太陽能電池是未來地面應(yīng)用發(fā)展的方向之一。一般商品多晶硅太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率為12%14%。商品多晶硅太陽能電池的產(chǎn)量

14、占硅太陽能電池的50%左右。它是太陽能電池的主要產(chǎn)品之一。3）硅基薄膜太陽能電池薄膜太陽電池可以使用其他材料當(dāng)基板來制造，薄膜厚度僅需數(shù)m量級，較傳統(tǒng)太陽能電池大幅減少原料的用量。目前光伏發(fā)電的成本與煤電的差距還是比較大，其中主要的一項(xiàng)就是原材料即的價(jià)格。薄膜太陽電池消耗材料少，降低成本方面的巨大潛力。薄膜太陽能電池的種類包括： 非晶硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、化合物半導(dǎo)體II-IV 族CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS

15、 (銅銦硒化物)等。如果要將太陽電池大規(guī)模應(yīng)用為生活生產(chǎn)提供能源，那么必須選擇地球上含量豐富，能大規(guī)模生產(chǎn)并且性能穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，硅基薄膜電池的優(yōu)越性由此凸顯。1、非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池非晶硅太陽電池是上世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種薄膜太陽電池，它制備溫度低，用材少，便于工業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格低廉，因而受到高度重視?，F(xiàn)階段非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已從1976年的1%2%提高到穩(wěn)定的1214%，其中10cm10cm電池的轉(zhuǎn)換效率為10.6%.小面積的單結(jié)的電池轉(zhuǎn)換效率已超過13%。 圖1 非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu) 圖2 非晶硅太陽電池組件非晶硅太陽電池主要是以玻璃、不銹鋼等為襯底的薄膜太陽電池，

16、結(jié)構(gòu)如圖1所示。為減少串聯(lián)電阻，通常用激光器將TCO膜、非晶硅(A-si)膜和鋁(Al)電極膜分別切割成條狀， 如圖2所示。 圖3非晶硅太陽電池組件結(jié)構(gòu) 圖4 非晶硅太陽電池制備過程由于太陽光譜分布較寬，現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料只能在一有限波段轉(zhuǎn)換太陽能量，所以單結(jié)太陽電池不能充分利用太陽能。采用分波段利用太陽能光譜的疊層電池結(jié)構(gòu)則是比較有效提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法。疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)見圖3。目前常規(guī)的疊層電池結(jié)構(gòu)包括a-Si/a-SiGe,a-Si/a-Si/a-SiGe,a-Si/a-SiGe/a-SiGe,a-SiC/a-Si/a-SiGe等。圖4是非晶硅太陽電池制備方法示意圖，把硅烷(SiH4)

17、等原料氣體入真空度保持在101000Pa的反應(yīng)室中，射頻(RF)電場產(chǎn)生輝光放電，原料氣體被分解，在玻璃或者不銹鋼等襯底上形成非晶硅薄膜材料。如果原料氣體中混入硅烷(B2H6)即能生成P型非晶硅,混入磷烷(PH3)即能生成N型非晶硅。為得到性能良好的太陽電池，避免反應(yīng)室內(nèi)壁和電極上殘存的雜質(zhì)摻入到電池中，一般都利用隔離的連續(xù)等離子反應(yīng)制造裝置，即P,I,N各層分別在專用的反應(yīng)室內(nèi)沉積。非晶硅太陽電池應(yīng)用優(yōu)勢具體如下：（1） 材料和制造工藝成本低。（2）易于大規(guī)模生產(chǎn)。（3）具備弱光發(fā)電的性能，該性能使得非晶硅薄膜電池受風(fēng)沙、雨雪等天氣的影響很小，發(fā)電時(shí)間延長。（4）非晶硅電池工作中不受環(huán)境的影

18、響，而晶體硅電池如果其中一小部分被遮擋，會產(chǎn)生孤島效應(yīng)，這將極大的降低整個(gè)組件的功率輸出。（5）具有透光性，而且組件能更好的融合于建筑，在光伏建筑一體化（BIPV）上具有很大的優(yōu)勢。非晶硅太陽電池主要缺點(diǎn)有兩個(gè).一是它的不穩(wěn)定性，即光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，另外光電轉(zhuǎn)換效率也比較低，一般在到之間。對于非晶硅薄膜太陽電池的缺點(diǎn)，我們采取的方法主要是要降低其衰減程度。非晶硅及其合金的光暗電導(dǎo)率隨光照時(shí)間加長而減小，經(jīng)170200 溫度2h，又可恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為S-W效應(yīng)。非晶硅太陽電池光衰退的主要因素是I層的S-W效應(yīng)。因此要提高非硅太陽電池的穩(wěn)定效率，首先要獲得高穩(wěn)定性的I層

19、的a-Si:H材料。方法如下：采用分室沉積技術(shù)和高真空反應(yīng)室消除雜質(zhì)污染；在制備方法方面分別采用了電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(ECR一CVD)、氫根化學(xué)氣相沉積(HR一CVD)、熱絲(HW)法沉積和三極管系統(tǒng)；在制備工藝方面采用了H等離子體化學(xué)退火法、H2稀釋法、He稀釋法和摻氟法。采用這些制備技術(shù)和制備工藝的主要目的都是為了減少非晶硅膜中的H含量和缺陷態(tài)密度，使其形成穩(wěn)定的Si-Si鍵和Si-H鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。比如，用常規(guī)PECVD技術(shù)制備的a-Si:H膜中含有約10%的H，而用化學(xué)退火法制備的a-Si:H膜的含H量小于9%，用熱絲法制備的a-Si:H膜的含H量只有1%2% 。 另外與微晶硅結(jié)合生

20、成非晶硅微晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池也是目前非晶硅薄膜電池研究的主要方向，這種電池不僅繼承了非晶硅電池的優(yōu)點(diǎn)，而且可以延緩非晶硅電池的效率隨光照衰減的速度。與傳統(tǒng)硅基太陽電池相比較，非晶硅太陽電池穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)換效率在光照下會衰減，但是制造成本低，在光伏建筑上有極大的優(yōu)勢；多晶硅膜太陽電池，從制備方法上看，低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低；高溫沉積，能耗高。但是它保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，又明顯地降低了電池成本。2、多晶硅(poly-Si)薄膜太陽電池多晶硅薄膜由許多大小不等，具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成。其晶粒尺寸一般約在幾十至幾百納米級，大顆粒尺寸可

21、達(dá)微米級。多晶硅薄膜太陽電池保持了晶體硅太陽電池的穩(wěn)定性，大幅度降低了硅料的用量，還可以生長在廉價(jià)的襯底材料上，明顯地降低了電池成本 。多晶硅薄膜電池的研究重點(diǎn)有兩方面，一是電池襯底的選擇，二是制備方法。對于襯底的選擇：(1)非硅襯底多晶硅薄膜太陽電池非硅襯底可以大幅度降低成本，但是所獲得的多晶硅薄膜晶粒較小，工藝要求比較高。圖4所示的日本Kaneka公司的STAR太陽電池就屬于這類電池。它利用CVD技術(shù)在玻璃襯底上生長2nm厚的非晶硅薄膜，然后在氫原子氣氛中進(jìn)行重結(jié)晶，不斷重復(fù)上述過程，直到底層完全晶化，再在已晶化的底層上沉積多晶硅薄膜。STAR太陽電池的效率達(dá)到101。當(dāng)硅薄膜通過熱CVD

22、 沉積到非硅襯底上時(shí), 得到的顆粒通常非常小, 大約在幾個(gè)微米左右。為了得到較大顆粒的硅薄膜, 需要將細(xì)小顆粒轉(zhuǎn)化成較大顆粒, 硅薄膜通常要經(jīng)加熱熔化后再冷卻過程即液相晶化過程來增大薄膜顆粒。由于此過程溫度要超過硅的熔點(diǎn)1435 , 該過程對襯底的熱膨脹系數(shù)有相當(dāng)高的要求。適宜的襯底僅有極少數(shù), 如耐高溫的石墨片, 重?fù)诫s的硅帶, 某些陶瓷材料如SiC, SiAlON 等。由于這些襯底通常含有較多的雜質(zhì), 為防止在高溫下雜質(zhì)向活性層擴(kuò)散, 需要在襯底和活性層之間有大于1m 厚的有效阻擋層。應(yīng)當(dāng)指出的是, 這些在電池制作過程中額外增加的過程是否能符合最初低成本材料這一目標(biāo)是需要考慮的。另外一個(gè)制

23、約因素就是再結(jié)晶的速度, 再結(jié)晶速度如果過快,則薄膜缺陷態(tài)密度大大提高, 如何在保證薄膜質(zhì)量的前提下提高結(jié)晶速度仍是個(gè)問題。由于材料經(jīng)過再結(jié)晶后, 晶粒可以大到幾個(gè)毫米, 可以采用常規(guī)體硅電池的制作過程來制備薄膜電池。(2)低品質(zhì)硅襯底多晶硅薄膜電池采用低品質(zhì)硅帶為襯底，可以直接外延生長多晶硅薄膜，并且可得到具有較大顆粒尺寸的多晶硅薄膜，工藝簡單，效率較高，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。圖5說是的就是一種以SSP硅帶為襯底的多晶硅薄膜太陽電池。在不使用鈍化和陷光技術(shù)的前提下，電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了825。在此基礎(chǔ)上，通過在顆粒硅帶上預(yù)先沉積一層穿孔隔離層并對沉積的多晶硅薄膜進(jìn)行重結(jié)晶，制備的多晶硅薄膜太

24、陽電池的效率達(dá)到112。在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上, 除了薄膜可以直接沉積到襯底上,另外一種比較有趣的設(shè)計(jì)是通過襯底和電池的分離技術(shù)而達(dá)到重復(fù)使用襯底。一種襯底和電池活性層分離技術(shù)是首先通過腐蝕在硅的表面形成一層多孔硅, 得到的多孔硅在襯底和活性層之間充當(dāng)減反層, 當(dāng)電池制作完成后, 通過機(jī)械處理將硅襯底和活性層分離, 襯底可以利用多次。另外一種分離技術(shù)是通過先將一層掩蓋層如(SiO2)按一定的模式將單晶硅襯底部分掩蓋起來, 液相外延生長硅薄膜形成一具有開口網(wǎng)形結(jié)構(gòu)薄膜層, 當(dāng)腐蝕掉襯底后, 該層結(jié)構(gòu)足以自我支撐。而在電池制作過程中，因?yàn)橐r底是低品質(zhì)的硅襯底。我們一般通過氫鈍化來鈍化外延層或氮?dú)夥障聼Y(jié)

25、來提高薄膜電池轉(zhuǎn)換效率。 圖4 STAR太陽電池 圖5 SSP襯底上的多晶硅薄膜太陽電池目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)，液相外延法(LPPE)和區(qū)熔再結(jié)晶法(ZMR)法、等離子噴涂法(PSM)、疊層法、固相結(jié)晶法(SPC)也可用來制備多晶硅薄膜電池。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法是利用PECVD技術(shù)在非硅襯底上制備晶粒較小的多晶硅薄膜的一種方法，其制備溫度很低（100200），晶粒小（107m量級）。目前最高效率達(dá)10.7。該方法存在生長速度太慢以及薄膜極易受損等問題，有待今后研究改進(jìn)。液相外延（LPE）法通過將硅熔融在母液里

26、，降低溫度使硅析出成膜。美國Astro Power公司和德國Max-Plank研究所對這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，前者用LPE法制備的電池，效率已達(dá)12.2?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）法就是將襯底加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋缓笸ㄒ苑磻?yīng)氣體（如SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4等），在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在襯底表面。這些反應(yīng)的溫度通常較高，在8001200之間?？梢詰?yīng)用再結(jié)晶技術(shù)提高晶粒尺寸，其具體方法是：先用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法在襯底表面形成一層較薄的、重?fù)诫s的非晶硅層，再用高溫將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，用這層較薄的大尺寸多晶硅層作為籽晶層，在其上面用C

27、VD法生長厚的多晶硅膜。這種CVD法制備多晶硅薄膜太陽電池的關(guān)鍵是尋找一種較好的再結(jié)晶技術(shù)。下表是主要幾種不同生長方法的多晶硅薄膜太陽能電池特點(diǎn)的比較結(jié)果。再結(jié)晶技術(shù)主要有固相晶化（LAR）法、區(qū)熔再結(jié)晶（ZMR）法和激光再結(jié)晶（LMC）法。固相晶化法需對非晶硅薄膜進(jìn)行整體加熱，溫度要求達(dá)到1414的硅的熔化點(diǎn)。該法的缺點(diǎn)是整體溫度較高，晶粒取向散亂，不易形成柱狀結(jié)晶。區(qū)熔再結(jié)晶法需將非晶硅整體加熱至1100，再用一個(gè)加熱條加熱局部使其達(dá)到熔化狀態(tài)。加熱條在加熱過程中需在非晶硅表面移動。激光退火法采用激光束的高溫將非晶硅薄膜熔化結(jié)晶以得到多晶硅薄膜。三種方法中以ZMR法最成功，日本三菱公司用該

28、法制備的電池，效率已達(dá)16.42，德國的Fronhaufer研究所在這方面的研究處于領(lǐng)先水平。 表1 多晶硅薄膜太陽能電池的生長方法及特點(diǎn)對比生長方法沉積溫度沉積率結(jié)晶質(zhì)量等離子體低低差液相外延低低-中良好化學(xué)氣相沉積高高良好近年來制備多晶硅薄膜材料的工藝技術(shù)有很大發(fā)展。用多晶硅薄膜代替-SiGe作為底部電池在進(jìn)一步提高硅基薄膜太陽能電池性能方面顯示出許多優(yōu)勢：其帶隙可做1.12eV，與-Si-SiGe薄膜電池相比，-Siploy-Si薄膜電池能吸收更小能量的太陽光子，具有更高的轉(zhuǎn)換效率極限；ploy-Si薄膜沒有光致衰退效應(yīng)。理論計(jì)算表明，ploy-Siploy-Si疊層電池的效率可達(dá)。Kn

29、eKa公司設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池，效率已達(dá)10.7，且無光致衰降現(xiàn)象；另一種SOI結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池10cm×10cm，獲得了高達(dá)14.22的效率。H.Morikawa等更制備出了效率高達(dá)16的多晶硅薄膜電池。德國Fraunhofer太陽能研究所通過在顆粒硅帶上預(yù)先沉積一層穿孔隔離層并對沉積的多晶硅薄膜進(jìn)行重結(jié)晶，制備的多晶硅薄膜太陽電池的效率達(dá)到11。2%。澳大利亞新南威爾士大學(xué)采用熱交換法生長的多晶硅制備的多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%，通改進(jìn)工藝使其電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.8%(1cm2)。北京太陽能研究所在覆蓋SiO2的重?fù)絇型單晶硅襯底上制備的多晶硅薄膜太陽電

30、池的效率達(dá)到10.2%，重?fù)诫s拋光單晶硅襯底上制備了效率為13.6% 。美國Astropower公司采用LPE法制備的電池效率達(dá)到12.2%。晶體硅薄膜電池之所以得到普遍的重視是由于它將晶體硅電池工藝優(yōu)點(diǎn)和薄膜電池的優(yōu)勢有機(jī)的結(jié)合起來。由于薄膜厚度只有大約1/ 10 晶體硅電池的厚度, 可以大大降低硅材料的消耗, 而且可快速大面積沉積薄膜甚至組件面積。而硅元素豐富, 無毒, 電池工藝成熟, 具有較高的轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)。除此以外, 薄膜電池的特點(diǎn)還表現(xiàn)為:由長光子產(chǎn)生的載流子在薄膜電池中較容易在復(fù)合前收集到, 從而增大短路電流;另外, 如果忽略表面復(fù)合, 由于薄膜電池中體復(fù)合遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶硅電池的復(fù)合

31、, 從而降低了飽和暗電流, 因此薄膜電池可以具有較高的開路電壓和填充因子, 從而具有較高的電池轉(zhuǎn)換效率。但目前晶體硅薄膜太陽能電池尚存在如下問題：（1）多晶硅薄膜低溫沉積，質(zhì)量差，薄膜晶粒尺寸小，電池效率低。（2）多晶硅薄膜高溫沉積，能耗高，尚缺少適于生長優(yōu)質(zhì)多晶硅薄膜的廉價(jià)而優(yōu)良的襯底材料。硅基薄膜電池的穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換效率明顯偏低，只有10%左右，而傳統(tǒng)的晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率在17%以上?？梢钥闯瞿壳肮杌∧ぬ栯姵卦诖笠?guī)模應(yīng)用上還沒有明顯的優(yōu)勢，硅基薄膜電池技術(shù)還有待成熟。但是薄膜電池誕生才30年，相比其他太陽電池或者新能源技術(shù)而言，發(fā)展時(shí)間很短，相信未來一定能夠克服重重困難，將硅基薄膜電池

32、大規(guī)模應(yīng)用，為生產(chǎn)生活提供源源不斷的動力。在多晶硅薄膜太陽能電池的研究與開發(fā)方向，今后應(yīng)著重研發(fā)如下問題：（1）大面積、大晶粒薄膜的生長技術(shù)；（2）進(jìn)一步提高薄膜的生長速率；（3）薄膜缺陷的控制技術(shù)；（4)優(yōu)質(zhì)、價(jià)廉襯底材料的研發(fā)； (5）電池優(yōu)良設(shè)計(jì)、表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)等的研究 總體來說， 硅基薄膜憑借其而積大、成木低、工藝設(shè)備成熟、易集成、無毒、有多種廉價(jià)襯底選擇以及適合制備柔性電池等優(yōu)勢，己經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要組成部分。隨著研究的深入，技術(shù)的進(jìn)步和成木的進(jìn)一步下降，薄膜電池將占據(jù)越來越多的市場份額，最終取代體硅材料成為太陽能電池的主要材料。薄膜電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是適合作為光伏建筑

33、一體化(BIFV)的材料，非氫化非晶硅薄膜電池的生產(chǎn)線己有很多條，但其紅外波段的響應(yīng)較弱，受到光致衰減效應(yīng)的影響，組件效率較低。為了充分利用光譜減小光致衰減效應(yīng)以提高效率，非晶微晶疊層電池己成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。多晶硅薄膜電池的制備溫度較高，耐高溫襯底的成本大致為組件制造成本的三分之一，因此尋找低成本的襯底和高效的低溫制備技術(shù)和工藝藝是目前研究的一個(gè)重點(diǎn)。 但是，硅基薄膜電池產(chǎn)業(yè)要想得到長足的發(fā)展還有許多工作要做。最近12年內(nèi)，非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池的初步量產(chǎn)可以使商業(yè)化硅薄膜電池效率達(dá)到8.5的水平。通過改進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)微晶硅薄膜的快速沉積，同時(shí)提高電池效率至10，那么就可以使電池組件的制造成本降低近30。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)充產(chǎn)能（從30MW到100MW ），電池組件成本能夠降到非晶硅電池的60左右。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要研究機(jī)構(gòu)、光伏生產(chǎn)廠家及設(shè)備制造商之間的通力合作。五、結(jié)尾 太陽能電池， 與計(jì)算機(jī)和通信產(chǎn)業(yè)一樣，將成為21世紀(jì)的